孤山航电枢纽工程电站机组选型设计研究

陈笙 郑涛平 彭志远 王豪

摘要：

为选择合理的孤山水电站水轮发电机组参数，通过研究孤山水电站水头分布特点及运行方式，以及丹江口水库水位变化对孤山电站顶托影响，确定了电站运行水头范围。根据电站水头分布频率以及电站电量分布特点，选取合适的额定水头，并选定机组比转速与各项单位参数等主要性能参数。电站实际运行结果表明：机组参数选择合理，机组运行效率、运行稳定性等各类指标均达到或优于合同要求，保证了水轮发电机组安全稳定运行及梯级电站调度要求，为大中型贯流式水轮发电机组选型提供借鉴与参考。

关键词：灯泡贯流式机组； 运行水头； 机组参数； 选型设计； 孤山航电枢纽工程

中图法分类号：TV737

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.004

文章编号：1006-0081（2023）06-0023-05

本文结合孤山水电站运行特性以及水文特性，综合考虑电站水头分段、电量分布特点以及技术经济性指标，确定了本电站工作水头，并分析选定了孤山电站水轮发电机组各项参数，为同类型中低水头梯级电站选型设计提供了思路。

1 工程概况

孤山航电枢纽工程位于汉江干流夹河至丹江口枢纽回水末端河段内，上距白河梯级坝址35 km，下距丹江口枢纽坝址179 km，是一座具有发电、航运等综合效益的水电枢纽工程。坝址流域面积60 440 km2，多年平均流量783 m3/s，平均年径流量247亿m3。电站正常蓄水位为177.23 m，死水位为175.0 m，总库容为2.08亿m3，总装机容量180 MW，工程等级为Ⅱ等大（2）型工程。水电站主要特点为丰枯期流量变化较大，河段兼有航运任务，需下泄一定航运基流，下游尾水位受丹江口水库顶托作用影响较大，电站水头范围选择需综合考虑水文条件以及水轮机性能。

2 水轮发电机组设计

2.1 电站水头特性及运行方式

（1） 最大发电水头。孤山水电站最大发电水头按两种工况考虑：库水位为正常蓄水位、下泄航运基流为120 m3/s时，计算得到最大水头为18.66 m；坝址枯期，流量较小时，据长系列旬径流资料统计，坝址最小入库流量仅31 m3/s，本工况按库水位为正常蓄水位、下游水位按水轮机空载流量（约40 m3/s）考虑，经计算，最大发电水头为19.16 m。

（2） 最小发电水头。参照同类型水电站统计资料，转桨式水轮机使用最小发电水头约为设计水头的35%。机组制造厂推荐孤山水电站机组安全稳定运行最小发电水头范围为4.5～5.5 m。在洪水期不同工况下，水库上下游水位差为0.29～2.19 m；在上库死水位、电站满发工况下，考虑丹江口水库的顶托作用，水库上下游水位差为6.56～12.92 m。参照同类型电站统计资料及国内主流制造厂家技术参数，综合水轮机安全稳定运行性能及电站水头条件，孤山电站最小发电水头定为5.5 m。

（3） 加权平均水头。经长系列径流调节计算，孤山水电站全年加权平均水头为14.25 m，汛期加权平均水头为14.21 m，非汛期加权平均水头为14.35 m。电站汛期、非汛期及全年加权平均水头变化不大，与常规低水头电站水头特性有明显不同，呈现出孤山水电站水头汛期受流量顶托、非汛期受丹江口水库库水位顶托影响的特点。

综上，确定水轮机的运行水头范围为5.5～19.16 m，极限最大毛水头为19.16 m。

2.2 机组型式选择

2.2.1 水轮机型式

基于水电站水头范围，适用的水轮机型式有贯流式和轴流式。在超低水头范围内，同容量贯流式机组相比轴流式机组有以下优点：① 机组额定效率比轴流式水轮机高约2%～3%；② 机组外形尺寸小于轴流式，机组间距小；虽然安装高程低，但由于无尾水肘管等立式过水流道，土建开挖总量小于轴流式机组；③ 贯流式机组采用全对称的流道，取消了蜗壳，有利于减少转轮的水力不平衡，提高机组的运行稳定性；④ 贯流式水轮机单位转速高、单位过流量大，真机转速高、体积小，机组重量减轻，有效降低了设备投资［1-3］。⑤ 灯泡贯流式水轮机设计的单位流量、单位转速值的选择范围较宽，适用水头更广；限制工况的出力不受限于水轮机的出力限制线，而是取决于水电站允许的空化装置系数［4-5］。

根据DL/T 5186—2018《水力发电厂机电设计规范》，对于最大水头20 m及以下的径流式水电厂，宜优先选用贯流式水轮机。综合考虑孤山电站水头特性和装机容量，选用灯泡贯流式水轮发电机组。

2.2.2 叶片数

水轮机转轮叶片数随着最大水头的提高而增加，较少的叶片有利于减小转轮直径，提高发电机转速，但其对转轮的力学性能以及空蚀性能要求较高，因此选择合适叶片数对于机组安全高效运行极为重要。对于灯泡贯流式机组，最大水头在10～20 m范围内，本水电站最大水头为19.16 m，宜采用4叶片转轮。4叶片灯泡贯流式机组转轮参数范围见表1。

2.3 额定水头选择

孤山水电站装机容量180 MW，正常蓄水位177.23 m，死水位175 m。水电站正常蓄水位受上游白河电站衔接尾水位控制，尾水位受丹江口水庫回水顶托影响。

2.3.1 水头分布特点

考虑丹江口水库顶托影响，孤山电站发电水头

分布规律如下：发电水头在11 m以下出现的次数较少，占长系列比例约10%，16～17 m出现次数最多，占长系列的比例为21.55%，18 m以上出现的次数较少，占长系列的比例为2.55%。

总体来看，水头分段占比呈正态分布，即低水头段（小于11 m）和高水头段（大于18m）出现概率低，中间水头段（12～18 m）出现概率较高，尤以16～17 m水头段出现概率最高，13 m以上水头出现的概率为76%，14 m以上水头出现的概率为67%，15 m以上水头出现的概率为54%。孤山水电站水头分布情况见图1。

2.3.2 电量分布特点

从各水头段的发电量分布来看，发电量主要集中在12～17 m水头段，占总电量的比例为77.28%；低水头段（＜12 m）和高水頭段（＞17 m）的电量占总电量的比例较少，分别为14.86%和7.86%；14～15 m水头段电量占总电量的比例最高，为19.44%；电量次高水头段为16～17 m，占总电量的比例约为16.37%。根据长系列径流调节计算结果，孤山水电站各水头段发电量所占比重见图2。

2.3.3 额定水头比较

（1） 水头保证率分析。

综合考虑孤山水电站水头变化特性、电量分布情况与上游白河电站的流量匹配以及下游丹江口水库的顶托分析，初选13.0，13.3，13.6，13.9 m和14.2 m共5个方案进行技术经济比选。相应的水头保证率分别为75.66%，

72.7%，70.0%，67.3%及64.0%。额定水头13.0 m水头保证率最高，额定水头13.3 m和13.6 m水头保证率居中，额定水头14.2 m水头保证率最低，见图3。

（2） 机组参数分析。

额定水头13.0，13.3，13.6，13.9 m和14.2 m方案对应的水轮机转轮直径分别为6.9，6.8，6.7，6.6 m和6.5 m，均在国内现有已投运灯泡贯流式机组转轮直径范围内，对应的额定比转速分别为816.4，793.4，771.6，750.8，731.0 m·kW，额定比速系数分别为2 943，2 893，2 845，2 799和2 755，参数水平相近。通过调查统计，国内外已建同类型电站额定水头与最大水头的比值为0.692～0.889。孤山水电站各额定水头方案比值见表2。从机组的运行稳定性来看，高额定水头方案13.9 m和14.2 m方案较好，额定水头13.0 m机组运行稳定性稍差。

（3） 动能指标分析。

随着额定水头抬高，电站受阻的时间和受阻容量相应增多，额定水头13.0，13.3，13.6，13.9 m和14.2 m方案年平均受阻概率分别为7.4%，9.0%，10.0%，11.3%，12.6%。额定水头14.2 m方案受阻概率最大，额定水头13.0 m和13.3 m受阻概率较小。根据能量指标分析，随着额定水头提高，多年平均发电量随之减少。额定水头14.2 m多年平均发电量最少，额定水头13.0 m和13.3 m多年平均发电量较多。

（4） 梯级电站调度匹配。

孤山水电站上游为白河水电站，各额定水头方案机组满发流量分别为1 576.7，1 541.2，1 507.2，1 474.8，1 443.6 m3/s。额定水头13.0，13.3 m与上游白河电站流量匹配关系较好，额定水头14.2 m则较差。综合考虑水头保证率、受阻容量、多年平均发电量、工程投资以及与上游白河电站的流量匹配等因素，推荐额定水头为13.3 m。

2.4 水轮机参数选择

2.4.1 比转速

水轮机比转速ns及比速系数K值是体现水轮机综合技术经济水平的重要特征参数，选择合适的水轮机比转速以及比速系数有助于提高水轮机的效率，减小机组尺寸，减少空蚀现象［6-7］。表3为统计公式计算的额定水头为13.3 m情况下比转速与比速系数，表4为国内外已投运的15～20 m水头段的灯泡贯流式水轮机主要参数。

综合分析表3以及表4数据可知：① 与本电站同等水头段的灯泡贯流式水轮机的比速系数一般在2 600～3 100范围内，平均值为2 958.8。比转速一般为670～890 m·kW，平均值为792.8 m·kW；② 根据统计公式计算，孤山水电站水轮机比转速范围为685.5～850.0 m·kW，比速系数为2 500～3 100［8］。根据本电站水轮机运行水头范围，结合已投运水电站的应用情况和制造厂推荐的技术参数以及统计公式的计算值，拟定本电站水轮机比速系数K值为2 700～3 000，相应比转速为740.4～822.6 m·kW。

2.4.2 单位参数

4叶片转轮（转轮轮毂比取0.38）的轴面流速

Vm=1.489×Q11×H0.5r。按Vm=12～13 m/s考虑，水轮机出力/MW额定水头/m额定流量/（m3·s-1）额定转速/（r·min-1）转轮直径/m额定点效率/%额定点比转速/（m·kW）比速系数水轮机安装高程/m水轮机总重量/t

46.1513.3385.393.86.892793.42893147.3750单位流量Q11=2.21～2.39 m3/s；按Vm=12.5 m/s考虑，单位流量Q11=2.3 m3/s。根据统计公式计算的孤山水电站水轮机单位参数见表5。

根据上述比转速水平及单位参数的匹配要求，结合电站水轮机的运行水头范围，考虑已开发的模型水轮机单位参数水平、国内外同水头段贯流式水轮机现状、制造厂推荐的技术参数、统计公式的计算值等因素，推荐水轮机额定工况下的使用单位流量在2.3 m3/s左右、单位转速在170 r/min左右。

2.4.3 效 率

国内外部分已运行的灯泡贯流式水轮机额定效率大部分为90.5％～93.0%，最高效率为94.5％～96％，部分制造厂为本电站提出的机组方案中，额定效率为92.5%～94.6%，最优工况原型效率为94.0%～95.6%。

根据国内外转轮研发水平，4叶片转轮模型最优效率大多已超过93.0％。因此，本电站4叶片水轮机模型预期最优效率应不低于93.0％，模型水轮机额定点效率不低于90.5％，水轮机效率修正值暂取1.5%，相应原型水轮机额定点效率为92.0％，原型最高效率为94.5%。

2.4.4 空化系数

水轮机空化系数越小，空化性能越好，水轮机装机高程也越高，有利于减小厂房土建开挖量、降低水电站的土建费用。水轮机空化系数应尽可能小，根据同水头段水轮機的实际应用情况，水轮机额定点临界空化系数在1.26左右，相应的装置空化系数不小于1.7。

3 机组选型结果

综合上述参数选择原则，对水轮机进行选型计算，结合电站经济技术指标及上游白河水电站、下游丹江口水库调度等因素，选定孤山水电站水轮机组主要参数，详见表6。电站实际运行结果表明，机组主要技术参数选择合适，电站运行稳定性好，机组效率满足要求。

4 结 语

本文针对孤山水电站运行特性，结合上游白河水电站机组调度运行情况，以及下游丹江口水库水位顶托作用，对孤山水电站水轮机组参数选择进行分析讨论。水电站实际运行数据与结果表明：机组参数选择合理，机组运行效率、运行稳定性等各类指标均达到或优于合同要求，选择参数水平合适，可为同类型贯流式水电站设计提供借鉴。

参考文献：

［1］ 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.

［2］ 沙锡林.贯流式水电站［M］.北京：中国水利水电出版社，1999.

［3］ 梁章堂，胡斌超.贯流式水轮机的应用与技术发展探讨［J］.中国农村水利水电，2005（6）：89-91.

［4］ 杨晓林.低水头径流式水电站额定水头选择［J］.人民长江，2009，40（2）：43-45，52.

［5］ 黎中原，杨建东，李进平.水轮机比转速与额定水头统计方法探讨［J］.水电能源科学，2008，26（4）：163-165.

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［7］ 赵林明，张变梅.贯流式水轮机比转速的统计分析［J］.水力发电，2012，38（6）：60-61.

［8］ 余永清，吴亚军，陈瑞瑞，等.重力场对贯流式水轮机性能的影响预测［J］.人民长江，2020，51（1）：221-224，248.

（编辑：唐湘莤，张 爽）

Research on unit selection design of Gushan Navigation and Hydropower Project

CHEN Sheng，ZHENG Taoping，PENG Zhiyuan，WANG Hao

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to select the reasonable parameters of the turbine generator set of Gushan Hydropower Station，the head distribution characteristics and operation mode of the station were studied，and the influence of Danjiangkou Reservoir water level change on the jacking of Gushan Hydropower Station was determined.According to the distribution frequency of water head and the distribution characteristics of electricity quantity in the power station，the rated water head and the main performance parameters such as unit specific speed and various unit parameters was selected.The actual operation results of the power station indicate that the selection of unit parameters is reasonable，and various indicators such as unit operation efficiency and stability meet or exceed the contract requirements，ensuring the safe and stable operation of hydraulic turbine generator units and the dispatching requirements of cascade power stations，providing reference for the selection of large and medium-sized tubular turbine generator units．

Key words：

bulb tubular turbine units； rated head； unit parameter； unit selection and design； Gushan Navigation and Hydropower Project