馬國(guó)強(qiáng)，劉建華，劉國(guó)峰

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710065）

烏弄龍水電站位于云南省迪慶州維西縣巴迪鄉(xiāng)境內(nèi)，為瀾滄江上游河段規(guī)劃7個(gè)梯級(jí)中的第2級(jí)電站，其正常蓄水位1 906.00 m，總庫(kù)容27 188萬(wàn)m3，為日調(diào)節(jié)水庫(kù)。電站水頭范圍72.3～92 m，額定水頭81 m，電站裝機(jī)3×330 MW，年發(fā)電量44.27億 kW·h。

1 水輪機(jī)模型主要參數(shù)選擇

1.1 比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)k

比轉(zhuǎn)速ns是表征水輪機(jī)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合特性的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它綜合反映了水輪機(jī)的能量、空化、水力穩(wěn)定性等特性，也反映了不同國(guó)家、地區(qū)、不同年代的水輪機(jī)設(shè)計(jì)和制造水平。提高水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速ns可以提高機(jī)組轉(zhuǎn)速，從而減少水輪發(fā)電機(jī)組的尺寸，減小機(jī)電設(shè)備及土建投資。但是，過(guò)度提高比轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)的空蝕、泥沙磨損及壓力脈動(dòng)等性能惡化，最優(yōu)效率降低，高效率運(yùn)行工況區(qū)變窄，反而達(dá)不到提高綜合性能的目的。

因此，比轉(zhuǎn)速的選取，不應(yīng)過(guò)于追求高比轉(zhuǎn)速，而應(yīng)將水輪機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性放在首位。

烏弄龍水電站水輪機(jī)屬大型混流式機(jī)組，可采用統(tǒng)計(jì)法尋求水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns、比速系數(shù)K與額定水頭Hr之間的函數(shù)關(guān)系。

首先可以采用經(jīng)驗(yàn)或統(tǒng)計(jì)公式來(lái)表征ns與 Hr間的關(guān)系，見(jiàn)表1。

可見(jiàn)，利用以上各式計(jì)算得到的ns值落在一個(gè)較大的范圍內(nèi)，說(shuō)明各國(guó)、各公司對(duì)水輪機(jī)參數(shù)的選擇不近相同，但大多處于220～255（m·kW制）區(qū)間內(nèi)。上述推薦式計(jì)算的ns的平均值為240.7（m·kW制），相應(yīng)的比速系數(shù)k為2 166。

圖1中的曲線ns=2 357/Hr0.538是在統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)外大量已建大型水電站的基礎(chǔ)上做出的統(tǒng)計(jì)回歸曲線，具有一定的普遍性和參考價(jià)值。另外一條ns=47 406/（Hr+108.5）曲線是在考慮了水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的發(fā)展趨勢(shì)做出的，位于統(tǒng)計(jì)電站的外包絡(luò)線位置。所統(tǒng)計(jì)的這幾座大型水電站，由于年代較近，應(yīng)該說(shuō)，在相當(dāng)程度上反映了水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的當(dāng)前水平。

表1 比轉(zhuǎn)速與比速系數(shù)統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果

圖1 大中型混流式水輪機(jī)水頭與比轉(zhuǎn)速關(guān)系統(tǒng)計(jì)曲線

根據(jù)本電站水頭參數(shù)，由圖1得到水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速：Hr=81 m時(shí)，ns=221.6～250.2 （m·kW制）， 相應(yīng)的比轉(zhuǎn)速系數(shù)k=1 994～2 252。

同時(shí)也統(tǒng)計(jì)了單機(jī)容量為300 MW以上已建和在建電站部分水輪機(jī)參數(shù) （此處略）。其大多數(shù)比速系數(shù)K值在2 200左右，對(duì)應(yīng)的本電站額定水頭時(shí)的比轉(zhuǎn)速為244（m·kW制）左右，與表1統(tǒng)計(jì)公式及圖1統(tǒng)計(jì)曲線計(jì)算值基本相近。

由于烏弄龍水電站多年平均入庫(kù)含沙量較小，因此，比轉(zhuǎn)速選擇時(shí)可不考慮泥沙磨損對(duì)水輪機(jī)的影響。另外，該電站水頭變幅 （Hmax/Hmin=1.22）不大，機(jī)組運(yùn)行條件較好，比轉(zhuǎn)速可以適當(dāng)提高。當(dāng)然，應(yīng)優(yōu)先保證水輪發(fā)電機(jī)組能夠安全穩(wěn)定的運(yùn)行。

綜合以上統(tǒng)計(jì)及分析，本電站比轉(zhuǎn)速選擇范圍宜取240（m·kW制）左右，相應(yīng)的比速系數(shù)K為2160左右。

1.2 單位轉(zhuǎn)速和單位流量

比轉(zhuǎn)速的高低是由單位轉(zhuǎn)速、單位流量和效率3個(gè)參數(shù)決定的。即，比轉(zhuǎn)速隨著單位轉(zhuǎn)速、單位流量和效率的增加而增加。其中，由于效率值變化不大，對(duì)轉(zhuǎn)速的影響較小，因此比轉(zhuǎn)速的高低主要受單位轉(zhuǎn)速和單位流量的影響，特別以單位轉(zhuǎn)速對(duì)比轉(zhuǎn)速的影響最大。

近年來(lái)各制造廠對(duì)這幾個(gè)參數(shù)間的關(guān)系也都進(jìn)行了一定的探索。

當(dāng)取ns=240（m·kW制）時(shí)，n11=77.8 r/min；若取 ηt=92.5%， 則 Q11=1.05 m3/s。

東方電機(jī)廠推薦公式：n11=50+0.11 ns，Q11=0.1 134（ns/n110）2

當(dāng) ns=240（m·kW 制）時(shí)， n11=76.4 r/min， Q11=1.12 m3/s。

國(guó)內(nèi)外與烏弄龍水電站相近水頭段水電站額定點(diǎn)單位轉(zhuǎn)速與單位流量統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其額定點(diǎn)單位轉(zhuǎn)速與單位流量均處于一個(gè)較大的范圍內(nèi)Q11為0.85～1.2 m3/s， n11為 72.9～84.9 r/min。 Q11平均值為 1.07 m3/s， n11平均值為79.1 r/min，與以上廠家推薦公式計(jì)算值相近。

根據(jù)以上計(jì)算分析及電站統(tǒng)計(jì)結(jié)果，像烏弄龍這樣的大型水電站，單位轉(zhuǎn)速宜選在75～79 r/min之間；單位流量宜選在1.05～1.12 m m3/s之間。

1.3 空化系數(shù)

據(jù)本電站水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速為240（m·kW制），按有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式統(tǒng)計(jì)計(jì)算空化系數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 水輪機(jī)空化系數(shù)

考慮到烏弄龍水電站多年入庫(kù)平均含沙量0.82 kg/m3，懸移質(zhì)中值粒徑為0.015 mm，電站的泥沙問(wèn)題不突出，預(yù)計(jì)上游電站蓄水后，過(guò)機(jī)水流含泥沙狀況會(huì)進(jìn)一步改善。但從有利于機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的角度出發(fā)，裝置空化系數(shù)的選取也不宜太小，并考慮到電站對(duì) “無(wú)空化運(yùn)行”趨勢(shì)的要求,一方面需采用先進(jìn)的CFD對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片的通道進(jìn)行充分的優(yōu)化處理，使壓力分布和速度分布更合理，減小空化；另一方面，由于烏弄龍水電站采用的是地下廠房，因此降低機(jī)組安裝高程對(duì)地下廠房土建工程量影響相對(duì)較小，如果巖石地質(zhì)條件允許，應(yīng)考慮盡量滿足水輪機(jī)的吸出高度。

參考以上統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，要求烏弄龍水電站水輪機(jī)裝置空化系數(shù)σp不大于0.19，相應(yīng)的轉(zhuǎn)輪模型臨界空化系數(shù)不大于0.118，空化安全系數(shù)值取1.6。

2 水輪機(jī)真機(jī)主要參數(shù)選擇

2.1 額定轉(zhuǎn)速

根據(jù)以上目標(biāo)參數(shù)選擇，初步計(jì)算本電站轉(zhuǎn)輪直徑D1=6.8 m。因此，根據(jù)計(jì)算可供選擇的額定轉(zhuǎn)速nr有93.75、100 r/min及107.1 r/min。各額定轉(zhuǎn)速方案比選結(jié)果可以看出：隨著轉(zhuǎn)速的提高，發(fā)電機(jī)尺寸和質(zhì)量可以明顯減小，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。而107.1 r/min方案的轉(zhuǎn)速較高，使得比轉(zhuǎn)速（256）、 比速系數(shù) （2 304）、 單位轉(zhuǎn)速 （80.92） 等均超過(guò)烏弄龍水電站參數(shù)選擇目標(biāo)值的上限，100 r/min方案的比轉(zhuǎn)速 （239）、 單位轉(zhuǎn)速 （75.56） 均與烏弄龍水電站目標(biāo)參數(shù)值接近，且運(yùn)行區(qū)域合適，故從有利于保證機(jī)組的穩(wěn)定性考慮，烏弄龍水電站選擇機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為100 r/min。相應(yīng)發(fā)電機(jī)磁極數(shù)2p=60，發(fā)電機(jī)按對(duì)稱繞組常規(guī)電磁設(shè)計(jì)，并聯(lián)支路數(shù)可選2、4、5、6…。經(jīng)過(guò)對(duì)不同額定電壓并聯(lián)支路數(shù)、槽電流等比較后，本階段發(fā)電機(jī)額定電壓選用18 kV，并聯(lián)支路數(shù)取為4，槽電流為5 880 A。

2.2 安裝高程

混流式水輪機(jī)遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)，會(huì)產(chǎn)生脫流和渦帶，引發(fā)機(jī)組甚至相鄰水工建筑物的振動(dòng)，并可能產(chǎn)生疲勞破壞，如葉片裂紋、尾水管壁斷裂等。這些都引起了設(shè)計(jì)和制造行業(yè)的普遍關(guān)注。所以在大型混流機(jī)組設(shè)計(jì)選型時(shí)，應(yīng)該把水輪機(jī)的穩(wěn)定性與其能量指標(biāo)、空蝕性能一并作為選擇水輪機(jī)選擇的三大要素來(lái)綜合考慮。

機(jī)組安裝高程的確定受到水輪機(jī)空蝕、尾水管空腔渦帶、大軸自然補(bǔ)氣、水輪機(jī)效率等諸多因素互相關(guān)聯(lián)和制約。國(guó)內(nèi)一般認(rèn)為：混流式水輪機(jī)采用較大的吸出高度，可以降低空化并減少水輪機(jī)的壓力脈動(dòng)值，對(duì)提高水輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行有益。表3為烏弄龍水電站下游尾水位與流量關(guān)系。

表3 尾水位-流量關(guān)系

由于下游里底水電站建設(shè)要先于烏弄龍電站，且存在下游里底水電站死水位時(shí)烏弄龍水電站發(fā)電的情形，根據(jù) 《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)安裝高程的設(shè)計(jì)原則，故烏弄龍水電站設(shè)計(jì)尾水位按1臺(tái)機(jī)運(yùn)行、下游里底水電站死水位回水時(shí)的下游水位 （1 815.40 m）來(lái)確定水輪機(jī)的安裝高程。

根據(jù)轉(zhuǎn)輪模型目標(biāo)參數(shù)推薦的結(jié)果，烏弄龍水電站裝置空化系數(shù)σp應(yīng)不大于0.19，模型臨界空化系數(shù)要求不大于0.118，空化安全系數(shù)值取1.6。同時(shí)，也要考慮水輪機(jī)吸出高度對(duì)機(jī)組補(bǔ)氣的影響，烏弄龍水電站水輪機(jī)安裝高程最終確定為1 807.5 m，相應(yīng)的吸出高度為-7.9 m，反算電站空化安全系數(shù)Kσ約為1.63，有足夠的安全余量。

3 結(jié)語(yǔ)

烏弄龍水電站水輪機(jī)主要參數(shù)的選擇均以機(jī)組能夠長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行為前提條件，并結(jié)合了該電站的實(shí)際情況，參照了國(guó)內(nèi)同類(lèi)型電站的參數(shù)，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)公式進(jìn)行計(jì)算選取，基本保證了機(jī)組的能量指標(biāo)、穩(wěn)定性指標(biāo)和綜合性能均保持在較為先進(jìn)的水平。