中小型水电站水轮机选型设计评述

王春暖

（湖北省电力公司，湖北 武汉 430077）

0 前言

在水电建设项目中，水轮机选择具有重要意义：水轮机效率高、抗空蚀性能好、机组运行稳定，则发电效益就高。“水轮机选择”的内容之一，就是水轮机型式、型号及有关参数的选择，即“水轮机选型”。水轮机选型设计，既是水电站设计的重要内容之一，也是编制设备采购招标文件的依据。

中小型水电站的水轮机选型设计，主要是根据电站最大水头和水头变化范围，从型谱中选取。

我国于1974年4月，由一机部、水电部颁发了《反击式水轮机转轮暂行系列型谱》（简称“老型谱”），这是我国第一个水轮机转轮系列型谱。

“老型谱”中不论在水轮机的型号及其应用范围方面，还是在所列转轮水力参数等方面，大部分内容已陈旧、落后，无法满足需要。在20世纪后期，我国研制出性能先进的转轮，并在国内外一些电站使用。经有关研制单位的共同努力，编制出《中小型轴流式混流式水轮机转轮系列型谱》（JB/T6310-92），其中也包括有少量国外引进转轮。该型谱所列转轮，与“老型谱”所列转轮相比，无论在比转速ns，还是效率η都有大幅度的提高，空化系数σ也有所下降。此后，我国尚未再编制新的水轮机转轮系列型谱。

改革开放后，随着几座大型水电站工程的建设，我国“以市场需求，换先进技术”，哈尔滨电机厂有限责任公司（简称“哈电”）、东方电机股份有限公司（简称“东电”）两大制造企业抓住机遇“引进技术、国产化”并自主开发研制出一批优秀水轮机新转轮，不断丰富和补充了水轮机转轮型谱系列的内容。

目前各设计院均积累了自用的型谱系列资料，在水电站设计中所运用的“水轮机选型软件”中，也包括了水轮机转轮系列型谱的内容。设备采购的“市场化”，为先进、优良的设备进入中小型水电站打开了大门。在这一形势下，中小型水电站也有了选用较优秀水轮机转轮的可能性。因此，各设计院、业主及主管部门，都十分重视水轮机的选型，尽可能选用较为优秀而又能在招标采购中得到的设备，并以此作为贯彻国家“节能”方针的具体行动。

按湖北省人民政府于2006年3月颁发的《关于加强水能资源开发利用管理的意见》，水能资源开发项目必须达到初步设计深度，项目申请报告由省政府投资主管部门核准。

近几年以来，湖北省一批中小型水电开发项目，经省发改委组织专家进行评估后获核准。这些工程已陆续建成，从投产后水轮发电机组的运行状况，可初步检验出水轮机设计选型的合理性及经设备招标所采购产品的质量水平，从而可总结出经验及教训。

为了互通信息、交流经验、取长补短，现将部分项目核准前组织专家，对这些具有初步设计深度的几个水电站设计报告进行评估过程中，有关水轮机选型设计的一些问题，综合评述如下。

1 多数水电站水轮机选型合理

水轮机选型设计中，先考虑可供选择的一种或两种机型方案。在一种型式的水轮机中，可采用几种型号的水轮机，从技术特性、经济指标、运行可靠性及设计制造经验等方面，经技术经济比较后选定。水轮选型设计所推荐的代表机型，可按制造厂的产品型号列出，也可以按比转速表示，例如HLA384-LJ-140水轮机，也可用比转速表示为HL233-LJ-140。

随着各设计院水电站设计水平的不断提高，设计、计算手段的现代化，特别是一些甲级设计院，设计经验丰富，资料收集齐全，以严谨的科学态度，认真进行技术经济比较，大部分水电站水轮机选型设计推荐方案合理（见表1），现分别举例说明如下：

表1 水轮机选型合理的水电站

1.1 沿渡河流域梯级水电站

湖北省沿渡河流域梯级水电开发的白鳞岩、杨家坝、石板坪三座水电站的勘测设计任务，由浙江省水利水电勘测设计院（简称“浙江水勘院”）承担。

这三座水电站的水轮机选型设计,资料搜集齐全,方案论证细致,设计深度达到规范规定要求。其具体做法是：按电站最大水头，初选出该水头段或高一水头段的可供使用的若干个水轮机模型转轮，列出“水轮机模型转轮主要参数表”；将所列模型转轮，根据单位流量分成大、中、小三组，从每组中选取效率、空蚀性能较优的一个模型转轮，参加机型比较；将从中筛选出效率高、空蚀性能好的三种水轮机机型进行参数计算，列出“机组机型选择比较表”，并在各转轮的综合特性曲线上绘出该转轮的运行区域；在机型比较计算中，着重计算比较机组的能量指标、空蚀性能、运行工况、额定转速等。经三个方案的技术经济比较，最后选定出作为本阶段的代表机型，并绘出该水轮机的运转特性曲线，推荐水轮机的目标参数的范围。

（1）白鳞岩电站——水轮机加权平均水头227.63 m，水头变幅较小，适于该水头段的机型为混流式。设计者初选310～400 m水头段的10种水轮机模型转轮，并从中筛选出效率高、空蚀性能好的HLA542a-LJ-160；HL125-LJ-135（HL125-46为阿尔斯通的进口转轮，仅作参考）、HLA351-LJ-140三种水轮机机型进行比较，最后选定HLA351-LJ-140作为本阶段的代表机型，推荐水轮机的目标参数为：最优工况单位转速在63.3 r/min左右、额定工况单位流量在0.29 m3/s左右、比转速约在102 m·kW、额定工况的临界空化系数不大于0.055。

该电站最大水头285.46 m，低于300 m水头，在这一水头段选择混流式水轮机是经济、合理的；设计推荐HLA351-LJ-140型水轮机作为本阶段选定的机型，选型合理。

A351转轮首先使用于鲁布革水电站，水轮机系从挪威克瓦纳公司引进技术，最大使用水头400 m。HLA351型转轮还在多个高水头水电站使用，运行情况良好。水轮机具有长短叶片（长叶片15个，短叶片15个，二个长叶片之间加一个短叶片）具有高效区宽、抗空蚀和抗泥沙磨损性能及水力振动小三大优点。HLA351转轮在很多中小型水电站上得到广泛应用，但用在中小型转轮的制造上，必须严格控制材料、工艺和质量。

（2）杨家坝电站——设计者从150～230 m水头段的14种水轮机模型转轮中，筛选了效率高、空蚀性 能 好 的 HLA153-LJ-95；HLA606-LJ-110、HLA339-LJ-135三种水轮机进行比较，最后选定HLA606-LJ-110,推荐水轮机的目标参数为：最优工况单位转速71.5 r/min左右、额定工况单位流量在0.76 m3/s左右、比转速约在185 m·kW、额定工况的临界空化系数不大于0.05。

该电站最大水头147 m（毛水头），所选定的150 m水头段的HL A606-LJ-110型水轮机作为本阶段的代表机型，选型合理。

（3）石板坪电站——设计者从100～150m水头段的的11种水轮机模型转轮中，筛选了效率高、空蚀 性 能 好 的 HLJF2803-LJ-135、HLA384-LJ-140、HLA606-LJ-155三种水轮机进行比较，最后选定HLA384-LJ-140型水轮机，推荐水轮机的目标参数为：最优工况单位转速77 r/min左右、额定工况单位流量在1.0 m3/s左右、比转速约在234 m·kW、额定工况的临界空化系数不大于0.1。

设计推荐的HLA384-LJ-140型水轮机作为本阶段的代表机型，选型合理。

1.2 老渡口水电站

老渡口电站位于恩施市清江支流马水河，湖北省水利水电勘测设计院（简称“湖北水勘院”）提出该水电站的设计报告。设计者考虑到电站的水头范围和装机容量，结合当前水轮机市场信息，认为宜选用125 m水头段的水轮机，比转速宜在200(m·kW)，并以HLA384-30、HLN245-37两种机型进行比较，按两个方案的水轮机综合特性曲线分别进行计算，并绘出转轮的运行区域。经比较，最后选定效率最高的HLN245-LJ-290水轮机，并绘出推荐方案的水轮机的运转特性曲线。

根据电能加权平均水头76.3m，水轮机最优工况单位转速73.0 r/min，限制工况单位流量1.1 m3/s，额定工况单位流量取0.95～1.1 m3/s。

设计推荐的HLN245-LJ-290水轮机作为本阶段代表机型，选型合理。

1.3 金龙滩水电站

金龙滩水电站位于酉水上游来凤县境内，该工程的增容可行性研究报告由“湖北水勘院”提出。“报告”中提出的将原装机容量增加到24 MW，增容至27 MW。该电站水头运行范围为5.5～12.0 m,属于低水头径流式水电站，可选用轴流转桨式水轮机，也可选灯泡贯流式水轮机。设计者经比较认为，灯泡贯流式水轮机，流道顺直，流场分布较均匀，因此，水力效率较高；转轮单位转速高，单位过流量大，与同容量的立式轴流机组比较，机组尺寸要小得多（轴流式水轮机转轮直径需4.0 m，灯泡贯流式水轮机转轮直径为3.6 m），机组重量轻；采用灯泡贯流式机组要比轴流式机组少开挖3 m，土建工程量少，投资省。因而选用灯泡贯流式水轮机，并选择GZ995和GZF02作为比较方案，通过两转轮的模型综合特性曲线进行参数换算，绘出真机运转特性曲线，经比较，选定额定点效率高、最高效率区宽的GZ995-WP-360型水轮机，作为推荐方案。

对于最大水头为20 m及以下的径流式水电站，根据国内外的水电工程实践和运行经验，贯流式水轮机已显示出其优良的经济合理性和技术可行性，应优先选用灯泡贯流式。该电站最大水头12.0 m，选定额定点效率ηtr为94.0%、最优效率ηmax为95.5%的GZ995-WP-360型水轮机作为推荐方案，水轮机选型合理。

1.4 玉泉河一级水电站

湖北省神农架林区玉泉河一级水电站工程初步设计报告，由湖北省水利水电科研所金浪勘测设计有限公司（简称“水科所金浪”）提出，设计者经CJ20与CJA-237转轮的比较，推荐CJA237-L-135/4×11.5型号的水轮机。

冲击式水轮机适用水头范围300～1700 m，混流式水轮机适用水头范围为30～700 m（见表2）。在该电站的水头范围，这两种水轮机的使用是重叠的，既可以采用混流式，也可采用冲击式。在最大水头超过400 m这一水头段，虽然国外在采用混流式水轮机方面已具有成熟经验，但国内混流式水轮机的设计制造方面尚属起步阶段，目前尚无混流式水轮机供货，故只能考虑选用冲击式水轮机。

表2 水轮机型式及适用水头范围

我国已研制生产的600 m水头段的冲击式转轮有：CJ20、CJA237等，CJ20是一个老转轮,曾得到广泛利用,但效率较低 (4喷嘴最优效率ηmax=87.6%)；CJA237为哈尔滨大电机研究所研制，模型最优效率达到了较高水平（4喷嘴ηmax=91.05%），与欧洲水平相当，首台机组产品水轮机型号为CJA237-W-140/2×14，额定容量为6.0 MW，1987年投产。国内已建和在建的这一水头段的水电站大都采用CJA237转轮，且近几年来投入运行的电站反映，运行情况良好。

玉泉河一级水电站水头范围为422.4～429.1 m，设计推荐的立轴4喷嘴冲击式水轮机，型号为CJA237-L-135/4×11.5，水轮机选型合理。

湖北省锁金山水电站（最大水头Hmax=610.4 m，装机容量 3×15 MW）其中的 2台机组均为CJA237-L-130/4×16.5型水轮机，由重庆水轮机厂制造,1995投产。

1.5 麒麟观二级水电站

麒麟观二级水电站位于五峰县麒麟观，宜昌市水利水电勘测设计院（简称“宜昌水勘院”）提出该水电站的设计报告，设计者经对三种转轮方案的比较，推荐HLA253-LJ-84型水轮机作为本阶段代表机型，选型合理。

采用穴位埋线针的方法，自制2厘米长的羊肠线数根，采用注射器和镊子等器具。具体操作方法是，取穴位后，病人采取俯卧位，在选用穴位处用龙胆紫进行标记，对于患者皮肤采用常规消毒方法进行常规消毒。进针点用2%利多卡因进行注射麻醉，然后将消毒好的羊肠线放入埋线针针管内，快速垂直刺入患者皮下，将针刺入患者的穴内，待患者出现针感后，医护人员临床上边推针芯边退针管，这样就可以将羊肠线埋入患者皮下组织与肌肉之间，线头不能露出患者皮肤，医护人员可以对针孔消毒后对患者进行外敷创可贴。临床上可以1个月进行治疗1次，根据情况连续治疗3次。

该电站最大水头124.0 m，建议考虑将125 m水头段HLA384转轮参与比选。HLA253为140 m水头段转轮，其最优工况效率仅92.0%，限制工况效率为86.6%；而HL384转轮的这两个参数分别为93.1%和90.4%。

A384转轮已在中小型水电站得到广泛应用，湖北省招徕河水电站（Hmax=109.0 m，3×12 MW），HLA384-LJ-125（真机ηmax=94.2%，加权平均ηw=90.8%），首台机组于2005年6月发电。

1.6 纸坊头水电站

纸坊头水电站位于五峰县天池河（清江支流），该水电站的设计报告，由“宜昌水勘院”提出，设计推荐HLA551-LJ-100型水轮机。该电站最大水头59.7 m，设计推荐HLA551-LJ-100型水轮机，选型合理。

A551转轮系由德国Voith公司引进并由Voith—“哈电”联营承包制造和供货，首先使用于五强溪水电站 （Hmax=60.1 m，5×240 MW，HLA551-LJ-830）。该转轮在一些中小型水电站得到广泛应用，如湖北省的长顺水电站（Hmax=45.11 m，3×10 MW），水轮机型号为HLA551-LJ-220；以及朝阳寺水电站扩机的1×30 MW机组等。

2 对几例推荐方案的分析、建议

对于一些小型水电站来说，水轮机选型设计主要是从“JB/T6310-92”型谱中选用；如选用最新研制的或“引进技术，国产化”的转轮，则要考虑市场供货的可能性，以及产品是否“正宗”的问题。由于设计者对转轮资料掌握不全，致使有几例推荐方案尚值得进一步分析，主要表现在以下4方面：

①水头在200 m左右的水电站，宜将混流式参与比选；②水头低于30 m的水电站，宜选轴流式；③水轮机的推荐方案偏离电站所处的“水头段”；④推荐方案转轮的最大使用水头低于电站最大水头。

以下对几个选型实例，提出分析和建议。

2.1 水头在200 m左右的水电站，宜将混流式参与比选

一些“设计手册”等参考资料上指出：冲击式水轮机的适用水头范围为大于200 m，斜击式水轮机适用水头范围为25～300 m，在产品目录上也可查出相应的设备。鉴于近几年来已有品种足够多的高水头优秀混流式水轮机产品（如230 m水头段的A339、A575c，400 m 水头段的 A351、D54等），因此，在该水头范围的小型水电站，应考虑将混流式水轮机也参与比选，对两者进行技术经济比较后，方能选定出最佳方案。一般说来，最大水头低于300 m的水电站，宜选混流式（见表2）。

实例1：电站水头范围为195.0～221.02 m，装机容量为（5+2）MW，设计者经对 CJA237、CJ22两种转轮的比选，推荐 CJA237-W-150/2×18；CJA237-W-115/2×11.5。该电站最大水头221.02 m，宜将230 m水头段的HLA339、HLA575c等转轮参与比选。另外，装机方案改为2×3.5 MW为好。

2.2 水头低于30 m的水电站，宜选轴流式

实例：电站水头范围为17.49～29.8 m，装机容量为 2×0.4 MW，设计者经过对 HL240、HL260、HLA244、HLD74、HLA551、HLD260a等 6种转轮进行简单的计算、比较，推荐HLD260a-WJ-60型水轮机。该电站最大水头低于30 m，宜将轴流式水轮机参与比选。

根据国内外水电站水轮机选型设计经验，最大水头低于30 m的水电站，在设计中经对混流式、轴流式水轮机进行比选，会得出推荐采用轴流式水轮机的结论，对于卧式机组来说，主要理由是：混流式水轮机最高效率要比轴流式水轮机稍高，但高效率范围比轴流式水轮机狭窄得多；混流式机组转速低，其适用水头稍高，主机设备价格比轴流式机组高，同时起吊设备吨位也要高一档。

2.3 水轮机的推荐方案偏离电站的水头段

水轮机选型设计应首先考虑电站所在水头段的水轮机，再依次向就近的高一水头段去寻求转轮的比较方案。所谓“水头段”，系指某一水轮机转轮的“最大使用水头”，比如，HLA551的最大使用水头为60 m，可称之为“60 m水头段水轮机”。

水轮机转轮在降低水头使用时，会偏离最优工况运行区，其性能指标就会降低。以下几个实例中，水轮机选型的推荐方案就偏离电站的水头段。

实例1：电站水头为99.5～115.0 m，装机容量2×2.0 MW，设计推荐HL110-WJ-84型水轮机。

HL110转轮是列入在我国1974年的“老型谱”中的“老转轮”，该转轮的优点是货源充足，几乎所有中小型水轮机厂均有此产品供货，而在《中小型轴流式混流式水轮机转轮系列型谱》（JB/T6310-92）中，推荐使用水头为180～220.0 m。HL110-46模型转轮最优效率ηmax仅90.4%；另外，HL110转轮使用于150.0 m以下水头时，流量小、效率低，经济效益差，已明显落后。建议将性能较优的125.0 m水头段的HLA153及隔河岩转轮（A384）参与比选。而这两个模型转轮的ηmax则分别为91.5%、93.1%。

实例2：电站水头范围为82.6～101.0 m，装机容量为2×5.0 MW，设计者经对 HLA606、HLA319、HLA678三种转轮方案进行比较，推荐HLA606-WJ-95型水轮机。

所参与比选的三种转轮，均偏离电站水头段，推荐的HLA606系150 m水头段的水轮机转轮。该水电站最大水头为101 m，建议下阶段考虑将110 m水头段的HLD85和120 m水头段的HLA464，或125.0 m水头段的HLA384参与比选。

实例3：电站水头范围为65.09～90.3 m，装机容量为 2×3.2 MW，设计者经对 HLA194、HLD06a、HLA678三种转轮方案进行比较，推荐HLA678-LJ-84型水轮机。

HLA194、HLD06A为 150 m水头段的转轮；HLA678用于中小型水电站为180 m水头段转轮。

按该电站的水头范围，宜从100 m水头段的HLA346或105 m水头段的HLD41等转轮中比选。

实例4：电站水头范围为75.32～78.15 m，装机容量为2×2.5 MW，设计者经对HLA194、HLD41、HLD60A等三种转轮进行比选，推荐HLA194-WJ-84型水轮机。

按该水电站的水头范围，宜从80 m水头段的D74或100 m水头段的A346转轮，以及105 m水头段的HLD41中比选。

实例5：电站水头范围为132.3～137.9m，装机容量为2×8.0 MW，设计者经对HLA550、HLA575C及HLA339三种转轮方案进行比较，推荐HLA575C-LJ-105型水轮机。

参与比选的HLA550为310 m水头段的转轮，HLA575C及HLA339均系230 m水头段的转轮，该电站最大水头为137.9 m，宜从150 m水头段的HLA606、HLD06A等水轮机转轮中比选。

2.4 推荐方案轮转的最大使用水头低于电站最大水头

实例：电站水头范围为106.1～141.1m，装机容量为 2×5.0 MW，设计者经对 HLA319、HLD46、HLA253三种转轮进行比选，推荐HLA253-WJ-71型水轮机。

对于该电站的选型设计，可从以下两个建议中选取其一：

建议一，HLA253转轮（ηmax为 92.%）的最大使用水头为140 m，低于电站最大水头141.1 m，建议转轮叶片采用不锈钢材料。转轮采用全不锈钢制造，使用水头可以提高，应要求厂家仍重视转轮的结构的强度计算工作，合理设计，在制作中采取措施提高上冠、下环和叶片的不锈钢冶炼质量，加强质量监控，确保了不锈钢转轮的质量。

建议二，另行将150 m水头段的HLA606、HLA194（ηmax分别为 93.2%、92.6%、）等转轮参与比选，从中选定最佳方案。

3 致谢

以上评述中，引用了几个设计院所提出的有关水电站的参数，及水轮机选型设计的比较方案、推荐方案（见表1），还简介了“浙江水勘院”、“湖北水勘院”分别对沿渡河梯级水电站、老渡口水电站水轮机选型设计的思路、做法；也引用了其他设计院所提出的水轮机选型设计的实例并提出了分析、建议。对这些被引用资料的所有设计单位，一并表示衷心的感谢！

[1]哈尔滨大电机研究所编.水轮机设计手册[M].北京，机械工业出版社，1976.

[2]闵凤宾.近35年欧洲水斗式水轮机技术的发展[J].国外大电机，1991，（1）.

[3]ю.с.瓦西里耶夫，д.с.夏万列夫主编（吴新润，曲述曾，等，译）.水电站机电设备手册[M].黑龙江科学技术出版社，1991，9.

[4]王春暖.优秀混流式水轮机转轮的应用综述[J].水力发电，2009，（7）.