双江口水电站水轮机主要参数的选择

张 帅

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

双江口水电站位于四川省阿坝州藏族羌族自治州马尔康县与金川县交界处的大渡河上游干流，为大渡河干流河段自上而下梯级开发规划的第五个电站。双江口水库具有年调节能力，为大渡河干流河段梯级开发的上游控制性水库。

电站引水发电系统布置于左岸，采用首部式地下厂房，厂房内安装4台额定功率500MW的水轮发电机组。电站建成后供电范围为四川电网，并参与华中电网的西电东送，在系统中担负峰腰荷。

2 电站基本参数

2.1 水库特征参数

正常蓄水位 2 500m

死水位 2 420m

汛期限制水位(6、7月) 2 485m

正常蓄水位以下库容 27.32亿m3

汛期限制水位以下库容 22.21亿m3

调节库容 19.17亿m3

防洪发电共用库容 5.11亿m3

调节性能 年调节

死库容 8.15亿m3

水库运行方式：电站从6月初开始蓄水，10月底前蓄至正常蓄水位，其中6、7两月的水位不得高于汛期限制水位(2 485m)。从12月开始，水库按各月等出力方式发电供水，至4月底水位降至死水位。5月、11月为平水期，水库按上游来流量发电。

2.2 水 头

最大水头 251.4m

加权平均水头 222.7m

汛期加权平均水头 231.0m

额定水头 215.0m

最小水头 161.6m

电站平均水头随时间变化过程线见图1。

图1 双江口水电站平均水头随时间变化过程线

2.3 动能参数

装机容量 2 000MW

年利用小时数 4 000h

年发电量 80.0亿kW·h

保证出力 480MW

不同水头段发电量占年电量的比值见图2。

图2 不同水头段发电量占年电量的比值

2.4 泥沙资料

(1)坝址处天然河流泥沙：

年平均含沙量 0.272kg/m3

汛期(6～9月)平均含沙量 0.398kg/m3

(2)水库投运20年后，电站引水含沙量：

年平均含沙量

0.035kg/m3

汛期过机泥沙含量

0.067kg/m3

过机泥沙中莫氏硬度≥5的硬矿物 含量

36%

粒径>0.01mm，莫氏硬度≥5的 硬矿物含量占总沙重

3.86%

中数粒径

0.003 5mm

3 水轮机运行特点及参数选择原则

双江口水电站水轮机具有单机功率大、运行水头高、水头变幅大、投产初期的水轮机将长时间在低水头段运行的特点，对水轮机主要参数进行选择时，宜考虑以下具体要求：

(1)水轮机水力稳定性应放在首位。电站装机总功率和机组单机功率大，水头高，水轮机在高水头运行时间长，此时转轮流道承受的单位负荷大，刚度、强度问题较突出，高水头时的导叶开度又较小，容易发生叶道涡等水力不稳定性现象，因此在参数选择和结构设计中应将水轮机的稳定性放在首位进行研究，同时兼顾其他能量指标的先进性和合理性。

(2)水轮机应有较宽的负荷稳定范围。水轮机运行水头高，水头变幅大(ΔH=89.8m，Hmax/Hmin=1.56)，同时为满足机组调峰的需要，要求水轮机应具有宽幅度的水头适应性，在各种负荷工况下都具有良好的稳定性。

(3)水轮机应具有良好的能量指标。双江口电站水头变幅大(Hmax/Hmin=1.56)，且大部分时间运行在高水头区，常规的在小范围内突出优化高效率点的水力设计已不可取，需要先使稳定运行区尽量宽广，再希望有较高的加权平均效率，为此宜以高水头运行区的效率为重点，以取得较好的电量效益。

4 水轮机主要参数

4.1 比转速、比速系数及同步转速

水轮机比转速ns和比速系数K是衡量水轮机能量特性、经济性和先进性的综合性指标，随着水轮机设计制造水平的提高，以及新材料、新工艺的应用，水轮机比转速和比速系数应有所提高。一般而言，大容量机组为缩小机组及厂房尺寸，节省投资，提高电站的经济效益，在可能的条件下倾向于选择较高的比转速和比速系数。但是比转速的提高受到水轮机强度、空化性能、泥沙磨损、运行稳定性等因素的制约，特别是尺寸较大的大型机组，其刚度、强度相对较弱，不能单方面追求过高的指标。近几年水轮机比转速和比速系数有从较高水平向合理水平回归的趋势。

表1为国内外部分大容量、中高水头混流式水轮机参数，表2为按统计公式计算的比转速和比速系数对照表。

从表1可以看出，水头与双江口电站接近的大容量水轮机的ns为148～159m·kW，比速系数K值为2 023～2 250。表2计算结果显示大部分比速系数K在2 000～2 250之内。同比相同水头段的小湾电站水轮机比转速取值，初定双江口电站水轮机的比速系数K值不超过2 250。结合双江口电站工程实际情况，考虑现今水轮机设计、科研、试验、制造技术的发展趋势和水轮发电机组的运行经验，双江口水轮机比速系数K值在2 050～2 250之间选取，相应额定点比转速ns为139.7～153.4 m·kW。

表1 国内外部分大容量、中高水头混流式水轮机参数

表2 按统计公式计算的比转速和比速系数对照

在初步选取的K值范围内，当额定水头为215m时，可供选用的发电机同步转速有176.4r/min和166.7r/min。两种同步转速的机组主要参数比较见表3。

表3 两种同步转速机组主要参数比较

两种同步转速选择的比较分析如下：

(1)水轮机参数方面：176.4r/min和166.7r/min方案的比速系数K值分别为2 243.4和2 120.3，都低于目标值2 250和同水头段的小湾水轮机的比速系数，两种转速方案在技术上均可行。

(2)大件运输方面：水轮机转轮是双江口电站机组重大件设备运输的控制部件，两方案的转轮直径相当，均不能整体运到工地。

(3)发电机方面：额定转速的选择受发电机参数匹配、冷却方式选择等因素的影响。方案二(166.7r/min)6支路的定子槽电流为5 940A(18kV)或5 436A(20kV)，均是采用空冷的较佳方案。方案一(176.4r/min)2支路的定子槽电流为17 820A(18kV)或16 038A(20kV)，冷却通风设计难度大。而17支路方案的定子槽电流太低，使得发电机材料的利用率低，经济性差。如果发电机采用不对称绕组，会产生一定的不对称电流和不对称电磁力，对机组的运行有一定影响。目前世界上采用不对称绕组设计的发电机最大容量为465MVA(Sainte Marguerite3，Canada，2001年投运)，世界上有设计制造不对称绕组发电机经验的制造厂及相关经验的很少，若双江口电站的发电机采用不对称绕组，则设计制造如此大的具有不对称绕组的发电机技术风险高，因此不宜采用不对称绕组方案。

综上所述，从水轮机参数选择、大件运输方式分析，两种额定转速方案无实质性差别，均可用于双江口的水轮机。结合到发电机参数和设计制造的可靠性，166.7r/min方案更合理可行。因此双江口电站机组同步转速选择为166.7r/min，对应的比转速ns=144.6 m·kW，比速系数K=2 120.3。

4.2 单位转速和单位流量

4.3 水轮机效率

水轮机效率是表征水轮机技术水平的重要指标，也是能量参数的重要指标，随着计算机技术在水轮机设计上的应用，水轮机水力设计取得了重大进展，水轮机效率有了很大提高。我国近年引进的二滩、天生桥Ⅰ和三峡左岸水轮机，其模型验收最高效率均超过94%。近期，为溪洛渡电站开发的模型转轮最高效率更是达到了95%以上。

当今，我国水轮机研究水平也有了很大发展，设计手段有所提高，特别是通过三峡左岸工程从国外引进CFD分析软件，可高效、快捷地设计、开发出综合性能优良的转轮。国内公司近期已独立开发出一大批模型最优效率超过94%、且综合性能优良的模型转轮。其中东方电机公司近期为瀑布沟、锦屏一级开发的水轮机模型转轮，其最高效率已超过94.5%，原型水轮机最高效率超过96%。制造厂预期的双江口电站原型水轮机最高效率均大于95%。

对于双江口电站这样的巨型水轮机，提高水轮机效率，可提高发电效益，对电站有很大的经济意义，因此其水轮机效率至少应达到当今世界已有的水平。但据已建电站的工程实践经验，过高效率的转轮在偏离最优工况时，其水力稳定性往往较差。现阶段虽未发现这与过分追求效率有关，但需进一步开展研究工作，对于双江口水电站的机组，安全稳定运行应放在首位。在安全稳定运行的前提下，优先考虑水轮机整个运行范围的合理性，并尽最大可能提高水轮机的加权平均效率。

根据以上分析，双江口模型水轮机最高效率应不低于94%，原型水轮机最高效率应不低于95%。如前所述，为了使水轮机高水头有相对大的单位流量和较宽的稳定运行区，额定工况单位流量应尽量靠近限制工况单位流量，本阶段暂取原型水轮机额定点效率应不低于92.5%。同时要求高效区应覆盖水轮机整个运行水头区域，并趋于高水头段。

表4 250m水头段附近模型水轮机参数

注：*表示水轮机最大水头；**表示额定工况单位流量。

表5 双江口 和的统计公式及计算值(Hr=215m，ns=144.6m·kW)

4.4 装置空化系数

水轮机空蚀性直接影响机组安全稳定运行、检修周期和使用寿命，因此水轮机应具有良好的空蚀性能，应合理选取水轮机装置空化系数。原型水轮机的空蚀破坏还与制造和安装质量、运行工况、水头变幅等因素有关。较为完整的做法是模型试验时既要研究水轮机叶片出现初生气泡时的空化系数，又要按外特性法研究效率下降点的空化系数，综合两方面的关系，并留有一定裕量来确定装置空化系数。

对水轮机装置空化系数σz的选择，国内外一直有两种观点：一种认为选取较大值，即降低安装高程，虽增加了电站深挖的土建投资，但可减轻空蚀损坏，对机组运行稳定性有利，降低机组检修和维护费用；另一种认为选取较小值，可减少电站一次性深挖所需投资，而且由于大多数运行时间内尾水位高于设计值，且又选用较好的抗磨蚀材料，转轮的工作是安全的，机组检修和维护费用也不会有较大的增加。基于上述两种观点，国内、外各公司提出的装置空化系数统计公式有很大差异(见表6)。表6为按统计公式计算的空化系数值和制造厂为双江口水轮机推荐的空化系数。从表6可看出，当比转速ns=144.6m·kW时，按该表计算的装置空化系数σz=0.072～0.09，多数在0.08～0.09。制造厂为双江口水轮机推荐的空化系数σz=0.069～0.097。

注：A、B、C、D分别代表国内、外4家知名水轮发电机组制造商。

考虑到本电站主厂房为地下厂房，机组安装高程对厂房投资影响不大，适当降低安装高程对减小尾水管压力脉动、提高机组运行稳定性有利。综合考虑水轮机装置空化系数σz对尾水管压力脉动相对幅值ΔH/H的影响以及本电站水头变幅较大等因素，可适当降低机组安装高程。本阶段选择双江口电站装置空化系数值σz=0.08～0.097。

4.5 水力稳定性

随着水轮机参数的提高和单机容量的加大，水力稳定性已与能量指标、空化特性一起被作为水轮机的三大性能指标统一加以考虑，特别是巨型水轮发电机组，其运行稳定性应放在十分重要，甚至是首要的位置(如三峡电站机组)。基于双江口水轮机的运行特点，其运行稳定性必须予以高度重视，应进行深入研究。

一般认为，诱发水轮机振动的水力振源主要有：尾水管涡带、无叶区的特殊压力脉动带、叶道涡、卡门涡等，其中又以尾水管压力脉动引起的低频压力脉动的必然性和危害性最大，也最难以解决。其它几个因素产生的振动一般出现在某种特殊情况，区域较窄，一旦查明原因解决较为容易，效果较明显，通常不会造成对稳定性的严重破坏。

4.5.1 尾水管压力脉动

水轮机尾水管压力脉动是诱发水轮机振动的主要振源，其大小直接影响机组的安全稳定运行。水轮机水力稳定性指标，目前尚没有统一的标准可循，通常采用尾水管内水压脉动的双振幅与水头的比值(A=ΔH/H)来衡量，但A值在模型和原型之间的相似性和换算关系还处于研究阶段。尾水管压力脉值的大小与过流部件的水力设计、机组安装高程、水轮机运行工况等多种因素有关。从目前已掌握的电站实际运行资料看，不同电站的水轮机对尾水管压力脉动的敏感程度不同，多大的压力脉动值才会对机组的运行构成威胁，目前也还没有一致的结论。但是有一点是被认同的，即尾水管压力脉动的大小与机组的安全稳定运行直接相关，相同运行工况下，压力脉动越大，机组的稳定性越差。只有严格控制模型试验中尾水管压力脉动值，才能保证原型水轮机的稳定运行。对高水头水轮机，一般选用较小的压力脉动相对值；低水头水轮机，选用较大的压力脉动相对值；对于即混流式水轮机使用水头越高，尾水管压力脉动相对值A应越小。

通过对国内外部分大型水轮机的水压脉动、水力振动和模型水轮机稳定性试验成果的分析，目前，国内外大型水电机组压力脉动值(ΔH/H)大约在2%～8%。

4.5.2 叶道涡

混流式水轮机由于转轮叶片不可调节，在高水头偏离设计水头的部分负荷工况区运行时，由于导叶开度较小，水流偏离设计工况，在叶片进口边背面产生脱流，形成叶道涡并引起水力脉动。随着研究和认识的深入，近年来已越来越受到重视，如三峡水轮机模型验收试验要求整个运行区无初生叶道涡。因此应合理的选择参数，加大水力设计、模型试验力度，力求在整个运行范围内，不出现叶道涡发展线。

4.5.3 卡门涡

叶道中水流对叶片的绕流运动参数配之以叶片尾部几何尺寸不合适时，可能形成叶片尾部紊流交替的涡列，即形成卡门涡。在产生卡门涡列时，若振动频率与叶片体系自振频率相近，则可能发生共振，将激起较大振幅的振动或产生叶片的破坏。卡门涡一般发生在水轮机固定导叶、导叶和转轮叶片的出水边上，且叶片出水边较厚时易发生卡门涡。主机厂应研究水轮机转轮叶片、导叶出水边的有关几何参数，分析计算卡门涡的频率，以避免与水轮机零部件固有频率发生共振。

4.5.4 导叶后转轮前的高频压力脉动

除低频压力脉动外，在导叶后转轮前还可能出现一种高频压力脉动(水力冲击波)，该脉动一般出现在开度增加到70%～75%区域内，振幅呈阶跃性的急剧增大，频率与转频相当，危害性较大。在大古力Ⅲ水轮机运行和三峡左岸两个供货集团的水轮机模型验收试验中均在较大开度时出现了有较大范围的f/fn>1，ΔH/H>4.0%的特殊压力脉动带；巴基斯坦的塔贝拉410MW水轮机和国内岩滩水轮机也都出现了相类似振动问题。

有文献认为，这种高频(近似于转频)的水力冲击波出现在比转速大于180～200m·kW的水轮机中。该文献是通过对不同比转速的转轮进行模型试验后得出上述结论的，并通过进一步研究认为增加尾水管高度、降低安装高程和补气都可以降低此水力冲击波，而且补气是一种最有效的措施，当补入0.4%Qr的压缩空气时可基本消除此脉动。

根据制造厂对小湾、锦屏一级、溪洛渡等与双江口近似水头和比转速的模型水轮机的研究以及模型试验和有关文献资料，像双江口这样比转速和参数的水轮机出现此水力冲击波的可能性较小，但仍然需对该区域的压力脉动特性加以关注。

参照国内外水轮机的运行情况，并考虑双江口水轮机的具体运行条件，初拟双江口水轮机原型和模型的稳定性指标为：

(1)原型和模型水轮机尾水管压力脉动混频双振幅值ΔH/H控制值如下：

① 水头小于额定水头215m，出力为(70%～100%)该水头下的预想出力，ΔH/H不大于4%；

②水头从215m至最大水头范围内，出力为(70%～100%)该水头下的预想出力，ΔH/H不大于3%；

③在各种水头下的其他运行工况，其ΔH/H最大值不宜超过6%。

(2)确保在保证的出力范围内，不出现叶道涡发展线。

(3)在保证的出力范围内，顶盖不出f/fn>1、ΔH/H>4.0%的特殊压力脉动带。

(4)在任何工况下不允许压力脉动与转动部件及厂房结构的频率发生共振。

5 水轮机参数

5.1 模型水轮机主要参数

结合双江口电站的特点，并考虑到当今水轮机设计、制造水平和今后发展趋势，预期的模型水轮机基本参数如下：

(1) 综合指标

额定点比转速

139.7～153.4m·kW

比速系数K

2 050～2 250

(2) 最优工况

62～65r/min

最优单位流量

模型最高效率ηmax

≥94%

(3) 额定工况

～0.53m3/s

模型额定效率η

91%

模型空化系数σm

～0.06

装置空化系数σz

0.08～0.097

5.2 原型水轮机主要参数

根据模型参数的选择成果，并分析水轮机制造商为本电站提供的有关资料后，在可研阶段推荐的原型水轮机主要参数如下：

水轮机型号

HL(144.6)-LJ-585

额定出力Pr

510MW

额定水头Hr

215 m

转轮直径D1

5.85m

额定流量Qr

261.9m3/s

额定效率ηr

≥92.5%

最高效率ηmax

≥95.0%

额定点比转速

144.6m·kW

比速系数K

2 120.3

额定转速n

166.7r/min

飞逸转速nR

325r/min

吸出高度Hs(至导叶中心)

-12.93m

装置空化系数σz

0.095