某电站水轮机选型及过渡过程优化分析

夏玉宝

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550002)

不同的水电站拥有不同的流量和水头，每种类型的转轮特性也不一样，因此，选择合适的水轮机型号对水电站水能利用效率有重要的影响[1]。水轮机的选型设计主要包括水轮机型号的选择、参数的确定及其他相关因素的分析和确定[2]。水电站过渡过程是指引水管段、水轮机组及尾水管各节点处的水头、流量等特征值连续动态变化的过程。不合理的导叶关闭规律或机组较大的负荷变动会在管道内产生强烈的振动和水锤效应，可能会对机组或者运行人员产生危害。本电站装机包含1250 kW、250 kW两台机组，本文对该电站进行机型比选分析，并通过C语言程序平台对不同导叶关闭规律下的机组运行进行模拟计算，以达到优化电站水轮机机型、为电站机组设计提供依据的目的。

1 研究方法

1.1 额定水头选择

水电站额定水头是水电站发电机发出额定功率时，水轮机所需的最小工作水头。本电站水头范围为24.6～42.1 m，加权平均水头为40.0 m，水头出现几率见表1。根据国内外数据统计规律：最大水头与最小水头比值小于1.5，最大水头与额定水头的比值小于1.15，最小水头与额定水头的比值大于0.65[3]。本电站水头变幅为Hmax/Hmin=1.71，水头变幅较大。结合表1，水头在28.0～42.1 m之间出现的概率为98.7%，28.0 m以下出现水头仅为1.3%，因此本电站舍弃出现概率较低的28.0 m以下水头。即水头处于24.6～28.0 m时，机组停机不发电，经过一段时间水库蓄水保证水量充足之后再发电。对于中、高水头水轮机的额定水头取0.95～1倍加权平均水头，即额定水头在38.0～40.0 m之间取值。结合表1，38.0 m及以上水头累计出现频率为80.5%，本电站水轮机额定水头取38.0 m。

表1 水头出现频率排频表

1.2 水轮机机型选择

本电站水头范围为28.0～42.1 m，适合该水头段的转轮型式有轴流式和混流式。在相同水头下，轴流式的转速较混流式的高，有利于缩小机组尺寸，但抗空蚀能力较差，增加了厂房的水下开挖量。轴流式水轮机的转轮和受油器等部件结构较复杂，设备投资和后期维护工作量较大[4]。经咨询国内相关水轮机生产厂家，混流式水轮机成熟度高于轴流式，应用范围更广。综上所述，本电站推荐选择混流式机组，卧式布置。

1.3 转轮模型选择

大机装机为1250 kW，额定流量为3.88 m3/s,额定水头为38.0 m，水头范围为28.0～42.1 m；小机装机为250 kW，额定流量为0.84 m3/s，额定水头为38.0 m，水头范围为28.0～42.1 m。通过以上得知：本电站水头低，水头变幅相对较大，若按照本水头段来选型，机组转速较高，不利于机组稳定。所以本电站选择高水头段转轮，大机代表机型分别为HLA551(方案1)、HLA296(方案2)、HLA702(方案3)模型转轮，小机分别为HLA551(方案1)、HLA521(方案2)、HL180(方案3)模型转轮。对以上转轮模型进行比较，比较成果见表2～表3。

表2 大机机型选择比较表

表3 小机机型选择比较表

由计算结果可知：

(1)大机组方案1在额定点的水轮机效率为88.4%，高于方案2和方案3；汽蚀系数为0.10，小于方案2，转轮抗空蚀性能较好。根据水轮机安装高程计算公式可知该方案机组安装高程较高，有利于减小土建开挖量，减少投资成本，因此推荐方案1(HLA551-WJ-75)为代表机型。机组100%出力下，最大水头对应的模型效率为87.5%，最小水头对应的模型效率为89.3%。转轮模型曲线如图1所示。

(2)小机组方案2和方案3在额定点的水轮机效率相近，均高于方案1；方案3气蚀系数小于方案1和方案2，转轮抗空蚀性能较好。方案1转速较大，造成机组振动过大，不利于机组稳定运行，因此推荐方案3(HL180-WJ-42)为代表机型。机组100%出力下，最大水头对应的模型效率为87.5%，最小水头对应的模型效率为89.3%。转轮模型曲线如图2所示。选定机组的主要参数见表4。

图2 HL180-WJ-42型水轮机模型特性曲线

表4 机组参数

2 计算结果

在水电站运行过程中，当水轮机机组进行甩负荷过程中，机组转速会快速上升，此时调速器工作，关闭导叶又会引起蜗壳内水锤压力的上升，机组转速上升与水锤压力增大相互制约[5]。结合工程经验，电站过渡过程中影响最大的因素是导叶关闭规律，因此电站设计过程中选择合适的导叶关闭规律十分重要[6]。本电站为坝后式电站，发电用水经压力钢管接入厂房，压力钢管主管直径1.2 m，长度约为240 m，支管直径分别1.0 m、0.6 m，对应长度均为12 m。计算得到本电站主要的引水系统参数：水流惯性时间常数Tw=2.58 s，引水系统平均流速Va=3.61 m/s，管道特性系数hw=4.84。

结合《水力发电厂机电设计规范》(DL/T 5186—2004)与电站实际情况，确定计算标准：机组甩额定工况下，最大转速升高率小于60%，蜗壳最大压力升高率小于55%，尾水管内的最大真空度小于8 m水柱。本电站安装有两台不同容量的机组，过渡过程计算较为复杂。经过C平台程序模拟计算，大机组在最大转速升高率、最大蜗壳压力升高率和最大真空度均大于小机组，因此 重点关注大机组的过渡过程情况，计算结果如表5所示。

表5 大机组过渡过程计算表

由表5可知，两段关闭对机组过渡过程计算结果优化效果不大，甚至由于关阀时间过慢，机组转速超过限定值。方案1由于导叶关闭过快，蜗壳压力升高率超过了限定值；方案3导叶关闭时间过长，机组转速升高率略微超过了限定值。综上，选定最优导叶关闭规律为6 s直线关闭。

关闭规律为6 s直线关闭时，机组甩额定负荷的最大转速升高率大小机组分别为56.4%、44.0%；机组甩负荷的最大蜗壳压力升高率大小机组分别为52.6%、50.0%；尾水管内的最大真空度大机组为5.8 m、小机组为5.0 m，以上结果均满足规范要求。机组最大转速与蜗壳最大压力均出现在导叶完全关闭之前，约关阀时间5 s左右，然后趋于稳定。大小机尾水管最大真空值出现在关阀后1s左右。

3 结 论

本电站主要功能是在下放生态流量时发电，丰水期也可以多发季节性电量，大小机组组合对不同时期水量的利用率较高。由于水库水位变幅较大，常规水轮机组运行很难兼顾整个水头段，舍弃部分低水头段，有利于机组稳定高效率运行。当电站水头较低，装机容量不大时，若按照原水头段来选型，机组转速较大，不利于机组稳定运行。为降低机组转速，选择高水头段转轮。经过比选，大机组推荐转轮为HLA551-WJ-75，小机组推荐转轮为HL180-WJ-42。经过渡过程计算分析后得出的最优导叶关闭规律为6 s直线关闭，此工况下大小机组甩负荷转速升高率、最大蜗壳压力升高率和尾水管内的最大真空度均满足要求。