許 麗

(成都市水利電力勘測設(shè)計(jì)院，成都，610031)

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電工技術(shù)

水電站水輪機(jī)的設(shè)計(jì)選型

許 麗

(成都市水利電力勘測設(shè)計(jì)院，成都，610031)

水電站的安全運(yùn)行與水輪機(jī)選擇、機(jī)組的運(yùn)行區(qū)域有著極為重大的關(guān)系，極端惡劣的不穩(wěn)定工況的發(fā)生將對電站的安全造成威脅。本文以兩個(gè)電站實(shí)際選型設(shè)計(jì)為例，說明在設(shè)計(jì)時(shí)要注意的問題。

水輪機(jī) 選型 運(yùn)行 穩(wěn)定

水輪機(jī)的安全運(yùn)行與水輪機(jī)選擇、機(jī)組的運(yùn)行區(qū)域有著極為重大的關(guān)系。我國水輪機(jī)基本技術(shù)條件GB/T15468-2006中“5.4水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍”規(guī)定：①在空載情況下應(yīng)能穩(wěn)定地運(yùn)行；②在最大和最小水頭范圍內(nèi)，水輪機(jī)應(yīng)在表1所列功率范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 水輪機(jī)保證功率范圍

水輪機(jī)在設(shè)計(jì)選型和運(yùn)行時(shí),應(yīng)考慮避開各類壓力脈動、振動、擺度、噪音區(qū)域，使之能夠在較優(yōu)范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。本文介紹如下。

1 水輪機(jī)的設(shè)計(jì)選型

1.1 水輪機(jī)選型的方法

要確保水輪發(fā)電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定，首先要在水輪機(jī)選擇上引起重視。建設(shè)電站項(xiàng)目有以下方式選擇水輪機(jī)：(1)查選已有的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪綜合特性表及轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線。這種方式多用于中小型機(jī)組的電站(本文按此作論述)；(2)部分的模型試驗(yàn)。為適應(yīng)在建電站情況，與設(shè)備制造廠家聯(lián)合，在已有轉(zhuǎn)輪上進(jìn)行改型并在模型試驗(yàn)臺上試驗(yàn)(中型機(jī)組的電站較多采用)；(3)全模擬模型試驗(yàn)。完全按電站參數(shù)設(shè)計(jì)新轉(zhuǎn)輪，并在模型試驗(yàn)臺上進(jìn)行試驗(yàn)(大型機(jī)組的電站多采用)。

從已有的轉(zhuǎn)輪綜合特性表及曲線中選擇機(jī)組，應(yīng)遵循以下原則：

(1)必須充分考慮電站特點(diǎn)、水文和水能條件、電力系統(tǒng)的技術(shù)條件等因素；

(2)有利于降低電站的投資額和運(yùn)行費(fèi)用，有利于縮短工期和提前發(fā)電；

(3)應(yīng)使水電站的總效率盡可能高，并盡可能多地利用水能發(fā)電；

(4)應(yīng)有利于水電站的運(yùn)行管理和檢修維護(hù)，使其運(yùn)行安全可靠、設(shè)備經(jīng)久耐用；

(5)應(yīng)優(yōu)先選用生產(chǎn)和經(jīng)過運(yùn)行檢驗(yàn)的機(jī)組，在技術(shù)上和性能上較有把握，對存在的問題可以重點(diǎn)改進(jìn)。

1.2 水輪機(jī)選型的內(nèi)容

水輪機(jī)選型的內(nèi)容包括：確定機(jī)組臺數(shù)和單機(jī)容量；選擇水輪機(jī)型式；選擇水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的標(biāo)稱直徑D1和額定轉(zhuǎn)速nr；對反擊式水輪機(jī)要確定吸出高度Hs，對沖擊式水輪機(jī)還要確定噴嘴數(shù)目Z0及射流直徑d0。

水電站機(jī)組臺數(shù)選擇，與水輪機(jī)類型、電站的水文水能情況有密切的關(guān)系。沖擊式水輪機(jī)效率變化較為平緩，有條件時(shí)可允許采用一臺機(jī)組。定槳式水輪機(jī)的高效率運(yùn)行區(qū)很窄，若采用一臺機(jī)組，當(dāng)電站流量不足而在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，水輪機(jī)的效率急劇下降，造成出力不足且運(yùn)行不穩(wěn)定。所以，當(dāng)電站流量變化較大時(shí)，定漿式水輪機(jī)應(yīng)考慮采用二臺或二臺以上機(jī)組。

水輪機(jī)型式的選擇，是在已知單機(jī)容量和各種特征水頭Hmax、Hmin、Hav、Hr的情況下進(jìn)行的。每種型式的水輪機(jī)都有其適用的水頭范圍，水頭的上限受水輪機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和汽蝕條件限制，原則上不允許超過；水頭下限主要受經(jīng)濟(jì)因素確定。當(dāng)電站水頭處于兩種型式水輪機(jī)的交界區(qū)時(shí)，就應(yīng)結(jié)合電站具體條件進(jìn)行比較來確定。

2 水輪機(jī)選型實(shí)例

2.1 海涯寨電站水輪機(jī)選型

海涯寨水電站是利用墨魚尖水電站工程尾水以及引水渠末端與赤水河的落差而設(shè)計(jì)的引水式電站，主要建筑物包括海水溝取水工程、引水渠、匯水渠、引水埋管、觀音山引水隧洞、前池、壓力管道、主副廠房及升壓站等。電站最大水頭355m，最小水頭330m，加權(quán)平均水頭349m，額定水頭340m。電站所在河道的多年平均流量4.92m3/s，汛期(5～10月)平均流量6.79m3/s，枯期(11～3月)平均流量2.18m3/s。經(jīng)相關(guān)專業(yè)進(jìn)行的計(jì)算分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較、論證，確定該電站裝機(jī)2臺，總?cè)萘繛?4.8MW，長期最大出力32MW，電站設(shè)計(jì)引用流量為9.5m3/s，最大出力時(shí)引用流量為10.8m3/s。

2.1.1 混流式與沖擊式比較

根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有水輪機(jī)選型資料，適合本電站水頭范圍的混流式水輪機(jī)和水斗式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號，主要有HL1050、HLX85、HLC452、HLD381B和CJA475。其中HL1050、HLX85和HLD381B轉(zhuǎn)輪，均是由原克瓦納“E”轉(zhuǎn)輪改型而成，因此下面僅就HLC452、HL1050和CJA475三轉(zhuǎn)輪進(jìn)行計(jì)算、分析、比較。其模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)見表1，對應(yīng)轉(zhuǎn)輪真機(jī)工作參數(shù)見表2。

表1 模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)

表2 為對應(yīng)轉(zhuǎn)輪真機(jī)工作參數(shù)

從表1、2列的方案看，由于電站所處水頭、流量以及裝機(jī)容量較為特殊，各方案都不十分理想，其優(yōu)缺點(diǎn)分述于下：

(1)混流式方案其設(shè)計(jì)點(diǎn)的額定效率較水斗式方案高，但從整個(gè)實(shí)際運(yùn)行范圍的平均效率看，混流式方案和水斗式方案的能量指標(biāo)幾乎相當(dāng)。由于該電站是年調(diào)節(jié)電站，水斗式機(jī)組更適應(yīng)枯期發(fā)電的能力在此不明顯；

(2)混流式方案機(jī)組的安裝高程要受汽蝕性能影響，廠房基礎(chǔ)開挖較深，土建工程開挖量相對較大；

(3)水斗式方案機(jī)組的安裝高程雖不受汽蝕性能影響，但是該電站受尾水位限制，水斗式機(jī)組設(shè)計(jì)水頭有所減小，從而影響電站總的效益；

(4)混流式方案轉(zhuǎn)速高、體積小、重量輕、投資較?。?/p>

(5)水斗式方案采用四噴嘴或六噴嘴，轉(zhuǎn)輪直徑較大，轉(zhuǎn)速低，設(shè)備噸位重，廠房尺寸大，設(shè)備總投資較混流式的方案高。并且在相對狹小的空間內(nèi)，要布置四噴嘴或六噴嘴，制造難度較大。

相比較而言，混流式方案較優(yōu)。

2.1.2 混流式比較

混流式高水頭段轉(zhuǎn)輪單位轉(zhuǎn)速相差不大，相差較大的是單位流量。

(1)HL1050方案的轉(zhuǎn)輪直徑較大，機(jī)組價(jià)格高，約44萬元。但HL1050方案的額定點(diǎn)效率較高，處于特性曲線的最優(yōu)效率區(qū)域內(nèi)。根據(jù)電站水文和系統(tǒng)今后運(yùn)行情況，電站運(yùn)行區(qū)域基本可以在一個(gè)相對較優(yōu)的范圍內(nèi)，滿足水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行范圍要求；

(2)C452轉(zhuǎn)輪由于單位流量較大轉(zhuǎn)輪直徑較小，轉(zhuǎn)速高，使單位轉(zhuǎn)速偏小，其額定點(diǎn)運(yùn)行效率偏在最優(yōu)工況區(qū)域下方，故而機(jī)組在其它工況運(yùn)行時(shí)均偏離最優(yōu)效率區(qū)域。

綜上所述，該電站裝設(shè)單機(jī)容量為14MW的混流式HL1050水輪發(fā)電機(jī)組為宜。其運(yùn)行范圍見圖1運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線。

圖1 HL1050-LJ-148運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線

2.2 甲米一級電站水輪機(jī)選型

甲米一級水電站位于四川省涼山州鹽源縣，為鹽塘河干流甲米河段梯級開發(fā)中的第一級，由首部樞紐、引水系統(tǒng)和廠區(qū)樞紐等建筑物組成。電站為引水式，發(fā)電的同時(shí)兼顧下游生態(tài)環(huán)境用水要求。

電站水頭變幅88m～104m，額定水頭90.0m。根據(jù)動能經(jīng)濟(jì)計(jì)算分析并結(jié)合有關(guān)選型資料，確定電站裝機(jī)3臺，單機(jī)容量為12MW，總裝機(jī)容量36MW。據(jù)國內(nèi)現(xiàn)有水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪選型資料，適合本電站水頭范圍可供選擇的水輪機(jī)機(jī)型只有混流式。

雖然待選轉(zhuǎn)輪較多，經(jīng)初步篩選后相對優(yōu)秀的轉(zhuǎn)輪主要有HLA630、HLD271、HLA743、HLA885等幾種，主要參數(shù)見表3。

為便于比較，表4列出了表3中各對應(yīng)轉(zhuǎn)輪的真機(jī)工作參數(shù)。

表3 模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)

表4中所列各轉(zhuǎn)輪的能量指標(biāo)都不錯(cuò)，但空蝕性能卻相差較大?，F(xiàn)將其優(yōu)缺點(diǎn)分述于下：

(1)HLA630是哈爾濱大電機(jī)研究所研制的系列優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪，其優(yōu)點(diǎn)是效率高(94.7%)，單位轉(zhuǎn)速(72r/min)適中，限制工況單位流量較大(0.95m3/s)，機(jī)組超發(fā)能力強(qiáng)，限制工況空蝕系數(shù)小(0.07)，工況點(diǎn)好，高效率區(qū)域?qū)?，運(yùn)用廣泛，經(jīng)驗(yàn)豐富，是一個(gè)比較合適該電站的優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪。但是，電站要求超發(fā)出力到15MW，該轉(zhuǎn)輪達(dá)不到要求；

(2)HLD271是東方電機(jī)廠研制的優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪，單位轉(zhuǎn)速(69r/min)適中、限制單位流量(1.1m3/s)大，運(yùn)行工況效率高為93.5%，并且空蝕系數(shù)較小，工況點(diǎn)好，高效率區(qū)域?qū)?，運(yùn)用廣泛，經(jīng)驗(yàn)豐富，可作為本電站機(jī)組待選的一個(gè)優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪；

(3)HLA743是哈爾濱大電機(jī)研究所研制的系列轉(zhuǎn)輪之一，優(yōu)點(diǎn)是適用水頭最接近本電站實(shí)際情況，運(yùn)用較為廣泛，運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)相對豐富，但在本電站額定工況點(diǎn)效率不高(91.5%)，且設(shè)計(jì)點(diǎn)偏離最優(yōu)工況點(diǎn)較遠(yuǎn)；加之該轉(zhuǎn)輪空蝕系數(shù)點(diǎn)離散，不規(guī)則，本電站額定工況時(shí)導(dǎo)葉開度為21°、單位轉(zhuǎn)速為68.5r/min，此時(shí)對應(yīng)的空蝕系數(shù)為0.1，Hs的計(jì)算結(jié)果為-4.5m?？梢娡两ㄍ顿Y大，不劃算，故不推薦；

(4)HLA885也是哈爾濱大電機(jī)研究所研制的系列優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪，其特點(diǎn)是效率高(95.18%)，單位轉(zhuǎn)速(68r/min)較小，限制工況單位流量較小(0.77m3/s)，機(jī)組超發(fā)剛到15MW，限制工況空蝕系數(shù)較大(0.103)。由于該轉(zhuǎn)輪在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)單位轉(zhuǎn)速較小，使水輪機(jī)過機(jī)流速相對較低，本電站過機(jī)泥沙0.85kg/m3，較低轉(zhuǎn)速對機(jī)組長期運(yùn)行有宜。從運(yùn)行區(qū)域來看，該轉(zhuǎn)輪的高效率區(qū)域?qū)?，運(yùn)用廣泛，經(jīng)驗(yàn)豐富，是一個(gè)較為合適該電站的優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪。

水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K是衡量水輪機(jī)能量特性、經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性的綜合性指標(biāo)。為縮小機(jī)組及廠房尺寸，節(jié)省投資，提高電站經(jīng)濟(jì)效益，在可能的條件下，盡可能選擇較高的比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K。比轉(zhuǎn)速ns的提高受水輪機(jī)的強(qiáng)度、空化性能、泥沙磨損、運(yùn)行穩(wěn)定性等因素的制約；比速系數(shù)K要考慮獲得較高的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)還要在水力設(shè)計(jì)中綜合考慮水輪機(jī)的能量指標(biāo)、運(yùn)行效果、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及抗磨蝕性能等。

國內(nèi)電站水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速ns從上世紀(jì)90年代起，自從引進(jìn)國外技術(shù)后有很大提高。由表5可知，本電站水頭段的ns平均值在188mkW左右，而比速系數(shù)K的平均值在1821附近。

表5 國內(nèi)部分中水頭段混流式水輪機(jī)參數(shù)

鑒于本電站機(jī)組單機(jī)容量較小，制造商不會為此機(jī)組作專門的試驗(yàn)研究，因此比速系數(shù)K的選擇不宜過高。按所選HLA885計(jì)算，甲米一級電站水輪機(jī)選用的額定轉(zhuǎn)速為428.6r/min，對應(yīng)的比轉(zhuǎn)速ns為172m·kW，比速系數(shù)K為1632。根據(jù)以上分析，該比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K選擇基本合理。

綜上所述，由于HLA885具有適合本電站運(yùn)行參數(shù)的條件和較優(yōu)且相對穩(wěn)定的運(yùn)行區(qū)域，因此電站選擇HLA885-LJ-155型水輪機(jī)。

HLA855機(jī)組運(yùn)行范圍和工作特性曲線見圖2所示。

圖2 A855-37.4模型特性曲線

3 電廠運(yùn)行

水輪機(jī)的模型與真機(jī)做不到穩(wěn)定性的完全相似，同一電站不同機(jī)組的布置也有差別，各機(jī)組在穩(wěn)定性方面的表現(xiàn)必然有所不同。電站機(jī)組投入運(yùn)行后能有一些動應(yīng)力測試、水壓力脈動測試、噪音測試等，可以分析電站運(yùn)行參數(shù)與機(jī)組情況，為電站劃分運(yùn)行區(qū)、擴(kuò)大穩(wěn)定運(yùn)行范圍提供依據(jù)。

表6、表7數(shù)據(jù)是甲米一級電站運(yùn)行后機(jī)組在各種工況下所測振擺值，均在規(guī)范所要求的范圍之內(nèi)。

表6 甲米一級電站1#機(jī)組帶負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果 單位：μm

表7 甲米一級電站3#機(jī)組帶負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果 單位：μm

近幾年對于新設(shè)計(jì)的電站均有對運(yùn)行區(qū)域的要求，要求電站業(yè)主按照水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定范圍運(yùn)行，并設(shè)置振擺監(jiān)測裝置監(jiān)控機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行情況，時(shí)刻注意電站的安全，避免事故發(fā)生。

4 機(jī)組設(shè)計(jì)和運(yùn)行的注意事項(xiàng)

(1)應(yīng)優(yōu)化轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)，避“強(qiáng)振”運(yùn)行，減小“不推薦運(yùn)行區(qū)”的運(yùn)行時(shí)間；

(2)重視水電站機(jī)電設(shè)備的檢修與維護(hù)，老化設(shè)備要及時(shí)更換。當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)異常情況時(shí)(例如擺度、振動、噪聲、溫度等)，必需停機(jī)查明原因，及時(shí)消除故障隱患；

(3)對目前電站使用的各類控制軟件進(jìn)行復(fù)核，及時(shí)更新，提高電站的自動化系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)的水平，確保機(jī)組安全、可靠運(yùn)行，確保控制指令的準(zhǔn)確性和可靠性，并加強(qiáng)電站控制軟件的管理；

(4)設(shè)置機(jī)組主閥斷電時(shí)的安全關(guān)閉措施。在壩頂建立自動投運(yùn)的備用電源，供電站壩段和溢流壩段閘門的運(yùn)行機(jī)械以及其他用于保證水工建筑物安全的機(jī)械用電。在中控室設(shè)置投放壓力鋼管事故-檢修閘門的備用電源和控制鍵。設(shè)備及其電源線路的運(yùn)用、連接、管理、操控和保護(hù)必須防塵、防水。電站設(shè)計(jì)應(yīng)考慮工作人員必要的逃生防護(hù)設(shè)施和緊急疏散出口；

(5)加強(qiáng)運(yùn)行人員培訓(xùn)，嚴(yán)格運(yùn)行管理，避免人為因素導(dǎo)致事故發(fā)生。

許 麗(1963.12-)，女，大學(xué)本科，高級工程師，成都市水利電力勘測設(shè)計(jì)院水機(jī)金結(jié)室主任，一直從事水電站和泵站的水力機(jī)械設(shè)計(jì)工作。

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2095-1809(2015)01-0053-05