大藤峡大型轴流式水轮机参数选择

李树刚，李 涛，门 飞，任哲明

（1.中水东北勘测设计研究有限责任公司，130021，长春； 2.黄河小浪底水资源投资有限公司，450099，郑州）

大藤峡水利枢纽2014 年10 月可行性研究获得批复，2015 年2 月完成初步设计。工程规模经过充分论证，逐步确定。 其间装机容量考虑了800 MW、1 000 MW、1 200 MW、1 600 MW等几个不同的阶段成果。在不同阶段，无论装机容量大小， 大藤峡的大型轴流转桨式水轮机的综合难度均接近或超过与国内不同时期的葛洲坝、水口、乐滩、银盘、安谷等工程的同类机组。

水轮机的参数选择决定了水轮发电机组的参数水平。 参数水平低，则水轮机效率稍低，但空化和稳定性好，有利于机组的安全稳定运行。 参数水平高，则水轮机效率高，空化和稳定性差一些，但有利于获得更多的电能。 提高水轮机参数水平，可以减小机组尺寸和重量，同时减小厂房尺寸，节约土建工程投资，但受到机组稳定性、设计制造能力的制约。

结合不同水电项目的具体条件，水轮机参数选择研究一直在进行，也积累了很多经验。 大藤峡大型轴流式水轮机参数选择，是寻求满足大藤峡工程具体条件，兼顾技术先进性和运行稳定性的合适水轮机方案。

一、工程概况

大藤峡水利枢纽工程是红水河水电基地综合利用规划10 个梯级中最末一级，电站兴建后，送电至广西电网，主要承担广西电网的发电和调峰任务。 电站总装机容量为1 600 MW， 多年平均年发电量60.55 亿kWh。 电站水头范围为10.07～37.79 m，额定水头25 m。 采用河床式厂房，分设于黔江主坝两岸。 其中左岸厂房布置3 台机组， 右岸厂房5 台， 共8台单机容量为200 MW 的轴流转桨式水轮发电机组，水轮机转轮直径10.4 m，额定转速68.2 r/min。

电站基本参数见表1。

二、水轮机型式选择

水库为日调节水库，发电水头变化范围为10.07～37.79 m，变幅较大且变化频繁，要求水轮机既能在低水头大流量工况下稳定运行，又能在非汛期担任电网的调峰任务；而且为满足航运流量700 m3/s 的要求， 要求水轮机在高水头部分负荷区能够稳定运行。 综上，本电站选用对水头、流量变化适应性较强的轴流转桨式水轮机。

表1 大藤峡水电站基本参数

三、水轮机预期参数的选择

1.比转速和比速系数

水轮机比转速的提高是水轮机技术发展水平的重要标志之一，提高比转速可减少机组尺寸，降低机组重量。 但比转速的提高又受到水轮机空蚀、 磨损和运行稳定性要求限制，因此比转速的选择应针对电站的具体情况进行综合分析比较。

为了选择合适的比转速， 统计了国内外容量相近或水头相近的大型轴流转桨式水轮机比转速及比速系数，可以看出国内外制造的大型轴流转桨式水轮机比速系数为2 357～3 065；国内外制造厂为大藤峡提供的水轮机方案见表2，比速系数为2 525～3 030；根据常用的统计公式计算的大藤峡水轮机比转速和比速系数见表3，比速系数约为2 500～3 100。

从表2 所列数据来看，制造厂家为大藤峡提供的方案，比速系数多数大于2 700， 考虑到水轮机制造水平的不断发展，并结合大藤峡电站所在河流中含有一定的泥沙， 选取ns值既要体现技术的进步性又要考虑稳定性要求，参数水平不宜过高，大藤峡水轮机比速系数宜为2 700 左右，相应水轮机比转速ns宜为550 m·kW 左右。

2.水轮机效率

平班电站于2004 年投产运行，其水轮机额定效率94.7%， 最高效率95.27%， 模型转轮最优效率92.85%；乐滩电站于2005 年投产运行， 其水轮机额定效率93.28%， 最高效率95.66%， 模型转轮最优效率93.15%。根据目前技术水平并结合各个制造厂的咨询意见，建议本电站水轮机模型转轮最优效率不低于93.0%。

3.水轮机单位流量和单位转速

比转速确定之后，单位流量和单位转速的匹配将直接影响电站的技术经济指标。 提高单位流量可以减小水轮机的尺寸和降低造价，同时减小厂房尺寸，节省土建投资。 提高单位转速可以提高机组转速，降低发电机重量和造价。 但随着单位流量或单位转速的提高，水轮机的效率和抗空蚀性能都会变差。 因此要取得较高的技术经济指标，必须对单位流量（Q1′）和单位转速（n1′）进行优化选择。

根据轴流转桨式水轮机比转速与额定工况下单位流量（Q1′）和单位转速（n1′） 统计关系曲线， 当ns=550 m·kW时，Q1′=1.65m3/s，n1′=142.2r/min。 各主机厂推荐的大藤峡水轮机方案：Q1′=1.593～1.775 m3/s，n1′=132.5～153 r/min。

根据本电站的特点，并经以上综合分析比较，本阶段水轮机额定工况点的单位流量宜控制在1.65 m3/s 左右，单位转速宜控制在142.2r/min 左右。

4.水轮机空化系数

本电站水轮机比转速ns宜为550 m·kW 左右， 根据国内外轴流式水轮机σy-ns关系曲线， 并参照国内同水头段性能优良的水轮机模型转轮实际资料，本电站的电站装置空化系数σy暂取0.72 左右。

综合上述确定水轮机主要预期参数：水轮机比转速为550 m·kW，水轮机模型最高效率不低于93.0%，单位流量为1.65 m3/s， 单位转速为142.2 r/min，装置空蚀系数不大于0.72。

表2 国内外厂家提供的比转速及比速系数

四、结合枢纽布置进行的机组台数方案比选结论

初步设计阶段，对于6、7、8、9 台机组方案， 采用左岸布置3 台机组或4 台机组对应的不同机组台数组合， 共进行了6 个方案的技术经济比选。 主要从机组设计制造难度、对枢纽布置及水工建筑物的影响、对电气主接线及电气设备选择的影响、施工组织设计、工程投资概算、多年平均发电量和初期发电量及经济计算等方面进行了方案计算和综合分析比较。 推荐采用8 台机组，单机容量为200 MW，左岸3 台、右岸5台的布置方案。

表5 各厂商对大藤峡水轮机参数选择方案复询情况

表6 大藤峡水轮机主要参数

五、水轮机转轮选择

针对本电站水头段，目前现有可供选 择 转 轮ZZ587a、ZZA833、ZZJK601、ZZJK609 等4 个转轮。转轮的模型主要参数见表4。

根据现有转轮资料，ZZA833 转轮、ZZ587a 转轮单位流量均较大，前者效率较高，但空蚀性能稍差，后者效率偏低；ZZJK601 转轮、ZZJK609 转轮单位流量均较小，效率略低，空蚀性能稍好。 根据掌握的技术资料，并考虑ZZA833 转轮的实际使用情况，经综合分析比较， 暂将ZZA833 型转轮作为初步设计阶段的基础转轮。

为了进一步优化水轮机技术参数，本阶段征询了国内的主要生产厂商，各厂商对水轮机设计方案和主要技术参数选择复询情况详见表5。

六、水轮机主要参数

初步设计阶段参考技术征询成果, 在选定基础转轮基础上经过分析计算， 提出了推荐水轮机主要参数（见表6）。目前，左岸3 台机组已先期招标并完成模型验收试验，第一台机组的转轮、座环、导水机构、主轴等主要部件均已制造完成。

七、结 论

大藤峡电站装机容量为1 600 MW， 采用8 台机组， 单机容量达到200 MW， 转轮直径达到10 m 以上。大藤峡水轮机制造难度系数很高，在同类同水头段机组中为国内外之最。通过对比了初步设计阶段推荐的水轮机参数和左岸3 台机组招标定厂后通过水轮机模型验收试验后核定的真机参数。 可以看到，大藤峡的大型轴流转桨式水轮机参数选择是合适可行的，同时具备技术先进性。 ■