石門水電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)淺析

王洪慶，李小樂

（中國電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽550081）

石門水電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)淺析

王洪慶，李小樂

（中國電建集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,貴州 貴陽550081）

石門水電站運(yùn)行水頭范圍為154～234 m，屬于高水頭水電站，此水頭段適合的水輪機(jī)最佳型式為混流式水輪機(jī)。根據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計(jì)公式及資料，并參照國內(nèi)外相近水頭段已建電站的主要參數(shù)，通過綜合分析比較，確定水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速、比速系數(shù)、單位轉(zhuǎn)速、單位流量和空化系統(tǒng)等機(jī)組參數(shù)，選擇合適的模型轉(zhuǎn)輪，并以此作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，從而確定電站機(jī)組臺(tái)數(shù)、額定轉(zhuǎn)速及安裝高程等。本階段與招標(biāo)后機(jī)組參數(shù)的對(duì)比情況，以及石門水電站后期的安全穩(wěn)定運(yùn)行，均表明石門水電站水輪機(jī)參數(shù)選擇是合理的，可為高水頭段的水電站水輪機(jī)參數(shù)選擇提供設(shè)計(jì)參考。

混流式；水輪機(jī)選型；參數(shù)選擇；高水頭；石門水電站

1 概況

石門水電站位于新疆維吾爾自治區(qū)呼圖壁縣南側(cè)，距縣城公路里程78 km，距昌吉市公路里程116 km，距烏魯木齊市公路里程154 km。電站附近有鐵路和公路交通干線，對(duì)外交通十分便利。

石門水電站總裝機(jī)容量為95 MW，電站總庫容為7751萬m3，調(diào)節(jié)庫容為7016萬m3。擋水建筑物采用瀝青心墻土石壩，廠房型式為地面式廠房。電站的開發(fā)任務(wù)為灌溉、防洪、發(fā)電。其基本參數(shù)見表1。

表1 電站基本參數(shù)表

2 水電站水輪機(jī)選型

2.1 型式選擇

石門水電站的正常蓄水位為1240 m，運(yùn)行水頭范圍在154～234 m之間，額定水頭為211 m。此水頭段適合的水輪機(jī)最佳型式為混流式水輪機(jī)，因此，推薦選用混流式水輪機(jī)。

2.2 機(jī)組參數(shù)

2.2.1 比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)

比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)是水輪機(jī)的重要參數(shù)之一，是反映水輪機(jī)能量特性、經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性的一個(gè)綜合性能指標(biāo)，同時(shí)也反映了水輪機(jī)的設(shè)計(jì)制造水平。提高比轉(zhuǎn)速，可以減小機(jī)組尺寸和投資，同時(shí)還可以減小主廠房尺寸，降低工程投資，故在允許的條件下，宜選擇較高的比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)。但水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的提高會(huì)受到水輪機(jī)剛強(qiáng)度、效率、空化、泥沙磨損及運(yùn)行穩(wěn)定性等各方面的制約。所以應(yīng)考慮電站的具體情況，綜合分析并選擇合理的比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)。

固滴水電站所處水頭段為154～234 m，為高水頭電站，為減少葉片的磨損，改善轉(zhuǎn)輪的空蝕性能，比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)宜取適中值。根據(jù)國內(nèi)外不同統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算，并參照國內(nèi)部分相近水頭段的水電站主要參數(shù)，經(jīng)綜合分析，選取水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速范圍為120～150 m·kW，相應(yīng)的比速系數(shù)為1743～2179。

2.2.2 單位轉(zhuǎn)速和單位流量

單位轉(zhuǎn)速的選擇應(yīng)考慮和單位流量進(jìn)行最佳匹配，以滿足機(jī)組高效、穩(wěn)定運(yùn)行的要求。選用較高的單位轉(zhuǎn)速，可以提高機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速，從而可以減小發(fā)電機(jī)的尺寸和重量；選用較大的單位流量，可以減小水輪機(jī)的尺寸和重量。但單位轉(zhuǎn)速和單位流量的提高又受到強(qiáng)度、空化和運(yùn)行穩(wěn)定性等許多條件的限制，而且模型轉(zhuǎn)輪各參數(shù)之間應(yīng)該有合理的匹配關(guān)系，才能獲得較好的綜合性能指標(biāo)。

考慮到固滴水電站的水頭段范圍以及比轉(zhuǎn)速范圍（120～150 m·kW），初步擬定了單位轉(zhuǎn)速為62～70 r/min、單位流量為0.48～0.64 m3/s。

2.2.3 水輪機(jī)空化系數(shù)

水輪機(jī)空化性能通常用空化系數(shù)來衡量。空化系數(shù)的大小關(guān)系到機(jī)組的安裝高程、機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和使用壽命。重點(diǎn)是在提高水輪機(jī)能量指標(biāo)的同時(shí)，降低水輪機(jī)的空化系數(shù)，改善空化性能，但水輪機(jī)的能量性能與空化性能常常是相悖的，模型空化系數(shù)與比轉(zhuǎn)速正比相關(guān)，即隨著比轉(zhuǎn)速的提高，空化系數(shù)也隨之上升。從對(duì)已有資料進(jìn)行的分析得知，對(duì)應(yīng)于比轉(zhuǎn)速取120～150 m·kW時(shí)，其模型空蝕系數(shù)取0.06～0.08。

2.2.4 水輪機(jī)效率

效率是水輪機(jī)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它關(guān)系到水電站的出力和經(jīng)濟(jì)效益，優(yōu)良的轉(zhuǎn)輪應(yīng)具備較高的效率點(diǎn)和寬廣的高效穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域。通過與統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行綜合比較，認(rèn)為本電站水輪機(jī)模型最高效率應(yīng)不低于93.5%，真機(jī)最高效率應(yīng)不低于94%。

2.3 轉(zhuǎn)輪選擇

石門水電站最大水頭234m，額定水頭為211 m，在該水頭段有許多優(yōu)秀的轉(zhuǎn)輪，模型轉(zhuǎn)輪的主要參數(shù)見表2。

表2 模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)表

A339轉(zhuǎn)輪用于天生橋二級(jí)水電站Ⅰ期工程，轉(zhuǎn)輪A575c是在A339轉(zhuǎn)輪的基礎(chǔ)上進(jìn)行開發(fā)的，用于天生橋二級(jí)電站Ⅱ期工程，因此性能指標(biāo)較A339更優(yōu)。在230 m適用水頭段，A575c與其他轉(zhuǎn)輪比較，其模型轉(zhuǎn)輪效率最高，且過機(jī)流量較大，抗空蝕性能較好；XW轉(zhuǎn)輪由伏伊特西門子公司為小灣電站設(shè)計(jì)制造，在250 m適用水頭段，該轉(zhuǎn)輪的效率最高，過機(jī)流量較大，抗空蝕性能優(yōu)越。根據(jù)石門電站水頭情況，230 m或250m水頭段的轉(zhuǎn)輪均可采用，主要對(duì)A575c轉(zhuǎn)輪和XW轉(zhuǎn)輪進(jìn)行比較，來選擇石門電站的模型轉(zhuǎn)輪，具體見表3。

表3 A575c和XW轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)比較表

通過表3可知，兩方案中的機(jī)組轉(zhuǎn)速均為500 r/min，吸出高度數(shù)值兩者相當(dāng)，比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)相差不大?？紤]到電站的泥沙含量雖不大但硬度較高，參照國內(nèi)外已建電站的參數(shù)水平，兩者均在合理的范圍內(nèi)，并能滿足機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性要求。XW轉(zhuǎn)輪方案與A575c轉(zhuǎn)輪方案相比，其轉(zhuǎn)輪直徑和水輪機(jī)重量略大，但水輪機(jī)最高效率和額定效率較高。經(jīng)綜合分析比較，選用XW作為代表轉(zhuǎn)輪，來重點(diǎn)突出機(jī)組的運(yùn)行效率，提高機(jī)組運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

2.4 機(jī)組臺(tái)數(shù)

石門水電站裝機(jī)容量95 MW，根據(jù)水電站的實(shí)際情況，以XW模型轉(zhuǎn)輪作為代表性轉(zhuǎn)輪，重點(diǎn)對(duì)二、三臺(tái)機(jī)方案進(jìn)行比較。不同裝機(jī)臺(tái)數(shù)的主要參數(shù)及投資估算見表4。

（1）從工程設(shè)計(jì)及總投資方面來分析，兩方案在總體布置、工程設(shè)計(jì)及施工上均無特殊困難，方案一的總投資比方案二少2610萬元，方案一較優(yōu)。

（2）從機(jī)組運(yùn)行靈活性方面來分析，石門水電站在系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰及事故備用等任務(wù)，兩方案的單機(jī)容量在系統(tǒng)中所占的比重均較小，故兩方案調(diào)度上均可行。

（3）從機(jī)組運(yùn)行范圍來分析，兩方案所對(duì)應(yīng)的機(jī)組運(yùn)行范圍均包括了最優(yōu)工況點(diǎn)，運(yùn)行條件較好，均能滿足機(jī)組的高效穩(wěn)定運(yùn)行。

（4）從機(jī)組參數(shù)選擇及穩(wěn)定性方面來分析，兩方案的比速系數(shù)分別為1991和1955，參數(shù)適中，均在合理范圍內(nèi)，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性也無問題。

（5）從水輪發(fā)電機(jī)組制造運(yùn)輸角度來分析，兩方案的水輪發(fā)電機(jī)組及其附屬設(shè)備的設(shè)計(jì)制造、運(yùn)輸均屬正常范圍，國內(nèi)水輪發(fā)電機(jī)組制造廠均能承擔(dān)。

（6）從運(yùn)行維護(hù)與安裝檢修來分析，方案一工作量小，成本低，而且其設(shè)備故障發(fā)生率比方案二要小，方案一較優(yōu)。

表4 裝機(jī)臺(tái)數(shù)比較表

綜上所述，從工程投資、調(diào)度、運(yùn)行及運(yùn)輸?shù)雀鞣矫鎭砭C合考慮，方案一占優(yōu)勢(shì)，因此，確定石門水電站裝機(jī)采用方案一，即2臺(tái)單機(jī)容量47.5 MW方案。

2.5 額定轉(zhuǎn)速

經(jīng)過計(jì)算比較，采用XW轉(zhuǎn)輪機(jī)組可供選擇的轉(zhuǎn)速有428.6 r/min，500 r/min，600 r/min三檔，不同轉(zhuǎn)速的運(yùn)行范圍見圖1。

圖1 不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行范圍圖

從圖1可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為600 r/min和428.6 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)輪運(yùn)行范圍偏離最高效率區(qū)較遠(yuǎn)；當(dāng)轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)輪運(yùn)行范圍包括了轉(zhuǎn)輪的最高效率區(qū)，且其所處效率區(qū)比較寬廣，效率變化幅度也較平穩(wěn)。經(jīng)綜合分析比較，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為500 r/min。

2.6 機(jī)組安裝高程

根據(jù)電站運(yùn)行條件，按留有一定安全裕度的原則，來確定水輪機(jī)的安裝高程。石門水電站裝機(jī)兩臺(tái)，根據(jù)規(guī)范要求，下游設(shè)計(jì)尾水位按一臺(tái)水輪機(jī)50%額定流量（Q=12.54 m3/s）對(duì)應(yīng)的尾水位確定，故設(shè)計(jì)尾水位為1006.50 m?？紤]到電站水流中有一定含沙量且硬度較高，機(jī)組吸出高度為Hs=-6.09 m，對(duì)應(yīng)水輪機(jī)的安裝高程為1000.41 m。

2.7 機(jī)組最終參數(shù)

通過可研階段分析及機(jī)組的最終招標(biāo)確定，固滴水電站水輪機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見表5。

表5 水輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表

3 結(jié)語

石門水電站已于2013年12月底兩臺(tái)機(jī)組成功并網(wǎng)發(fā)電，電站全部機(jī)組各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)正常，運(yùn)行狀況良好。石門水電站可研階段與招標(biāo)階段確定的水輪機(jī)參數(shù)基本一致，并且電站成功安全穩(wěn)定運(yùn)行，表明石門水電站的水輪機(jī)主要參數(shù)選擇是合理的。對(duì)今后類似水頭段水電站水輪機(jī)參數(shù)選擇具有一定的參考意義。

TK730.2

B

1673-9000（2017）05-0141-03

2017-05-17

王洪慶（1980-），男，山東鄆城人，高級(jí)工程師，主要從事水電站水力機(jī)械設(shè)計(jì)工作。