水电站水轮机的设计选型

许 丽

(成都市水利电力勘测设计院，成都，610031)



电工技术

水电站水轮机的设计选型

许 丽

(成都市水利电力勘测设计院，成都，610031)

水电站的安全运行与水轮机选择、机组的运行区域有着极为重大的关系，极端恶劣的不稳定工况的发生将对电站的安全造成威胁。本文以两个电站实际选型设计为例，说明在设计时要注意的问题。

水轮机 选型 运行 稳定

水轮机的安全运行与水轮机选择、机组的运行区域有着极为重大的关系。我国水轮机基本技术条件GB/T15468-2006中“5.4水轮机的稳定运行范围”规定：①在空载情况下应能稳定地运行；②在最大和最小水头范围内，水轮机应在表1所列功率范围内稳定运行。

表1 水轮机保证功率范围

水轮机在设计选型和运行时,应考虑避开各类压力脉动、振动、摆度、噪音区域，使之能够在较优范围内稳定运行。本文介绍如下。

1 水轮机的设计选型

1.1 水轮机选型的方法

要确保水轮发电机运行稳定，首先要在水轮机选择上引起重视。建设电站项目有以下方式选择水轮机：(1)查选已有的水轮机转轮综合特性表及转轮综合特性曲线。这种方式多用于中小型机组的电站(本文按此作论述)；(2)部分的模型试验。为适应在建电站情况，与设备制造厂家联合，在已有转轮上进行改型并在模型试验台上试验(中型机组的电站较多采用)；(3)全模拟模型试验。完全按电站参数设计新转轮，并在模型试验台上进行试验(大型机组的电站多采用)。

从已有的转轮综合特性表及曲线中选择机组，应遵循以下原则：

(1)必须充分考虑电站特点、水文和水能条件、电力系统的技术条件等因素；

(2)有利于降低电站的投资额和运行费用，有利于缩短工期和提前发电；

(3)应使水电站的总效率尽可能高，并尽可能多地利用水能发电；

(4)应有利于水电站的运行管理和检修维护，使其运行安全可靠、设备经久耐用；

(5)应优先选用生产和经过运行检验的机组，在技术上和性能上较有把握，对存在的问题可以重点改进。

1.2 水轮机选型的内容

水轮机选型的内容包括：确定机组台数和单机容量；选择水轮机型式；选择水轮机转轮的标称直径D1和额定转速nr；对反击式水轮机要确定吸出高度Hs，对冲击式水轮机还要确定喷嘴数目Z0及射流直径d0。

水电站机组台数选择，与水轮机类型、电站的水文水能情况有密切的关系。冲击式水轮机效率变化较为平缓，有条件时可允许采用一台机组。定桨式水轮机的高效率运行区很窄，若采用一台机组，当电站流量不足而在低负荷运行时，水轮机的效率急剧下降，造成出力不足且运行不稳定。所以，当电站流量变化较大时，定浆式水轮机应考虑采用二台或二台以上机组。

水轮机型式的选择，是在已知单机容量和各种特征水头Hmax、Hmin、Hav、Hr的情况下进行的。每种型式的水轮机都有其适用的水头范围，水头的上限受水轮机结构强度和汽蚀条件限制，原则上不允许超过；水头下限主要受经济因素确定。当电站水头处于两种型式水轮机的交界区时，就应结合电站具体条件进行比较来确定。

2 水轮机选型实例

2.1 海涯寨电站水轮机选型

海涯寨水电站是利用墨鱼尖水电站工程尾水以及引水渠末端与赤水河的落差而设计的引水式电站，主要建筑物包括海水沟取水工程、引水渠、汇水渠、引水埋管、观音山引水隧洞、前池、压力管道、主副厂房及升压站等。电站最大水头355m，最小水头330m，加权平均水头349m，额定水头340m。电站所在河道的多年平均流量4.92m3/s，汛期(5～10月)平均流量6.79m3/s，枯期(11～3月)平均流量2.18m3/s。经相关专业进行的计算分析和技术经济比较、论证，确定该电站装机2台，总容量为24.8MW，长期最大出力32MW，电站设计引用流量为9.5m3/s，最大出力时引用流量为10.8m3/s。

2.1.1 混流式与冲击式比较

根据国内现有水轮机选型资料，适合本电站水头范围的混流式水轮机和水斗式水轮机转轮型号，主要有HL1050、HLX85、HLC452、HLD381B和CJA475。其中HL1050、HLX85和HLD381B转轮，均是由原克瓦纳“E”转轮改型而成，因此下面仅就HLC452、HL1050和CJA475三转轮进行计算、分析、比较。其模型转轮参数见表1，对应转轮真机工作参数见表2。

表1 模型转轮主要参数

表2 为对应转轮真机工作参数

从表1、2列的方案看，由于电站所处水头、流量以及装机容量较为特殊，各方案都不十分理想，其优缺点分述于下：

(1)混流式方案其设计点的额定效率较水斗式方案高，但从整个实际运行范围的平均效率看，混流式方案和水斗式方案的能量指标几乎相当。由于该电站是年调节电站，水斗式机组更适应枯期发电的能力在此不明显；

(2)混流式方案机组的安装高程要受汽蚀性能影响，厂房基础开挖较深，土建工程开挖量相对较大；

(3)水斗式方案机组的安装高程虽不受汽蚀性能影响，但是该电站受尾水位限制，水斗式机组设计水头有所减小，从而影响电站总的效益；

(4)混流式方案转速高、体积小、重量轻、投资较省；

(5)水斗式方案采用四喷嘴或六喷嘴，转轮直径较大，转速低，设备吨位重，厂房尺寸大，设备总投资较混流式的方案高。并且在相对狭小的空间内，要布置四喷嘴或六喷嘴，制造难度较大。

相比较而言，混流式方案较优。

2.1.2 混流式比较

混流式高水头段转轮单位转速相差不大，相差较大的是单位流量。

(1)HL1050方案的转轮直径较大，机组价格高，约44万元。但HL1050方案的额定点效率较高，处于特性曲线的最优效率区域内。根据电站水文和系统今后运行情况，电站运行区域基本可以在一个相对较优的范围内，满足水轮机稳定运行范围要求；

(2)C452转轮由于单位流量较大转轮直径较小，转速高，使单位转速偏小，其额定点运行效率偏在最优工况区域下方，故而机组在其它工况运行时均偏离最优效率区域。

综上所述，该电站装设单机容量为14MW的混流式HL1050水轮发电机组为宜。其运行范围见图1运转特性曲线。

图1 HL1050-LJ-148运转特性曲线

2.2 甲米一级电站水轮机选型

甲米一级水电站位于四川省凉山州盐源县，为盐塘河干流甲米河段梯级开发中的第一级，由首部枢纽、引水系统和厂区枢纽等建筑物组成。电站为引水式，发电的同时兼顾下游生态环境用水要求。

电站水头变幅88m～104m，额定水头90.0m。根据动能经济计算分析并结合有关选型资料，确定电站装机3台，单机容量为12MW，总装机容量36MW。据国内现有水轮机转轮选型资料，适合本电站水头范围可供选择的水轮机机型只有混流式。

虽然待选转轮较多，经初步筛选后相对优秀的转轮主要有HLA630、HLD271、HLA743、HLA885等几种，主要参数见表3。

为便于比较，表4列出了表3中各对应转轮的真机工作参数。

表3 模型转轮主要参数

表4中所列各转轮的能量指标都不错，但空蚀性能却相差较大。现将其优缺点分述于下：

(1)HLA630是哈尔滨大电机研究所研制的系列优秀转轮，其优点是效率高(94.7%)，单位转速(72r/min)适中，限制工况单位流量较大(0.95m3/s)，机组超发能力强，限制工况空蚀系数小(0.07)，工况点好，高效率区域宽，运用广泛，经验丰富，是一个比较合适该电站的优秀转轮。但是，电站要求超发出力到15MW，该转轮达不到要求；

(2)HLD271是东方电机厂研制的优秀转轮，单位转速(69r/min)适中、限制单位流量(1.1m3/s)大，运行工况效率高为93.5%，并且空蚀系数较小，工况点好，高效率区域宽，运用广泛，经验丰富，可作为本电站机组待选的一个优秀转轮；

(3)HLA743是哈尔滨大电机研究所研制的系列转轮之一，优点是适用水头最接近本电站实际情况，运用较为广泛，运行经验相对丰富，但在本电站额定工况点效率不高(91.5%)，且设计点偏离最优工况点较远；加之该转轮空蚀系数点离散，不规则，本电站额定工况时导叶开度为21°、单位转速为68.5r/min，此时对应的空蚀系数为0.1，Hs的计算结果为-4.5m。可见土建投资大，不划算，故不推荐；

(4)HLA885也是哈尔滨大电机研究所研制的系列优秀转轮，其特点是效率高(95.18%)，单位转速(68r/min)较小，限制工况单位流量较小(0.77m3/s)，机组超发刚到15MW，限制工况空蚀系数较大(0.103)。由于该转轮在设计工况点单位转速较小，使水轮机过机流速相对较低，本电站过机泥沙0.85kg/m3，较低转速对机组长期运行有宜。从运行区域来看，该转轮的高效率区域宽，运用广泛，经验丰富，是一个较为合适该电站的优秀转轮。

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。为缩小机组及厂房尺寸，节省投资，提高电站经济效益，在可能的条件下，尽可能选择较高的比转速ns和比速系数K。比转速ns的提高受水轮机的强度、空化性能、泥沙磨损、运行稳定性等因素的制约；比速系数K要考虑获得较高的经济效益，同时还要在水力设计中综合考虑水轮机的能量指标、运行效果、经济指标及抗磨蚀性能等。

国内电站水轮机的比转速ns从上世纪90年代起，自从引进国外技术后有很大提高。由表5可知，本电站水头段的ns平均值在188mkW左右，而比速系数K的平均值在1821附近。

表5 国内部分中水头段混流式水轮机参数

鉴于本电站机组单机容量较小，制造商不会为此机组作专门的试验研究，因此比速系数K的选择不宜过高。按所选HLA885计算，甲米一级电站水轮机选用的额定转速为428.6r/min，对应的比转速ns为172m·kW，比速系数K为1632。根据以上分析，该比转速ns和比速系数K选择基本合理。

综上所述，由于HLA885具有适合本电站运行参数的条件和较优且相对稳定的运行区域，因此电站选择HLA885-LJ-155型水轮机。

HLA855机组运行范围和工作特性曲线见图2所示。

图2 A855-37.4模型特性曲线

3 电厂运行

水轮机的模型与真机做不到稳定性的完全相似，同一电站不同机组的布置也有差别，各机组在稳定性方面的表现必然有所不同。电站机组投入运行后能有一些动应力测试、水压力脉动测试、噪音测试等，可以分析电站运行参数与机组情况，为电站划分运行区、扩大稳定运行范围提供依据。

表6、表7数据是甲米一级电站运行后机组在各种工况下所测振摆值，均在规范所要求的范围之内。

表6 甲米一级电站1#机组带负荷试验结果 单位：μm

表7 甲米一级电站3#机组带负荷试验结果 单位：μm

近几年对于新设计的电站均有对运行区域的要求，要求电站业主按照水轮机运行稳定范围运行，并设置振摆监测装置监控机组的稳定运行情况，时刻注意电站的安全，避免事故发生。

4 机组设计和运行的注意事项

(1)应优化转轮的水力设计，避“强振”运行，减小“不推荐运行区”的运行时间；

(2)重视水电站机电设备的检修与维护，老化设备要及时更换。当机组出现异常情况时(例如摆度、振动、噪声、温度等)，必需停机查明原因，及时消除故障隐患；

(3)对目前电站使用的各类控制软件进行复核，及时更新，提高电站的自动化系统、监控系统、保护系统、通信系统的水平，确保机组安全、可靠运行，确保控制指令的准确性和可靠性，并加强电站控制软件的管理；

(4)设置机组主阀断电时的安全关闭措施。在坝顶建立自动投运的备用电源，供电站坝段和溢流坝段闸门的运行机械以及其他用于保证水工建筑物安全的机械用电。在中控室设置投放压力钢管事故-检修闸门的备用电源和控制键。设备及其电源线路的运用、连接、管理、操控和保护必须防尘、防水。电站设计应考虑工作人员必要的逃生防护设施和紧急疏散出口；

(5)加强运行人员培训，严格运行管理，避免人为因素导致事故发生。

许 丽(1963.12-)，女，大学本科，高级工程师，成都市水利电力勘测设计院水机金结室主任，一直从事水电站和泵站的水力机械设计工作。

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TK730.7

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2095-1809(2015)01-0053-05