SK 水电站超高水头高效率冲击式水轮机关键参数选择

2023-09-21张士杰

水电站机电技术 2023年8期

刘利，杨旭，张士杰

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）

0 工程背景

中巴经济走廊能源类优先发展项目——巴基斯坦苏基克纳里（SukiKinari）水电站工程（简称“SK 水电站”），由中国能建葛洲坝集团投资、建设、运营并移交巴基斯坦。发电引水系统总长接近24 km，电站最高水头922.7 m，单机容量221 MW，电站装机容量884 MW，电站厂房为地下布置形式，埋深400 m。

SK 水电站是迄今为止中国企业在境外绿地投资的最大水电项目；也是我国截至目前无论在国内，还是走向国际市场以来，所承担勘测、设计、施工、研究单机容量最大、发电水头最高、大埋深地下厂房、大容量冲击式水力发电站。在葛洲坝集团与巴基斯坦方SKHydro 签订的合同中规定，要求水轮机额定效率达到93.12%、最高效率达到93.13%、加权平均效率达到92.78%。水轮机作为电站的核心设备，既要解决多泥沙带来的通流部件泥沙磨蚀问题，又要保证其高效率运行。因此，无论从工程设计、设备结构、材料选择、加工制造、后期运行维护检修等方面，都具有相当大的挑战和技术难度。

基于以上工程背景，项目组在工程设计阶段就水轮机加工制造难度、效率水平等方面进行了调查研究，并在水轮机设备招标后，对招标文件所规定各项性能参数进行了模型试验验证。

1 冲击式水轮机国内外相关概况及发展趋势

1.1 国外

高水头、大功率冲击式水轮机在国外, 尤其在欧洲具有较高的制造水平，并在世界上处于绝对的领先地位。其主要研制成果表现在如下几方面：水力模型研发、水斗型线与配水喷嘴系统设计、关键部件结构强度计算与疲劳分析、材料应用、结构设计、部件锻造、多坐标数控加工制造工艺等方面。尤其在水力模型设计、研发和实验上，积累有丰富的经验和技术。最为典型的例如瑞士Bieudon 电站，最高水头达到1 883 m，单机容量达到423 MW。

1.2 国内

我国水斗式水轮机发展起步较晚, 发展历史大致可以分为3 个阶段：60 年代以前是从无到有阶段, 其特点是仿制国外技术，技术落后且使用性能较差；从60 年代开始为独立设计阶段，主要依靠设计人员在收集国外资料和总结国内电站的实践经验的基础上进行冲击式机组的开发。产品性能虽有所改善，但仍较落后；从70 年代末开始, 进入新的发展时期，随着研发和制造水平的发展，国内在机组的稳定性、不锈钢转轮铸造技术等方面也取得了重要进展，并成功应用在多个中小容量电站中。例如广西天湖生产的水头1 074 m、单机容量15 MW 的冲击式机组，是目前我国及亚洲独立研发、设计、生产制造的最高水头机组。

1.3 发展趋势

（1）制造水平

冲击式水轮机的制造难度与运行最高水头和转轮直径息息相关。通常情况下，冲击式水轮机运行水头越高、转轮直径越大，转轮部件受强度限制所需材料在强度、厚度等方面的要求就越高，水轮机的制造难度也越大。通常用D12Hmax来表征水轮机的制造难度系数[1]。笔者对国内外单机额定出力超过120 MW 冲击式水轮机制造难度系数统计见表1[2]。从图1 可知，随着水头和转轮直径的增加，水轮机制造难度基本呈直线上升趋势。

图1 冲击式水轮机水头-转轮直径-制造难度系数（单机容量≥120 MW）

表1 国内、外部分冲击式水轮机（单机容量≥120 MW）制造难度系数表

（2）效率水平

水轮机效率是水轮机能量特性的重要指标，是电站长期经济运行的关键参数，且直接影响电站的发电效益。近些年国内、外已建设的部分代表性的冲击式电站水轮机能达到的效率值统计见表2。

表2 国内、外部分代表性电站冲击式水轮机达到的效率值

2 水轮机主要参数确定

2.1 单喷嘴比转速[3，4]

比转速是水轮机的重要特征参数之一，冲击式水轮机通常用单喷嘴比转速来表征水轮机的综合经济技术水平。由于SK 水轮机发电水头属于超高水头，因此必须重视对冲击式水轮机叶斗的空蚀问题。根据挪威水轮机制造厂在高水头冲击式水轮机方面的选型经验，可按图2 中的曲线选择单喷嘴比转速，即不超过曲线2 的水平可避免汽蚀破坏。在这条曲线限制之下，应根据水头与流量以获得尽可能高的比转速来决定比转速ns1与喷嘴数目。但在过机泥沙含量较高的运行工况下，则应适当降低比转速，减少喷嘴，增大水斗的尺寸。

图2 “免汽蚀”曲线

图3 水头-转速-单喷嘴比转速关系（额定水头≥650 m）

图4 额定水头不同喷嘴水轮机试验效率（模型转换）

从图2 中可以得到，当SK 电站额定水头Hr为859.2 m 时，按照曲线1，ns1只能取到10.8 m·kW，水平太低；而按照曲线2，ns1取值不宜超过17.4 m·kW。也就是说，SK 电站单喷嘴比转速选择范围为ns1=10.8～17.4 m·kW。

世界上（包括国内及国外）部分已投入运行的最高水头在650 m及以上冲击式水轮机ns1统计如表3。

表3 国内、外部分代表性电站冲击式水轮机（额定水头≥650 m）ns1 统计表

参考其它国内、外冲击式水轮机参数水平及“免汽蚀”曲线2，考虑到SK 电站存在的泥沙磨蚀因素，SK 电站单喷嘴比转速推荐选择范围为ns1=11.7～17.4 m·kW。

2.2 喷嘴数

根据表3 统计可得，在水头、单机容量和转速接近的电站中，以6 喷嘴水轮机占大多数，有个别水轮机为5 喷嘴，并结合经验公式，SK 电站水轮机可选嘴数为5 个或6 个。

多泥沙电站冲击式水轮机，在单喷嘴比转速确定的情况下，喷嘴数量的选择直接影响水轮机比转速的选择，进而影响到水轮机的效率和抗泥沙磨蚀性能。同容量下的水轮机，随着喷嘴数的增多，水轮机比转速提高，额定转速增大，水轮机转轮直径和喷嘴直径相应减小，对降低水轮发电机组投资有利，但最优直径比的减小可能会增加水流间撞击，并引起射流作用方向及射流质点沿斗叶扰流轨迹的改变，造成水轮机效率降低，同时引起斗叶应力增加，影响机组稳定运行。根据经验统计，转轮的整体泥沙磨损量与喷嘴数目成正比，在转速恒定的情况下，喷嘴数增加，则会增加水轮机的泥沙沙磨，从这一角度应减少喷嘴数量。因此，喷嘴数量最终需要结合水轮机单机容量、设计制造水平和工程运行要求综合确定。

通过比较，在相同转速条件下，两种喷嘴数水轮机转轮直径相差不大。虽然6 喷嘴水轮发电机组投资稍高，但其加权平均效率较5 喷嘴高0.4 个百分点，并且喷嘴数越多，对于机组运行过程功率调整更加方便。从收益角度，在电站长期运行过程中，经济指标更优。

根据向制造厂的咨询，无论从设备投资、设备制造难度、发电量和实际工程利用情况看， 6 喷嘴与5喷嘴相比，采用6 喷嘴对SK 工程更有利，因此SK工程水轮机最终采用6 喷嘴方案。

2.3 额定转速

根据前述确定的水轮机单喷嘴比转速，计算可得机组同步转速范围282 r/min～418 r/min，对应的常用转速为300 r/min、333.3 r/min 和375 r/min，3 种转速水轮机制造难度系数分别为15.5、12.6、10.05。当SK 电站水轮机额定转速为375 r/min 时，水轮机转轮直径最小且水轮机制造难度系数最低，而其他转速水轮机的制造难度系数偏大。而转速375 r/min水轮机比转速较高，水轮机易取得更好性能，所以额定转速最终确定为375 r/min。

2.4 效率

针对原ESC 合同提出的效率要求，根据咨询国际知名的几个制造厂对冲击式水轮机从模型到原型效率的修正的不同看法，有的制造厂明确推荐不进行效率修正，而有的制造厂则提出允许修正，但最大修正量一般控制在0.1%～0.4%。

考虑到本电站水头高，发电引水含有一定量泥沙，为防止喷针、口环和斗叶等部件遭受泥沙磨蚀损坏，需要在其水力设计、结构设计和抗泥沙磨蚀保护涂层方面采取综合防护措施，由于喷涂将会引起过流表面粗糙度的变化，对水轮机效率带来一定影响（据经验统计，效率约下降0.5%）。

因此，分析认为现状技术水平下，如维持SK电站在ESC 合同中对水轮机额定效率要求达到93.12%，加权效率要求达到92.78%并保证其长期运行大修保证期的要求，则必须选择在含泥沙水流、高水头、大容量冲击式水轮机方面，具有丰富的研发、设计、制造和供货经验的制造厂。需要制造厂在今后的设计和制造上付出更多努力，特别是在水轮机转轮、口环和喷针采取抗泥沙磨蚀涂层保护措施后，需要认真研究并采取有效措施以降低对效率的影响。

2.5 其他参数确定

根据前面分析并参照ESC 合同规定，最终水轮机主要参数确定如下：

额定流量 28.65 m3/s

额定效率（不低于） 93.12%

额定转速 375 r/min

单喷嘴比转速 17.3m·kW

转轮比转速 38.2m·kW

喷嘴数目 6

水斗数目 23

水斗节圆直径 3.3 m

射流直径 235 mm

3 模型试验验证

3.1 试验验证

鉴于SK 水电站超高水头，水轮机超高效率要求的特殊性，项目组于2019 年在瑞士VEVEY 试验室针对SK 电站研发的冲击式水轮机进行了模型试验。工程研发人员在水力开发过程中，从优化水力性能、提高水轮机效率等角度出发，将水轮机水斗数量从23 调整为22 个。优化后的水轮机单喷嘴比转速达到18.3 m·kW、转轮比转速44.8 m·kW，且水轮机效率相比世界目前最大容量最高效率Bieudron电站冲击式水轮机高出1.03%个百分点，达到93.03%，根据笔者掌握的资料，处于冲击式水轮机最高效率水平。