高水头、多泥沙水电站水轮机机型选择

张宝勇，胡雄峰

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 问题的提出

印度尼西亚某水电站位于印尼南苏拉威西省，主要由大坝、溢洪道、进水口、引水隧洞、调压池、电站开关站和输电线路等组成，年发电量约1 919 GW · h。电站最大水头437 m，最小水头404 m，总装机容量为315 MW，其中一期工程装机容量为2×45 MW，二期工程装机为容量为3×75 MW。电站河水含沙量较大，河流多年平均含沙量为1.090 kg/m3，多年平均过机含沙量为1.039 kg/m3，其中粒径大于0.050 mm的泥沙占50%以上。

在300~700 m水头段、多泥沙水电站开发过程中，根据DL/T 5186—2004《水力发电厂机电设计规范》，既可以选择混流式水轮机，也可以选择冲击式水轮机[1]。本文依托印度尼西亚某高水头、多泥沙电站，从机组设计制造难度、运行稳定性、泥沙影响、投资等方面进行分析和对比，优化选出适用于该类型电站的最佳水轮机组型式及主要参数。

2 水轮机组型式选择

从机组设计制造难度、运行稳定性、水头利用率、过机泥沙磨损影响、参数及投资等方面对混流式和冲击式2种水轮机组方案进行分析和对比。

2.1 设计、制造难度

混流式方案的水轮发电机组属于高水头、高转速机组，电站一期和二期的机组额定功率分别为45，75 MW，经初步计算，对应的转速分别为600，500 r/min。从发电机设计制造来看，机组的转速较高，发电机转子直径偏小，由离心力产生的风量有限，风道狭窄，而高速大容量机组的损耗大，发热高，保证温升在规范范围内所需的风量较大，因此发电机的通风设计有一定困难。混流式水轮机组的制造难度不大，但其水轮机模型的水力开发难度较大。

若采用冲击式机组方案，经计算，电站一期和二期的机组转速分别为333，300 r/min，发电机设计、制造难度相对较小。冲击式水轮机组制造相对容易，但是水力性能较为优良的转轮模型开发难度较大。

2.2 运行稳定性

混流式机组在部分负荷运行时存在脉动、振动问题以及受高空化的影响，而冲击式机组不存在该缺点。

从水轮机稳定运行范围来看，冲击式水轮机的优点是可以根据出力变化切换喷嘴数，从而达到调整出力和稳定运行的目的，其稳定运行区域更宽广。优秀的转轮模型甚至可以在10%~100%额定出力范围内长期连续稳定运行，远优于混流式水轮机所对应的45%~100%额定出力运行范围，且冲击式水轮机的高效率区域也更宽广。本电站属于径流电站，水库调节能力较差，选择冲击式机组更有利于电站适应来流变化。此外，电站所处的南苏拉威西岛电网较小，选择冲击式机组更容易适应用电负荷的变化。

2.3 水头利用率

高水头混流式机组吸出高度通常为负值，其安装高程在最低尾水位以下，因此能够完全利用上下游水库的落差发电。而冲击式机组吸出高度通常为正值，其安装高程与下游最高水位之间需要一定的高度差作为排气通道，因此不能完全利用上下游水位差发电，与混流式机组方案相比，其利用水头低约2~4 m，水能利用率偏低。

虽然少数冲击式水轮机可采用强制压水的方式，达到完全利用水头的目的，但是需要额外配置中压气系统用于压水，为机组的设计、运行、维护、检修带来不便。目前世界上已投入运行的冲击式水电站中罕有采用此种方式。

2.4 过机泥沙磨损影响

通常情况下，过机泥沙平均粒径大于0.050 mm、多年平均过机沙量超过0.200~0.400 kg/m3的电站，在选择机型时需考虑泥沙磨损的影响[2]。水轮机的泥沙磨损程度通常与泥沙含量及特性、含泥沙水流的流态、水轮机过流表面的形状，过流部件材料表面的抗磨能力，机组运行方式等多种因素有关。水轮机过流部件泥沙磨损的程度，与过流部件表面相对流速的2次方到3次方成正比[3]。机组运行过程中，水轮机通流部件会受到空蚀和泥沙磨损的联合作用造成材料损失。

本电站年平均过机泥沙含量为1.039 kg/m3，泥沙含量高，泥沙粒径也比较大，其中粒径大于0.050 mm的泥沙占50%以上。因此机组的泥沙磨损问题对电站机组机型选择影响较大。

表1为国内部分高水头电站过机泥沙参数表。从表1中电站的运行情况可以看出，过机泥沙含量较大或者泥沙粒径较大的电站选择混流式机组时，会对机组运行带来较大的影响，具体表现为磨损较严重、大修周期短。与本电站水头相近且已投入运行的硗碛、狮子坪和金康等选用混流式机型的电站，过机泥沙磨损相对较轻微，运行情况较好。

表1 国内部分高水头电站过机泥沙参数表

续表1

如果本电站采用混流式机组，按表1中的电站运行情况类比，预计本电站的机组转轮、导叶、抗磨板、顶盖、底环、固定迷宫环和转动迷宫环等部件受到高泥沙水流的磨蚀后，可能在短期内需要进行打磨补焊等检修工作，且每次检修需要长时间停机进行拆卸、修复和重新组装。虽然过流部件采用适当的防磨蚀涂层后，可以在一定程度上缓解泥沙磨损的影响，但是混流式机组的迷宫、导叶、转轮被磨蚀后，将导致水轮机效率降低，在上述部件未修复前运行时，机组的发电量会下降[6-7]。

若采用冲击式机组，则机组的大修周期较混流式机组长。同时，由于冲击式水轮机过流部件和密封部件较少，且在不需要拆卸发电机的情况下，转轮和喷嘴可从下部通道拆出，有利于缩短机组检修时间。此外，如果电站配置备品转轮及喷嘴，可进一步缩减机组的检修时间。从泥沙磨蚀对效率的影响来看，冲击式机组主要是水斗和喷嘴的过流表面受泥沙磨损影响，主体结构依然保持完好，因此由磨蚀造成的效率下降较小。

2.5 机组参数及投资对比

混流式机组和冲击式机组的参数及投资对比见表2。从表2可知，与混流式机组方案相比，冲击式机组方案投资高出约1 079.8万美元，主要是因为冲击式机组转速比混流式机组低，机组尺寸更大，导致机电设备投资和建筑工程投资比混流式机组大。

表2 2种机组的参数及投资对比表

续表2

2.6 评价结果

根据本电站的水头范围、泥沙含量等基本条件，从机组设计制造难度、电站运行稳定性和高效性、应对泥沙磨损危害、机组检修时间、机组投资等方面考虑，建立各影响因素按照权重分布的评分结果表（见表3）。从表3中可以看出，考虑维护保养难度和初期投资权重较大的情况下，冲击式机组分数相对较高，因此本电站推荐采用冲击式机组方案。

表3 影响因素按权重分布评分结果表

3 水轮机主要参数选择

在现有统计公式和经验值的基础上，考虑到本电站泥沙含量大，选择较低的水轮机额定比转速和比速系数，并结合现有的该水头段水轮机模型综合特性曲线计算分析，初拟的水轮机主要参数见表4。

表4 初拟的水轮机主要参数表

4 结 语

高水头、多泥沙水电站在选择水轮机机型时，应充分论证采用混流式机组和冲击式机组2种方案的优缺点。本电站泥沙含量大，虽然混流式机组有初期投资低、水轮机最优效率高等优点，但是由于冲击式机组的抗磨蚀性能更好，其后期检修、维护工作量少，发电时间高于混流式机组，因此冲击式机组方案在全寿命周期内的费用将比混流式机组方案更低。同时考虑冲击式机组具有部分负荷运行时效率高、运行灵活等特点，本电站宜选择冲击式机组。

尽管本电站选择抗磨蚀性能相对优良的冲击式机组，但泥沙磨蚀仍然是本电站面临的最大问题。为改善水轮机的抗磨性能，提高水轮机运行的可靠性，延长机组的大修周期，建议汛期合理调节库水位运行，汛期进行溯源冲沙、排沙；在取水口采取拦截装置，以堵截推移质；选择耐磨的过流部件或采用相应工艺措施，提高过流部件表面的抗磨能力；控制水轮机的运行范围，尽可能使水轮机在合理工况下运行[8]。