波波娜水电站水轮机主要目标参数选择

2016-05-30刘峰，安刚

水电站机电技术 2016年4期

关键词：水轮机

刘　峰，安　刚

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）

波波娜水电站水轮机主要目标参数选择

刘峰，安刚

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）

摘要：根据波波娜水电站的工程特点，结合国内部分相同水头段水轮机参数的统计和分析，提出适合本电站运行条件的预期模型水轮机和原型水轮机的主要技术参数，为电站长期稳定运行奠定了良好的基础。

关键词：水轮机；目标参数选择；水力稳定性

0　前言

波波娜水电站位于新疆和田地区喀拉喀什河上，为引水式电站。电站距上游乌鲁瓦提水利枢纽工程约30 km，距和田市41 km。该电站是一个以发电为主的工程，该工程的任务是：利用乌鲁瓦提水库调节后的下泄水量发电，向和田电力系统提供电量，承担电力系统部分调峰和备用任务。

本电站发电引水系统采用“1洞3机”布置型式，压力管道长度11.63 km，叉管上游设置阻抗式调压井。厂内安装三台单机容量50 MW的立轴混流式水轮发电机组，电站装机总容量为150 MW。最大水头259.68m，加权平均水头243.13m，额定水头242m，最小水头236.39 m，电站保证出力34.8 MW，年利用小时数4 439 h，年发电量6.66亿kW·h，多年平均含沙量2.41 kg/m3。

1　水轮机主要目标参数选择

波波娜水电站因为利用乌鲁瓦提水库调节后的下泄水量发电，所以上游水库保证了电站的引水在正常时间内水质较好，当水库因运行需要排洪时，河水水质较差，泥沙较大。因此在水轮机目标参数选择时，应结合制造厂家资料，重点考虑单位转速和单位流量参数的匹配。

1.1比转速和比速系数

比转速ns是衡量水轮机综合性能的重要技术指标。ns直接反映了水轮机的设计制造水平及其能量、空蚀性能的优劣，比速系数K（K=ns×H0.5）则反映了水轮机的技术发展水平。一般来说，在水头相同的情况下，选用较高比转速的水轮机，可以提高机组转速，减小机组尺寸，降低机组造价。但水轮机比转速的提高，往往受到水轮机效率、运行稳定性、空化、磨蚀性能以及强度等诸多因素的制约。通常采用经验或统计公式来表征比转速与水头的关系，并认为比速系数K值是代表比转速的特征参数。本电站属中高水头段，水轮机参数选择首先应考虑水力稳定性，其次是能量特性，因此比速系数不宜选择过高。对国内与本电站水头相近水电站所用水轮机的比转速及比速系数进行了统计分析，见表1。经综合分析本电站水轮机比速系数的合理选择范围在1500～1700之间，相应比转速在ns=97～110 m·kW内。

表1　国内部分同水头段大中水电站比速系数、比转速统计

1.2单位转速及单位流量

（1）提高单位转速n1忆，降低单位流量Q1忆。可以提高机组的同步转速，减轻发电机重量，进而降低机组造价。提高单位转速n1忆后，还可有效地使水轮机在运行中避开叶道涡区域，通常取最大水头对应的n1max为0.95倍的最优单位转速n10。但提高单位转速n1忆应适量，过高的n1忆会使Q1忆减小，进而引起叶片出口相对速度的增加，特别在多泥沙河流会加重水轮机的空蚀性；同时Q1忆减小后，转轮直径也会增加，水轮机重量要加大，机组造价将提高。

（2）提高单位流量Q1忆，降低单位转速n1忆。可以减小水轮机转轮直径，减轻机组重量，缩小尾水管高度，减少厂房开挖量。但过大的单位流量Q1忆会使水轮机临界空化系数增加很快，吸出高度Hs变小，机组安装高程降低，厂房开挖量增加，土建投资扩大；也会使机组过流面流速增大，磨损加剧，机组强度受到严峻的考验，降低机组运行的稳定性。

参数匹配的含义是通过调整单位转速n1忆和单位流量Q1忆，使原型水轮机运行区域按照径流特点处于最佳状态。一般而言，对于水头变幅较小，单机容量较大的电站，参数之间容易实现最佳匹配。

由国内转轮模型参数统计可知，当ns在97～110 m·kW时，n1忆在60～65 r/min之间较合适。计算出相应单位流量Q1忆=0.29～0.33 m3/s之间。

1.3水轮机效率

水轮机效率是评价水轮机能量特性的重要指标，直接影响电站的发电效益，近年来，随着水轮机设计技术的发展和采取现代化的制造手段和先进工艺，水轮机效率得到不断提高。

资料统计表明，目前在300 m水头段的水轮机，国内已有部分转轮的模型最高效率超过92.5 %，但大部分模型转轮最高效率则在91 %左右，额定点效率超过87 %，因此选定本水电站水轮机模型最高效率应不低于91.5 %，额定点效率应不低于87.5 %，真机最高效率应不低于93 %，额定点效率应不低于89 %，真机效率由模型效率按Moody公式计算值的2/3修正而得出。

1.4空化系数

水轮机空蚀性能的好坏直接影响机组运行的安全可靠性和电站的经济性，电站装置空蚀系数应合理选择，取值过低将加重水轮机的空蚀破坏；取值过高并不能使空蚀破坏得以明显改善，反而造成吸出高度负值过大，增加厂房地基开挖深度，并且机组自然补气困难。根据不同的经验公式，计算得出该电站应具有的装置空蚀系数范围见表2。