金沙水电站水轮发电机组选型设计研究与实践

黄刚　章勋　桂绍波　陈笙

摘要：金沙水电站具有低水头的特点，可选用灯泡贯流式和轴流转桨式水轮发电机组。从技术、经济、运行稳定性和运行维护等方面，对这两种机型进行了综合比较分析，确定金沙水电站采用轴流转桨式水轮发电机组。基于电站装机台数和额定转速比选，确定了水轮发电机组的主要性能参数。研究成果可为同水头段水轮发电机组选型设计以及同类型大中型机组安全稳定高效运行提供借鉴。

关键词：水轮发电机组; 选型设计; 轴流转桨式; 灯泡贯流式; 金沙水电站

中图法分类号：TV734 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.012

文章编号：1006 - 0081（2022）07 - 0072 - 06

0 引 言

金沙水电站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，是金沙江中游河段10级水电基地规划的第9级电站。电站总装机容量560 MW，多年平均发电量为25.07亿kW·h，装机年利用小时数4 480 h，保证出力207 MW。金沙坝址多年平均悬移质含沙量为0.886 kg/m3，输沙量主要集中在7～9月，占全年的80%以上，悬移质级配中值粒径0.014 mm，平均粒径0.053 mm，最大粒径1.721 mm，年平均推移质沙量为156.3万t[1-3]。

金沙水电站具有水头低、流量大的特点，根据电站运行特点及国内外低水头径流式电站机组的选型设计经验[4～5]，通过比选机组型式、装机台数及转速等，确定了机组的各项主要参数，可为低水头、大流量、大容量的水轮发电机组选型设计和机组安全稳定运行提供借鉴。

1 金沙水电站基本参数

1.1 上下游水位

金沙水电站上游校核洪水位（0.1%）为1 025.30 m;上游设计洪水位（1%）为1 022.00 m;上游正常蓄水位为1 022.00 m;上游死水位为1 020.00 m;下游校核洪水位 （0.1%）为1 019.49 m; 下游設计洪水位（1%）为1 016.10 m 。

1.2 水 头

金沙水电站最大水头为26.8 m;加权平均水头为19.9 m;最小水头为8.0 m;额定水头为16.8 m。

2 机组型式选择

金沙水电站水头变化范围为8.0～26.8 m，属低水头范围，可选机型有轴流转桨式和灯泡贯流式水轮发电机组[6]。

轴流转桨式水轮发电机组发展历史悠久，国内外部分已建和在建电站大型轴流转桨式水轮机主要参数见表1，具有单机容量大，设计、制造及运行维护方便等优势，适用水头范围为3～80 m。自20世纪70年代以来，随着葛洲坝（转轮直径11.3 m、单机容量170 MW）、乐滩（转轮直径10.4 m、单机容量150 MW）、桐子林（转轮直径10.4 m、单机容量150 MW）等多座水电站的成功投产，大型轴流转桨式机组的相关技术已非常成熟，单机容量和适用水头都在不断提升[7]，其设计、生产、安装、运行等都有较为丰富的经验。与金沙水电站水头、容量相近的已投运电站轴流转桨式水轮机比速系数集中在2 500～2 700左右。

灯泡贯流式机组比速系数基本在2800～3100之间，具有参数水平高、过流能力大、运行稳定等优点。在最大水头低于20 m的电站，灯泡贯流式水轮机具有较大优越性。目前，国内厂家已生产、投运的大型灯泡贯流机组有桥巩（转轮直径7.4 m、单机容量57 MW）和巴西杰瑞（转轮直径7.9 m、单机容量75 MW）。但是，灯泡贯流式机组采用卧式布置，单机容量受限，大容量机组存在设计、制造难度大及运行维护不便等因素[8]。

在考虑现有不同水轮发电机组机型加工制造能力的基础上，通过分析计算，金沙水电站采用轴流转桨式和灯泡贯流式两种方案的机组主要技术参数以及机组造价、土建投资的对比，如表2所示。

比较上述主要技术参数，可得出以下结论。

（1） 参数水平。金沙水电站两种机型方案水轮机参数水平符合对应机型统计规律，轴流转桨式机组比速系数在2 650左右，灯泡贯流式机组比速系数在3 000左右。后者参数水平高于前者。灯泡贯流式机组轴线顺水流布置，流道顺畅，水轮机效率在整个运行范围内要比轴流转桨式机组高，多年平均发电量会比轴流转桨式机组略多。灯泡贯流式机组运行稳定性较好，发生空蚀的可能性及损坏程度要比轴流转桨式机组小。但是，对于高水头、大容量的灯泡贯流式机组，其发电机散热问题较为突出，可能会影响到发电机效率和设备运行。同时对于灯泡贯流式机组而言，最高水头26.8 m属于高水头段，在实际运行中，国内数座高水头灯泡贯流式电站出现过转子支臂裂纹、发电机内部散架、发电机气息不均匀等故障，设计、制造水平有待进一步提高与完善。相较于灯泡贯流式机组而言，轴流转桨式机组技术成熟，适用水头宽，机组运行稳定，可选用的转轮模型多，随着技术发展，轴流转桨式机组效率也有所提高。

（2） 水轮机的加工能力。金沙水电站轴流转桨式机组方案的转轮直径为10.65 m，与葛洲坝、乐滩、桐子林等水电站大型轴流转桨式机组直径相当，灯泡贯流式机组方案的转轮直径与桥巩水电站大型灯泡贯流式机组直径相当，在同类机型中均属国内可生产的大型机组。国内各大机组生产制造厂家拥有各类大型加工设备及使用经验，制造、运行经验成熟，故两种类型的机组在制造加工能力上均不存在制约。

（3） 枢纽布置。经初步分析，灯泡贯流式机组方案比轴流转桨式机组方案厂房前沿长度约15.2 m。由于金沙水电站坝址处河床较狭窄，两岸山坡较陡，装设8台灯泡贯流式机组方案厂房要较大幅度增加对左岸山体的扩挖，枢纽布置难度显著增加。从机组本身设计角度看，灯泡贯流式机组方案机组底板（最低点）高程比轴流转桨式机组方案有大幅提高，可大幅减少开挖和浇筑方量。但由于坝址区覆盖层较厚，厂房坝段和电站泄洪坝段基础设计均要求挖掉覆盖层，使其坐落在微新岩体上。从地勘工作情况看，金沙坝址覆盖层的开挖与轴流转桨式机组方案的开挖要求基本一致，因此灯泡贯流式机组方案减少开挖和浇筑方量的优势不明显。经综合计算分析，灯泡贯流式机组方案厂房土建投资比轴流转桨式机组方案要多1 970万元左右。

（4） 机组设备投资。灯泡贯流式机组单位流量、单位转速比轴流转桨式机组略高，同时额定转速也比轴流转桨式机组高，机组尺寸比同等容量的轴流转桨式机组小，总重量要轻。考虑到灯泡贯流式机组装机台数多，经综合计算分析，灯泡贯流式机组方案主要机电设备投资比轴流转桨式机组方案低840万元左右。

（5） 检修、运行维护。受单机容量限制，灯泡贯流式机组方案所装设的机组台数较多，检修、运行维护工作量较大。而轴流转桨式机组发展历史较长，运行维护经验成熟，同时机组台数少，有利于后期检修及运行维护。

综上所述，金沙水电站采用轴流转桨式或灯泡贯流式这两种机型在技术上均是可行的。灯泡贯流式机组方案机组台数较多，总投资较大，厂房占枢纽前沿较长，山体扩挖较大，枢纽布置较困难，同时设备检修、运行维护工作量较大，而轴流转桨式机组方案机组运行稳定，运行范围广，适用水头范围较广，低水头区及高水头区机组运行稳定，同时能保证较高效率，因此推荐金沙水电站采用轴流转桨式水轮发电机组。

3 单机容量及装机台数选择

单机容量主要根据电站动能特性、电站运行方式、工程布置条件以及机组设计制造水平和适应条件综合考虑拟定[9-11]。

考虑到金沙水电站坝址处属中山峡谷地貌，河谷横断面呈较对称“V”字形，两岸山坡较陡，采用较大的单机容量可减少机组台数，降低枢纽布置难度。拟定装机3台186.7 MW、4台140 MW及5台112 MW的方案进行比较。不同单机容量及装机台数的水轮发电机组主要技术参数以及机组造价、土建投资的对比，如表3所示。

（1） 参数水平。金沙水电站不同装机台数方案水轮机参数水平相近，比速系数均在2 650左右。

（2） 水轮机的加工能力。从机组制造运行经验看，国内已运行最大五叶片转轮直径10.4 m（乐滩水电站，单机容量150 MW），最大四叶片转轮直径11.3 m（葛洲坝水电站，單机容量170 MW），最大出力已达204 MW（水口水电站）。方案1转轮直径达12.4 m，从尺寸上讲，已超过了现有工程实际应用经验。由于加工设备限制，转轮直径超过12 m的轴流机组的加工制造相对困难。同时，由于轴流式水轮机叶片的悬臂结构特点，转轮直径超过12 m的水轮机运行时，在结构、刚强度及疲劳破坏方面不确定性增加，风险加大。而方案2，3的机组尺寸均在生产厂制造能力的范围内。

（3） 枢纽布置。随着机组台数增加，厂房尺寸也增大，相应坝轴线长度也随之增加，为满足枢纽建筑物的布置要求，需向左岸进行山体扩挖，与方案2相比，方案1可少扩挖15.3 m、方案3需多扩挖18.2 m。同时方案1开挖深度远超方案2。经过综合计算分析，方案3厂房土建投资比方案2多约1 067.13万元，方案1厂房土建投资比方案2多约1 969.52万元。

（4） 大件运输。各方案运输最大件转轮体轮毂，运输直径约为4.2～5.4 m，均超出铁路二级限界，需采用水陆联运方案运输。

（5） 机电设备投资。经过综合计算分析，方案3主要机电设备投资比方案2多约195万元，方案1主要机电设备投资比方案2少1 250万元左右。

（6）水库调度。根据金沙水库调度规划，枯水期低谷时段机组持续在流量439 m3/s（生态流量）下运行，该流量最大水头下机组出力约为93.3 MW，分别为各方案额定出力的49%，65%，82%，虽均在规范规定的机组稳定运行保证范围内，但偏离额定出力越远，机组稳定性会越差，效率也会越低。

经综合技术经济比较，方案1水轮机尺寸超大，制造、运行风险增加，同时枢纽投资并未减少，方案3需扩挖山体，增加枢纽布置难度及投资;方案2技术上可行，经济上较优。为此，金沙水电站推荐装设4台单机容量140 MW轴流转桨式水轮发电机组方案。

4 额定转速选择

机组额定转速主要根据拟定的水轮机参数、单机容量以及发电机冷却方式、对机组特性影响等来综合考虑选定[12-13]。

拟定对60.0，57.7 r/min两种转速进行方案比较，其主要技术参数对比见表4。

由表4可见，不同额定转速方案，水轮机参数水平不同，其中60 r/min转速方案比速系数水平要高出57.7 r/min转速方案4%，当采用相同的单位参数，水轮机转轮直径相同，水轮机重量也相同，但由于60 r/min转速方案中参数水平高出4%，比最优点的水轮机设计水头要提至23.04 m，高于预期的水轮机设计水头21.5 m左右，对水轮机的能量性能会有所影响。

从发电机电磁方案分析，两种转速方案均可采用4支路方案，发电机的槽电流水平相同，均可采用风冷方式。另外不同转速方案，发电机的几何参数及重量有微小变化，但差别不大。相较而言，60 r/min转速方案参数水平略微偏高，水轮机设计水头和圆周速度略微偏大，水轮机能量及空蚀水平略微降低，发电机重量及投资略微减小。

综合考虑水轮机参数与电站参数的优化匹配，推荐金沙水电站机组同步转速为57.7 r/min转速方案。

5 机组推荐方案

经2016年1月公开招标，最终确定天津GE公司承担4台水轮机供货，浙富公司承担4台发电机的供货。水轮机型式为混凝土蜗壳立轴轴流转桨式。水轮发电机为立轴普通伞式同步发电机，冷却方式为密闭自循环全空冷。水轮发电机组主要技术参数详见表5所示。

6 结 语

针对处于中低水头段的大、中型水电站，应结合电站特有的水力特性和运行要求等具体特点，从技术、经济、运行稳定性和运行维护管理等方面进行分析，并进一步通过机组参数水平、加工制造能力、枢纽布置难易程度、工程投资、后期运维管理等方面的综合比选，以确定机组型式、装机台数、转速等特征参数，并进一步综合分析计算出机组各项技术参数，以确保机组长期安全稳定高效运行。本文所阐述的金沙水电站相关的选型设计方法，可为类似电站机组选型设计及安全稳定运行提供参考。

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（编辑：唐湘茜）

Study on selection and design of turbine-generator unit for Jinsha Hydropower Station

HUANG Gang ZHANG Xun GUI Shaobo CHEN Sheng

（1. Sichuan Energy Panzhihua Hydropower Development Co.， Ltd.， Panzhihua 617000， China; 2. Anhui Branch，China Three Gorges  Renewables（Group）Co.， Ltd.，  Hefei  230000， China; 3. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan     430010， China）

Abstract：According to the characteristics that the water head of Jinsha hydropower station is in the low water head range， bulb tubular turbine and Kaplan turbine can be selected. The two types are comprehensively compared and analyzed from the aspects of technology， economy， operation stability and operation maintenance， and it is determined that Jinsha hydropower station adopts Kaplan type turbine-generator unit. Based on the comparison and selection of the installation number of the units and the rated speed of the unit， the main performance parameters of the turbine-generator unit are determined. The research results can provide some reference for the type selection design of the turbine-generator unit in the same head range and the safe， stable and efficient operation of similar large and medium-sized turbine-generator units.

Key words：hydraulic turbine-generator unit; type design; Kaplan type; bulb tubular type; Jinsha Hydropower Station