文得根水利枢纽水轮机参数选择

徐志军，庄乾彪，任哲明，张科鹏

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130021）

1 电站概况

引绰济辽工程文得根水利枢纽位于绰尔河干流中游，文得根水库的工程任务是以调水、灌溉为主，结合发电。文得根水利枢纽具有多年调节性能，具有一定的调峰能力，下游还有已建成的绰勒枢纽对灌溉供水进行反调节。水库多年泥沙平均淤积体积为26×104m3，多年总入库沙量35.31×104t，悬移质中值粒径0.022 2 mm，平均粒径0.033 1 mm。枢纽的主要建筑物包括上水库、引水发电系统、发电厂房等，引水系统采用一洞四机加灌溉管的布置方式。总装机容量为36.0 MW，装设3台单机容量为11.4 MW及1台单机容量为1.8 MW的混流式水轮发电机组。最大水头41.9 m，额定水头34.0 m，最小水头21.0 m。

2 机组台数和单机容量的选择

电站总装机容量为36.0 MW，利用调水、灌溉及生态流量进行发电。上游水库对下游农业进行补偿供水，灌溉期为4—8月，坝址断面6—9月最小灌溉流量为17.68 m3/s，其他月份最小生态流量为5.20 m3/s，根据调度图进行调节计算，水库综合供水目标见表1。

表1 水库下游综合供水目标表 m3/s

根据灌溉、生态流量要求，并综合考虑电站在系统中的地位及运行方式，初步设计阶段对装机2台17.1 MW机组+1台1.8 MW机组方案（简称2+1方案）、3台11.4 MW机组+1台1.8 MW机组方案（简称3+1方案）、4台8.55 MW机组+1台1.8 MW机组方案（简称4+1方案）3个方案进行了比选，比选结果见表2。

表2 机组台数方案比选结果

由表2中可以看出：2+1方案工程静态总投资高于3+1方案，且多年平均发电量少53×104kW·h，3+1方案经济性优于2+1方案；4+1方案与3+1方案相比，单位电能投资相差无几，工程静态总投资略高，综合比较，3+1方案优于4+1方案；2+1方案在灌溉期间单机最小发电流量与灌溉流量匹配的适应性较差，而3+1方案单机容量适中，调度灵活，运行管理方便，可充分满足下游灌溉、生态流量要求。

该电站采用引水发电式地面厂房，各方案发电引水系统均采用一洞多机方式布置。从枢纽布置上看，各方案的布置没有制约性因素，均是可行的。各方案的机组在制造方面均不存在制约因素，国内的机组制造厂家的技术水平和加工能力能够满足各方案机组的要求。各方案的机组大、重件的运输要求均不会对外交通形成制约因素。

综合以上因素，初步设计阶段推荐采用3+1方案。

3 水轮机型式及预期参数选择

3.1 水轮机型式选择

电站运行水头范围为21.0～41.9 m，适用该水头段的水轮机型式有混流式和轴流式：

1）轴流式机组适应水头范围为3.0～80.0 m，轴流转桨机组可在较大的水头和出力范围下稳定运行，平均效率较高。但随着使用水头的提高，其单位功率下降，气蚀系数升高，水轮机安装高程降低。在国内，轴流机一般在40.0 m以下水头段应用较多，40.0 m以上水头段内研发的转轮较少，实际应用少，机组的部件结构相对复杂，运行维护量较大。

2）混流式水轮机在国内外应用最为广泛，设计制造和运行均积累了丰富的经验，适应水头范围为30.0～700.0 m，机组结构相对简单，制造难度较低，设计制造技术成熟，运行维护方便，检修工期短。

综上所述，混流式水轮机设计制造水平和综合性能优于轴流机，因此该电站选用混流式机组。

3.2 水轮机预期参数

1）水轮机比转速

水轮机比转速ns是水轮机的重要特征参数之一，它表征水轮机的综合经济技术水平，应结合电站的具体情况合理选择。各类统计公式计算的文得根水利枢纽水轮机比转速结果见表3。

表3 各类统计公式计算的水轮机比转速结果

国内外与文得根水利枢纽水头段相近的水轮机参数见表4。

表4 国内外与文得根水利枢纽水头段相近的水轮机参数

根据当前国内外水轮机的实际设计制造水平和国内外已运行电站机组的统计资料，以及该电站的实际情况，可取比转速ns=265～310 m·kW，比速系数K=1 545～1 808。

2）水轮机效率

根据当前国内外水轮机的实际设计制造水平，要求大机原型水轮机最高效率不低于93.5%；小机原型水轮机最高效率不低于91.0%。

3）水轮机单位转速和单位流量

额定工况点确定以后，单位转速n1′及单位流量Q1′的不同匹配将直接影响电站的技术经济指标。单位转速n1′按相关的统计公式计算，计算结果见表5。

根据推荐的比转速值ns及相应的统计计算公式，由表5可见，n1′＝82.11～92.19 r/min。

表5 单位转速的相关统计公式计算结果

根据比转速计算公式ns=3.13n1（Q1′η）0.5估算，η＝1.063～1.154，Q1′=1.17～1.27 m3/s，根据该水头段既有转轮模型资料统计，限制工况下单位流量Q1′为1.30～1.37 m3/s。

综上分析，取n1′＝82～92 r/min，Q1′=1.20～1.40 m3/s。

4）水轮机空蚀

水轮机装置空蚀性能和水轮机比转速有关，根据不同经验公式计算出的电站水轮机装置空蚀系数如表6。

表6 电站水轮机装置空蚀系数表

由表6统计公式计算的水轮机装置空蚀系数在0.19～0.41之间，考虑到电站的实际运行情况，并预留一定的安全裕量，电站的装置空化系数σy暂取0.27左右。

综上所述，取水轮机预期参数如下：水轮机比转速265～310 m·kW；单位转速82～92 r/min；单位流量1.20～1.40 m3/s；大机最高效率不低于93.5%；小机最高效率不低于91.0%；装置空蚀系数0.27。

4 原型水轮机参数选择

4.1 水轮机模型转轮的选择

通过咨询国内主要水轮机制造厂家，适用于该电站的模型转轮的主要参数见表7。

由表7可以看出，HLA551转轮的能量指标较高，综合指标较好，且应用广泛，初步设计阶段暂按HLA551机型展开工作。

表7 适用于电站的模型转轮主要参数

4.2 原型水轮机主要参数

初步设计阶段选用原型水轮机主要参数见表8。

表8 大机 小机初步设计阶段选用水轮机主要参数表

4.3 水轮机安装高程的确定

水轮机装置空蚀系数的取用与多种因素有关，反映在统计值的分布规律很离散，因此各种统计公式仅供参考。根据HLA551转轮空蚀特性计算的大机吸出高度为+0.1 m，小机吸出高度为+1.14 m。大机安装高程按1台机组发额定功率时的过流量所对应的尾水位确定，安装高程为335.09 m；小机安装高程按0.5台机组发电时的过流量所对应的尾水位确定，并考虑到大机布置情况，取安装高程为335.09 m。

5 结语

类似文得根水利枢纽的机组，一般不会重新设计新的转轮，基本是套用已研发的水轮机转轮。这就需要在设计过程中充分了解相近水头机组的使用情况，在设计中尽量处理好效率、空蚀性能和稳定性的关系，以便电站在机组的采购招标过程中选用到合适的机组，为电站的安全稳定运行奠定良好的基础。希望此文能为其他类似水电工程提供借鉴和参考。