盖下坝水电站水轮机参数选择

李树刚，马经童，徐志军，赵亚男

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

1 电站概况

盖下坝水电站位于重庆市云阳县云峰乡境内的长江南岸的一级支流长滩河上。本工程是长滩河流域梯级开发的龙头电站。电站为引水式电站，是以发电为主，兼顾防洪、旅游等综合利用的大型水电工程。电站由水库、引水系统、厂房、地面开关站及副厂房组成。引水系统采用1洞3机的布置方式，设有上游调压井。总装机容量120 MW，装设3台单机容量为40 MW的立轴混流式水轮发电机组。电站建成后承担重庆市电网的调峰和事故备用任务。

2 电站基本参数

2.1 水轮机净水头

最大水头183.3 m

额定水头157.0 m

最小水头132.2 m

2.2 泥沙特性

坝址多年平均悬移质输沙量为118.9×104t，多年平均推移质输沙量估算按多年平均悬移质输沙量的20%计，为23.8×104t。多年平均悬移质含沙量为1.18 kg/m3。

3 机组台数和单机容量的选择

电站总装机容量120 MW。可行性研究设计阶段对2台×60 MW、3台×40 MW、4台×30 MW3个机组台数方案进行了技术经济比选，比选结果见表1。

表1 机组台数方案比选结果

由表1中可以看出：

投资情况：2台机方案投资最少，3台机方案较2台机多571万元，4台机方案较2台机多1 092万元；年平均电能情况：2台机方案年平均电能最少，3台机方案较2台机多543×104kW·h，4台机方案较2台机多425×104kW·h，3台机方案最好。

电力系统情况：本电站装机容量为120 MW，占电力系统容量比重较小，当1台机组故障和检修时，各方案对系统影响均较小。枢纽布置条件：机组台数为2台、3台、4台时，均对枢纽布置影响较小，3个方案都是可行的。机组设备制造能力和技术水平：3个方案的机组在制造方面均不存在制约因素；国内的机组制造厂家的技术水平和加工能力能够满足各方案机组的要求。机组大、重件的运输要求：机组台数为2台、3台、4台时，单机容量分别为60 MW、40 MW、30 MW。各个方案的机组大、重件的运输要求均不会对外交通形成制约因素。

综合以上因素，特别是从机组运行的灵活性和工程投资的经济性综合分析比较，可行性研究设计阶段推荐采用3台×40 MW方案。

4 水轮机型式及预期参数选择

4.1 水轮机型式选择

本电站运行水头范围为132.2～183.3 m，适合选用立轴混流式水轮机。

4.2 水轮机预期参数

（1）水轮机比转速

比转速ns是水轮机的重要特征参数之一，它表征水轮机的综合经济技术水平，应结合电站的具体情况合理选择。

各类统计公式计算的盖下坝水电站水轮机比转速结果见表2。

表2 各类统计公式计算的水轮机比转速结果

国内外与盖下坝水电站水头段相近的水轮机参数见表3。

表3 国内外与盖下坝水电站水头段相近的水轮机参数

根据当前国内外水轮机的实际设计制造水平和国内外已运行电站机组的统计资料（混流式水轮机水头与比转速关系曲线见图1），本电站额定水头Hr=157 m，可取比转速 ns=170～180 m·kW，比速系数K=2 130～2 255。考虑本电站水头变幅较大的具体情况和运行特点，本设计阶段估取水轮机比转速ns≈170 m·kW，相应比速系数K≥2 130。

图1 大型混流式水轮机比转速随水头变化关系曲线

（2）水轮机效率

根据当前国内、外水轮机的实际设计制造水平，并参考已经得到的咨询资料，力求水轮机具有宽广的高效区范围和较高的加权平均效率，同时要求水轮机额定效率不低于92.5%，最高效率不低于93.5%。

（3）水轮机单位转速和单位流量

额定工况点确定以后，单位转速n1’及单位流量Q1’的匹配将影响电站的技术经济指标，参考表3所列电站的单位转速值，对比统计公式的计算结果及参考电站资料，并结合盖下坝水电站水轮机的运行条件进行综合分析比较，在本设计阶段取额定点单位转速72 r/min，单位流量0.69 m3/s。

（4）水轮机空蚀

水轮机装置空蚀性能和水轮机比转速有关，根据不同经验公式计算出的本电站水轮机装置空蚀系数如表4。

表4 不同经验公式计算出的本电站水轮机装置空蚀系数表

电站使用的装置系数与水轮机比转速有关，根据在电站统计资料基础上总结分析得出的统计公式及已统计国内外混流式水轮机σy～ns关系曲线（见图2）。考虑本电站地质条件和厂房开挖情况，取装置空蚀系数σy＝0.10。

图2 混流式水轮机σy～ns关系曲线

综上所述，取水轮机预期参数如表5：

表5 水轮机预期参数

5 原型水轮机参数选择

5.1 水轮机转轮的选择

通过咨询国内主要水轮机制造厂家，适合于本电站的转轮主要有HLA692、HLA575C、HL160/D46、HLJF2062、HLA685等，转轮的模型主要参数见表6。

表6 适合于本电站的转轮模型参数

从表6中可以看出：HLA575转轮单位流量小，效率也不是很高；HLA692转轮空蚀性能最差，单位流量较小；HL160/D46转轮空蚀性能最好，但效率偏低；HLJF2062转轮效率较高，空蚀性能较好，单位流量也较大；HLA685转轮效率较高，空蚀性能较好，单位流量最大。根据现有资料，HLJF2062与HLA685转轮的整体性能基本相当，考虑2个转轮的实际使用情况，经综合分析比较，可研阶段暂按HLA685机型开展工作。

5.2 原型水轮机主要参数

可行性研究设计阶段选用原型水轮机主要参数详见表7。

表7 可行性研究设计阶段选用水轮机主要参数表

5.3 水轮机安装高程的确定

水轮机装置空蚀系数的取用与多种因素有关，反映在统计值的分布规律很离散，因此各种统计公式仅能供参考之用。根据HLA685转轮空蚀特性计算的吸出高度为-4.5 m（ 至水轮机导叶水平中心线高程）。按一台机组发额定功率时的过流量所对应的尾水位206.20 m确定水轮机的安装高程为201.70 m（ 导叶水平中心线高程）。

6 结束语

类似盖下坝水电站容量的中型机组，一般不会重新设计新的转轮，基本是套用已研发的水轮机转轮。这就需要在设计过程中充分了解相近水头的机组的使用情况，在设计中尽量处理好效率、空蚀性能和稳定性的关系，以便电站在机组的采购招标过程中选用到合适的机组。在盖下坝水电站选型设计时做了一些工作，不够全面，不当之处请专业同仁予以指正。