澜沧江乌弄龙水电站水轮机主要参数选择

2011-04-28马国强刘建华刘国峰

水力发电 2011年4期

马国强，刘建华，刘国峰

（中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，陕西西安 710065）

乌弄龙水电站位于云南省迪庆州维西县巴迪乡境内，为澜沧江上游河段规划7个梯级中的第2级电站，其正常蓄水位1 906.00 m，总库容27 188万m3，为日调节水库。电站水头范围72.3～92 m，额定水头81 m，电站装机3×330 MW，年发电量44.27亿 kW·h。

1 水轮机模型主要参数选择

1.1 比转速ns和比速系数k

比转速ns是表征水轮机技术经济综合特性的一项重要指标，它综合反映了水轮机的能量、空化、水力稳定性等特性，也反映了不同国家、地区、不同年代的水轮机设计和制造水平。提高水轮机的比转速ns可以提高机组转速，从而减少水轮发电机组的尺寸，减小机电设备及土建投资。但是，过度提高比转速会导致水轮机的空蚀、泥沙磨损及压力脉动等性能恶化，最优效率降低，高效率运行工况区变窄，反而达不到提高综合性能的目的。

因此，比转速的选取，不应过于追求高比转速，而应将水轮机的稳定性、可靠性放在首位。

乌弄龙水电站水轮机属大型混流式机组，可采用统计法寻求水轮机比转速ns、比速系数K与额定水头Hr之间的函数关系。

首先可以采用经验或统计公式来表征ns与 Hr间的关系，见表1。

可见，利用以上各式计算得到的ns值落在一个较大的范围内，说明各国、各公司对水轮机参数的选择不近相同，但大多处于220～255（m·kW制）区间内。上述推荐式计算的ns的平均值为240.7（m·kW制），相应的比速系数k为2 166。

图1中的曲线ns=2 357/Hr0.538是在统计了国内外大量已建大型水电站的基础上做出的统计回归曲线，具有一定的普遍性和参考价值。另外一条ns=47 406/（Hr+108.5）曲线是在考虑了水轮机比转速的发展趋势做出的，位于统计电站的外包络线位置。所统计的这几座大型水电站，由于年代较近，应该说，在相当程度上反映了水轮机比转速的当前水平。

表1 比转速与比速系数统计计算结果

图1 大中型混流式水轮机水头与比转速关系统计曲线

根据本电站水头参数，由图1得到水轮机比转速：Hr=81 m时，ns=221.6～250.2 （m·kW制），相应的比转速系数k=1 994～2 252。

同时也统计了单机容量为300 MW以上已建和在建电站部分水轮机参数（此处略）。其大多数比速系数K值在2 200左右，对应的本电站额定水头时的比转速为244（m·kW制）左右，与表1统计公式及图1统计曲线计算值基本相近。

由于乌弄龙水电站多年平均入库含沙量较小，因此，比转速选择时可不考虑泥沙磨损对水轮机的影响。另外，该电站水头变幅（Hmax/Hmin=1.22）不大，机组运行条件较好，比转速可以适当提高。当然，应优先保证水轮发电机组能够安全稳定的运行。

综合以上统计及分析，本电站比转速选择范围宜取240（m·kW制）左右，相应的比速系数K为2160左右。

1.2 单位转速和单位流量

比转速的高低是由单位转速、单位流量和效率3个参数决定的。即，比转速随着单位转速、单位流量和效率的增加而增加。其中，由于效率值变化不大，对转速的影响较小，因此比转速的高低主要受单位转速和单位流量的影响，特别以单位转速对比转速的影响最大。

近年来各制造厂对这几个参数间的关系也都进行了一定的探索。

当取ns=240（m·kW制）时，n11=77.8 r/min；若取 ηt=92.5%，则 Q11=1.05 m3/s。

东方电机厂推荐公式：n11=50+0.11 ns，Q11=0.1 134（ns/n110）2

当 ns=240（m·kW 制）时， n11=76.4 r/min， Q11=1.12 m3/s。

国内外与乌弄龙水电站相近水头段水电站额定点单位转速与单位流量统计结果，其额定点单位转速与单位流量均处于一个较大的范围内Q11为0.85～1.2 m3/s， n11为 72.9～84.9 r/min。 Q11平均值为 1.07 m3/s， n11平均值为79.1 r/min，与以上厂家推荐公式计算值相近。

根据以上计算分析及电站统计结果，像乌弄龙这样的大型水电站，单位转速宜选在75～79 r/min之间；单位流量宜选在1.05～1.12 m m3/s之间。

1.3 空化系数

据本电站水轮机比转速为240（m·kW制），按有关经验公式统计计算空化系数，计算结果见表2。

表2 水轮机空化系数

考虑到乌弄龙水电站多年入库平均含沙量0.82 kg/m3，悬移质中值粒径为0.015 mm，电站的泥沙问题不突出，预计上游电站蓄水后，过机水流含泥沙状况会进一步改善。但从有利于机组运行稳定性的角度出发，装置空化系数的选取也不宜太小，并考虑到电站对 “无空化运行”趋势的要求,一方面需采用先进的CFD对转轮叶片的通道进行充分的优化处理，使压力分布和速度分布更合理，减小空化；另一方面，由于乌弄龙水电站采用的是地下厂房，因此降低机组安装高程对地下厂房土建工程量影响相对较小，如果岩石地质条件允许，应考虑尽量满足水轮机的吸出高度。

参考以上统计分析结果，要求乌弄龙水电站水轮机装置空化系数σp不大于0.19，相应的转轮模型临界空化系数不大于0.118，空化安全系数值取1.6。

2 水轮机真机主要参数选择

2.1 额定转速

根据以上目标参数选择，初步计算本电站转轮直径D1=6.8 m。因此，根据计算可供选择的额定转速nr有93.75、100 r/min及107.1 r/min。各额定转速方案比选结果可以看出：随着转速的提高，发电机尺寸和质量可以明显减小，具有很好的经济性。而107.1 r/min方案的转速较高，使得比转速（256）、比速系数（2 304）、单位转速（80.92）等均超过乌弄龙水电站参数选择目标值的上限，100 r/min方案的比转速（239）、单位转速（75.56）均与乌弄龙水电站目标参数值接近，且运行区域合适，故从有利于保证机组的稳定性考虑，乌弄龙水电站选择机组额定转速为100 r/min。相应发电机磁极数2p=60，发电机按对称绕组常规电磁设计，并联支路数可选2、4、5、6…。经过对不同额定电压并联支路数、槽电流等比较后，本阶段发电机额定电压选用18 kV，并联支路数取为4，槽电流为5 880 A。

2.2 安装高程

混流式水轮机远离设计工况运行时，会产生脱流和涡带，引发机组甚至相邻水工建筑物的振动，并可能产生疲劳破坏，如叶片裂纹、尾水管壁断裂等。这些都引起了设计和制造行业的普遍关注。所以在大型混流机组设计选型时，应该把水轮机的稳定性与其能量指标、空蚀性能一并作为选择水轮机选择的三大要素来综合考虑。

机组安装高程的确定受到水轮机空蚀、尾水管空腔涡带、大轴自然补气、水轮机效率等诸多因素互相关联和制约。国内一般认为：混流式水轮机采用较大的吸出高度，可以降低空化并减少水轮机的压力脉动值，对提高水轮机安全稳定运行有益。表3为乌弄龙水电站下游尾水位与流量关系。

表3 尾水位-流量关系

由于下游里底水电站建设要先于乌弄龙电站，且存在下游里底水电站死水位时乌弄龙水电站发电的情形，根据《水力发电厂机电设计规范》有关安装高程的设计原则，故乌弄龙水电站设计尾水位按1台机运行、下游里底水电站死水位回水时的下游水位（1 815.40 m）来确定水轮机的安装高程。

根据转轮模型目标参数推荐的结果，乌弄龙水电站装置空化系数σp应不大于0.19，模型临界空化系数要求不大于0.118，空化安全系数值取1.6。同时，也要考虑水轮机吸出高度对机组补气的影响，乌弄龙水电站水轮机安装高程最终确定为1 807.5 m，相应的吸出高度为-7.9 m，反算电站空化安全系数Kσ约为1.63，有足够的安全余量。