岷江犍为航电枢纽工程水轮机选型设计

姜源清

（中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司，南宁 530023）

岷江犍为航电枢纽工程水轮机选型设计

姜源清

（中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司，南宁 530023）

岷江犍为航电枢纽工程水轮机水头运行范围为4.0～17.4 m，机组选用灯泡贯流式水轮机，单机容量55.6 MW。在总结目前已投运相近容量的水轮机水力参数基础上，结合国内外机组制造技术水平，经技术经济比较分析，最终确定技术合理、经济可行的水轮机基本参数。

灯泡贯流式；水轮机；统计规律；选型设计；犍为航电枢纽

1 工程概况

岷江犍为航电枢纽工程位于岷江下游乐山市犍为县境内，是规划的岷江乐山至宜宾162 km长河段航电梯级开发的第3级航电枢纽。犍为航电枢纽总库容为2.27亿m3，总装机容量为500 MW，为河床式水电站，闸坝式挡水建筑物，Ⅲ级船闸（单级）通航1 000 t级船舶，装设9台灯泡贯流式机组，单机容量55.6 MW。本工程开发任务为以航运为主，结合发电，兼顾供水、灌溉，并促进地方经济社会发展。工程等级为二等，工程规模为大（2）型。

水轮机选型（即水轮机基本技术参数的确定）是水电站设计最基础最重要的工作之一，特别是在前期的可研阶段，选型是否合理直接关系到整个枢纽的总体布置、厂房尺寸、总投资、电站建成后机组运行的安全稳定性、经济效益等问题。

2 水轮机参数选择

2.1 电站基本参数

（1）上游水位。校核洪水位（P=0.1%）339.21 m；设计洪水位（P=1%）335.31 m；正常蓄水位335.0 m；死水位（最低发电水位）334.0 m。

（2）下游水位。校核洪水尾水位（P=0.1%）336.83 m；设计洪水尾水位（P=1%）333.82 m；最低尾水位（按满足下游最小通航流量要求确定）317.14m。

（3）电站水头。最大毛水头17.93 m；最小毛水头4.5 m；加权平均水头14.01 m。

（4）代表性流量。多年平均流量2 520 m3/s；丰水期多年平均流量4 455 m3/s；枯水期多年平均流量848 m3/s。

（5）气象。多年平均气温17.5；极端最高气温38.2；极端最低气温-2.6；多年平均相对湿度81%。

（6）地震烈度，Ⅶ度。

（7）泥沙特性。悬移质含沙量0.27 kg/m3。

2.2 水轮机模型参数的选择

2.2.1 机组型式的选择

本电站水轮机工作水头范围在4.0～17.4 m，为低水头河床式电站，可选用立轴轴流式和灯泡贯流式两种机型。立轴轴流式水轮机设计、制造、安装、运行均有较为丰富的经验。贯流机目前发展较快，与轴流机相比具有效率高、土建工程量较省等优点。根据目前已投运两种型式机组的单机容量和机组转轮直径等参数，结合机组的制造技术水平和经济性，选定7台轴流机和9台灯泡贯流机进行比选。通过机组参数、厂房布置、枢纽布置、能量指标、经济指标、机组制造技术水平6方面的经济指标，综合分析贯流式机组较优，故机组形式选定为灯泡贯流式。

2.2.2 比转速和比速系数

比转速和比速系数是衡量水轮机能量特性、经济性、先进性的综合性能指标，也反映了水轮机设计制造水平，在水头相同的情况下，提高比转速，可以减小机组和厂房尺寸，降低工程造价，特别是大容量的机组更是如此，但比转速的提高，往往受水轮机的加权平均效率、水轮机刚度、强度、空化、泥沙磨损、运行稳定性等方面的制约，过高的比转速易引发水力不稳定性、转轮开裂、汽蚀性能差等问题，在技术上存在一定的难度和风险，所以，对于大型机组，比转速不可盲目追求过高水平，最大值不建议超过目前国际（或国内）先进水平。表1为国内、外部分较有代表性的低水头电站灯泡贯流式水轮机的ns、K值。表2为国内、外部分有代表性的ns统计公式及其应用于本电站的计算值。

表1 部分低水头电站灯泡贯流式水轮机的ns、K值

表2 部分有代表性的ns统计公式应用于本电站的计算值（Hr=12.5 m）[1]

从表1中可以看出，额定水头介于8～11 m之间，机组比转速范围为990～900之间；额定水头13～20 m之间，机组比转速范围为880～650之间。统计规律计算的本电站机组比转速范围为746.8～820.2。根据已投运机组的机组容量、额定水头、比转速的相关参数，结合本电站的机组参数，在统计公式的基础上，推荐本电站较合适的比转速范围为750～850m·kW，对应的比速系数范围为2651～3005。

2.2.3 额定转速

额定转速与比转速的关系：nr=nsHr1.25/Nt0.5，则额定转速 nr=（750～850）× Hr1.25/Nt0.5=73.8～83.6 r/min，此转速范围内的标准转速为75 r/min和83.3 r/min，暂取额定转速nr=83.3 r/min。

2.2.4 单位流量和单位转速

额定点的单位流量和单位转速的选择需要考虑一个平衡的问题，既要保证最低水头工况下的效率不能过低，从而保证机组稳定运行，也要考虑高水头工况下单位转速不能偏离最优单位转速太多，避免出现桨叶背部脱流现象的产生，从而导致机组运行中振动加大，这两者是个矛盾体。另外，提高单位流量Q11可以提高比转速ns，减小转轮直径，但取较大的单位流量，可能会导致较大的空化和运行的不稳定性，灯泡贯流机Q11的选择，应全面考虑以上因素。单位流量的选择从转轮轴面流速Vm入手，根据公式（Vm取13～13.5 m/s，4叶片转轮轮毂比d 取0.38），则单位流量Q11约为2.47～2.56 m3/s[2]。

根据贯流机4叶片转轮模型曲线的统计（水头范围在3-20 m），最优单位转速在147～168 r/min范围内。对于贯流机额定单位转速nr11=（1.02～1.25）× n10（r/min），此处暂取系数 1.1，即 nr11=161～184 r/min，暂取nr11=175 r/min。

选取一个4叶片，最大应用水头在20 m以内的贯流机模型转轮综合特性曲线复核额定点的选取是否合理（Qr11=2.47 m3/s，nr11=175 r/min），在该曲线上最低水头对应的单位转速为nmin11=312.4 r/min，最高水头对应的单位转速为nmax11=149.8 r/min，最高水头对应的单位转速与最优效率点对应的单位转速（n最优11=153.5 r/min）之间的比值为0.975，较为合理。另外最低水头对应的单位转速在曲线上的效率值到大部分都超过60%，因此额定点的选择兼顾了高水头和低水头运行区域的稳定性。

2.2.5 转轮直径的确定

查阅适合该水头段的4叶片转轮最优效率ηmax=93.91%、94.17%、94.22%，暂取模型最优效率η=94.0%，查阅适合该水头段的4叶片转轮在以上暂定的nr11、Qr11下对应的模型额定点效率ηr=92.0%～93.0%，暂考虑效率修正值为1.5%，则额定点真机效率水平指标设定为ηt=93.5～94.5.0%。

转轮直径计算公式：

根据不同厂家开发的转轮水平的不同，其效率值也有高低，同时单位过流量的大小也有不同，综合来看，犍为转轮直径D1应在7.4～7.5 m之间。

Nt——水轮机额定出力（kW）；

Q11——水轮机额定单位流量（m3/s）；

Hr——水轮机额定水头（m）；

ηr——水轮机额定点效率（%）。

2.2.6 吸出高度和安装高程

灯泡贯流式水轮机的流道呈水平布置，因为过流量大，流道的断面面积比较大，尾水管出口顶部高程相应较高，故确定水轮机安装高程时除应满足不同工况下的空化特性要求外，还应核算尾水管出口顶部淹没深度是否满足要求。

在电站的运行水头范围内选择一系列特征水头，按满足水轮机空化特性的要求核算机组安装高程。经计算，满足空化系数要求的机组安装高程由额定水头工况空化特性要求控制（空化基准点取主轴上方D1/4处），相应水库死水位334 m，下游水位为321.00 m，空化安全系数取1.1，额定点空化系数为1.437，则允许吸出高度为-12 m（计至主轴中心），因此满足空化系数要求的安装高程定为309.00 m（主轴中心高程）。

按满足下游最小通航流量要求，电站最小下泄流量544 m3/s，相应下游最低水位为317.07 m/317.14 m（天然/考虑龙溪口回水影响）。当机组安装高程309.00 m（主轴中心高程）时，尾水管出口顶部高程为315.20 m，满足尾水管出口顶部淹没深度大于等于0.5 m的要求。

根据以上分析可知，机组安装高程为309.00 m（主轴中心高程）时，能同时满足水轮机空化特性及尾水管出口顶部淹没深度的要求。

2.2.7 水轮机主要参数

综上分析，选择的水轮机主要参数如下：

水轮机型号：GZ（）-WP-740

GZ（）-WP-750

额定功率： 56.98 MW

最大水头： 17.4 m

额定水头： 12.5 m

最小水头： 4.0 m

转轮直径： 7.4 m～7.5 m

额定流量： 494 m3/s

额定效率： 94%

额定转速： 83.3 r/min

吸出高度： -12 m

安装高程： 309.00 m

额定点比转速： 845 m·kW

额定点比速系数：2 988

3 结论

根据本电站的水能参数，收集整理了国内外近10年，水轮机额定功率为41 MW～76.5 MW之间，额定水头为8.6 m～19.6 m之间，一系列大容量大尺寸，并已投运的灯泡贯流式机组资料，充分研究已投产机组的参数水平，结合当前水轮机设计制造技术水平，在统计公式基础上，经经济技术指标分析，最终选定了经济合理的水轮机基本参数。对于大型灯泡贯流式水轮机参数的选择，通过调研分析，掌握同类规模的机组参数水平（比转速、转轮直径、灯泡比、单位流量、单位转速、额定转速、空化安全系数、模型空化系数）和机组运行数据，对经济合理的选择机组参数具有极其重要的指导意义，犍为项目水轮发电机组招标结果显示，中标的2个厂家投标方案，转轮直径分别为7.4 m和7.5 m，本文的理论分析在实践中得到了验证。

[1] 梁维燕，邴凤山，饶芳权，等.中国电气工程大典第5卷[M].北京：中国电力出版社，2010.

[2] 田树棠.贯流式水轮发电机组及其选择方法[M].北京：中国电力出版社，2000.

（责任编辑：刘征湛）

Selection of turbine type for Qianwei Navigation-Power Project on Minjiang River

JIANG Yuan-qing
(GuangxiElectricPowerDesign&ResearchInstituteCO.,LTD.ofChinaEnergyEngineeringGroup,Nanning 530023,China)

In view of the water head variable within 4.0～17.4m,bulb turbine generator units are selected for Qianwei Navigation-Power Project on Minjiang River.Each unit has a capacity of 55.6MW.Based on a summary of parameters of turbines which have similar capacity and had been put into operation,taking into consideration the manufacturing technology of China and foreign factories,parameters of turbine were determined for this project after comparison and analysis of technical and economic indexes.

Bulb type;turbine;statistic rule;selection of type;Qianwei Navigation-Power Project

TM312；TV734.2

B

1003-1510（2016）06-0040-03

声 明

《广西水利水电》编辑部

2016-09-28

姜源清（1979-），男，广西贵港人，中国能源建设集团广西电力设计研究院有限公司工程师，学士，主要从事水电站水力机械设计工作。

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