王洪慶，李小樂

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽550081）

石門水電站水輪機選型設計淺析

王洪慶，李小樂

（中國電建集團貴陽勘測設計研究院有限公司,貴州 貴陽550081）

石門水電站運行水頭范圍為154～234 m，屬于高水頭水電站，此水頭段適合的水輪機最佳型式為混流式水輪機。根據(jù)國內(nèi)外統(tǒng)計公式及資料，并參照國內(nèi)外相近水頭段已建電站的主要參數(shù)，通過綜合分析比較，確定水輪機比轉(zhuǎn)速、比速系數(shù)、單位轉(zhuǎn)速、單位流量和空化系統(tǒng)等機組參數(shù)，選擇合適的模型轉(zhuǎn)輪，并以此作為設計基礎，從而確定電站機組臺數(shù)、額定轉(zhuǎn)速及安裝高程等。本階段與招標后機組參數(shù)的對比情況，以及石門水電站后期的安全穩(wěn)定運行，均表明石門水電站水輪機參數(shù)選擇是合理的，可為高水頭段的水電站水輪機參數(shù)選擇提供設計參考。

混流式；水輪機選型；參數(shù)選擇；高水頭；石門水電站

1 概況

石門水電站位于新疆維吾爾自治區(qū)呼圖壁縣南側(cè)，距縣城公路里程78 km，距昌吉市公路里程116 km，距烏魯木齊市公路里程154 km。電站附近有鐵路和公路交通干線，對外交通十分便利。

石門水電站總裝機容量為95 MW，電站總庫容為7751萬m3，調(diào)節(jié)庫容為7016萬m3。擋水建筑物采用瀝青心墻土石壩，廠房型式為地面式廠房。電站的開發(fā)任務為灌溉、防洪、發(fā)電。其基本參數(shù)見表1。

表1 電站基本參數(shù)表

2 水電站水輪機選型

2.1 型式選擇

石門水電站的正常蓄水位為1240 m，運行水頭范圍在154～234 m之間，額定水頭為211 m。此水頭段適合的水輪機最佳型式為混流式水輪機，因此，推薦選用混流式水輪機。

2.2 機組參數(shù)

2.2.1 比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)

比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)是水輪機的重要參數(shù)之一，是反映水輪機能量特性、經(jīng)濟性和先進性的一個綜合性能指標，同時也反映了水輪機的設計制造水平。提高比轉(zhuǎn)速，可以減小機組尺寸和投資，同時還可以減小主廠房尺寸，降低工程投資，故在允許的條件下，宜選擇較高的比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)。但水輪機比轉(zhuǎn)速的提高會受到水輪機剛強度、效率、空化、泥沙磨損及運行穩(wěn)定性等各方面的制約。所以應考慮電站的具體情況，綜合分析并選擇合理的比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)。

固滴水電站所處水頭段為154～234 m，為高水頭電站，為減少葉片的磨損，改善轉(zhuǎn)輪的空蝕性能，比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)宜取適中值。根據(jù)國內(nèi)外不同統(tǒng)計公式計算，并參照國內(nèi)部分相近水頭段的水電站主要參數(shù)，經(jīng)綜合分析，選取水輪機比轉(zhuǎn)速范圍為120～150 m·kW，相應的比速系數(shù)為1743～2179。

2.2.2 單位轉(zhuǎn)速和單位流量

單位轉(zhuǎn)速的選擇應考慮和單位流量進行最佳匹配，以滿足機組高效、穩(wěn)定運行的要求。選用較高的單位轉(zhuǎn)速，可以提高機組的額定轉(zhuǎn)速，從而可以減小發(fā)電機的尺寸和重量；選用較大的單位流量，可以減小水輪機的尺寸和重量。但單位轉(zhuǎn)速和單位流量的提高又受到強度、空化和運行穩(wěn)定性等許多條件的限制，而且模型轉(zhuǎn)輪各參數(shù)之間應該有合理的匹配關(guān)系，才能獲得較好的綜合性能指標。

考慮到固滴水電站的水頭段范圍以及比轉(zhuǎn)速范圍（120～150 m·kW），初步擬定了單位轉(zhuǎn)速為62～70 r/min、單位流量為0.48～0.64 m3/s。

2.2.3 水輪機空化系數(shù)

水輪機空化性能通常用空化系數(shù)來衡量?？栈禂?shù)的大小關(guān)系到機組的安裝高程、機組運行穩(wěn)定性和使用壽命。重點是在提高水輪機能量指標的同時，降低水輪機的空化系數(shù)，改善空化性能，但水輪機的能量性能與空化性能常常是相悖的，模型空化系數(shù)與比轉(zhuǎn)速正比相關(guān)，即隨著比轉(zhuǎn)速的提高，空化系數(shù)也隨之上升。從對已有資料進行的分析得知，對應于比轉(zhuǎn)速取120～150 m·kW時，其模型空蝕系數(shù)取0.06～0.08。

2.2.4 水輪機效率

效率是水輪機的一項重要指標，它關(guān)系到水電站的出力和經(jīng)濟效益，優(yōu)良的轉(zhuǎn)輪應具備較高的效率點和寬廣的高效穩(wěn)定運行區(qū)域。通過與統(tǒng)計資料進行綜合比較，認為本電站水輪機模型最高效率應不低于93.5%，真機最高效率應不低于94%。

2.3 轉(zhuǎn)輪選擇

石門水電站最大水頭234m，額定水頭為211 m，在該水頭段有許多優(yōu)秀的轉(zhuǎn)輪，模型轉(zhuǎn)輪的主要參數(shù)見表2。

表2 模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)表

A339轉(zhuǎn)輪用于天生橋二級水電站Ⅰ期工程，轉(zhuǎn)輪A575c是在A339轉(zhuǎn)輪的基礎上進行開發(fā)的，用于天生橋二級電站Ⅱ期工程，因此性能指標較A339更優(yōu)。在230 m適用水頭段，A575c與其他轉(zhuǎn)輪比較，其模型轉(zhuǎn)輪效率最高，且過機流量較大，抗空蝕性能較好；XW轉(zhuǎn)輪由伏伊特西門子公司為小灣電站設計制造，在250 m適用水頭段，該轉(zhuǎn)輪的效率最高，過機流量較大，抗空蝕性能優(yōu)越。根據(jù)石門電站水頭情況，230 m或250m水頭段的轉(zhuǎn)輪均可采用，主要對A575c轉(zhuǎn)輪和XW轉(zhuǎn)輪進行比較，來選擇石門電站的模型轉(zhuǎn)輪，具體見表3。

表3 A575c和XW轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)比較表

通過表3可知，兩方案中的機組轉(zhuǎn)速均為500 r/min，吸出高度數(shù)值兩者相當，比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)相差不大?？紤]到電站的泥沙含量雖不大但硬度較高，參照國內(nèi)外已建電站的參數(shù)水平，兩者均在合理的范圍內(nèi)，并能滿足機組運行穩(wěn)定性要求。XW轉(zhuǎn)輪方案與A575c轉(zhuǎn)輪方案相比，其轉(zhuǎn)輪直徑和水輪機重量略大，但水輪機最高效率和額定效率較高。經(jīng)綜合分析比較，選用XW作為代表轉(zhuǎn)輪，來重點突出機組的運行效率，提高機組運行的經(jīng)濟性。

2.4 機組臺數(shù)

石門水電站裝機容量95 MW，根據(jù)水電站的實際情況，以XW模型轉(zhuǎn)輪作為代表性轉(zhuǎn)輪，重點對二、三臺機方案進行比較。不同裝機臺數(shù)的主要參數(shù)及投資估算見表4。

（1）從工程設計及總投資方面來分析，兩方案在總體布置、工程設計及施工上均無特殊困難，方案一的總投資比方案二少2610萬元，方案一較優(yōu)。

（2）從機組運行靈活性方面來分析，石門水電站在系統(tǒng)中承擔調(diào)峰及事故備用等任務，兩方案的單機容量在系統(tǒng)中所占的比重均較小，故兩方案調(diào)度上均可行。

（3）從機組運行范圍來分析，兩方案所對應的機組運行范圍均包括了最優(yōu)工況點，運行條件較好，均能滿足機組的高效穩(wěn)定運行。

（4）從機組參數(shù)選擇及穩(wěn)定性方面來分析，兩方案的比速系數(shù)分別為1991和1955，參數(shù)適中，均在合理范圍內(nèi)，機組運行穩(wěn)定性也無問題。

（5）從水輪發(fā)電機組制造運輸角度來分析，兩方案的水輪發(fā)電機組及其附屬設備的設計制造、運輸均屬正常范圍，國內(nèi)水輪發(fā)電機組制造廠均能承擔。

（6）從運行維護與安裝檢修來分析，方案一工作量小，成本低，而且其設備故障發(fā)生率比方案二要小，方案一較優(yōu)。

表4 裝機臺數(shù)比較表

綜上所述，從工程投資、調(diào)度、運行及運輸?shù)雀鞣矫鎭砭C合考慮，方案一占優(yōu)勢，因此，確定石門水電站裝機采用方案一，即2臺單機容量47.5 MW方案。

2.5 額定轉(zhuǎn)速

經(jīng)過計算比較，采用XW轉(zhuǎn)輪機組可供選擇的轉(zhuǎn)速有428.6 r/min，500 r/min，600 r/min三檔，不同轉(zhuǎn)速的運行范圍見圖1。

圖1 不同轉(zhuǎn)速運行范圍圖

從圖1可知，當轉(zhuǎn)速為600 r/min和428.6 r/min時，轉(zhuǎn)輪運行范圍偏離最高效率區(qū)較遠；當轉(zhuǎn)速為500 r/min時，轉(zhuǎn)輪運行范圍包括了轉(zhuǎn)輪的最高效率區(qū)，且其所處效率區(qū)比較寬廣，效率變化幅度也較平穩(wěn)。經(jīng)綜合分析比較，機組額定轉(zhuǎn)速為500 r/min。

2.6 機組安裝高程

根據(jù)電站運行條件，按留有一定安全裕度的原則，來確定水輪機的安裝高程。石門水電站裝機兩臺，根據(jù)規(guī)范要求，下游設計尾水位按一臺水輪機50%額定流量（Q=12.54 m3/s）對應的尾水位確定，故設計尾水位為1006.50 m?？紤]到電站水流中有一定含沙量且硬度較高，機組吸出高度為Hs=-6.09 m，對應水輪機的安裝高程為1000.41 m。

2.7 機組最終參數(shù)

通過可研階段分析及機組的最終招標確定，固滴水電站水輪機的主要技術(shù)參數(shù)見表5。

表5 水輪機主要技術(shù)參數(shù)表

3 結(jié)語

石門水電站已于2013年12月底兩臺機組成功并網(wǎng)發(fā)電，電站全部機組各項運行指標正常，運行狀況良好。石門水電站可研階段與招標階段確定的水輪機參數(shù)基本一致，并且電站成功安全穩(wěn)定運行，表明石門水電站的水輪機主要參數(shù)選擇是合理的。對今后類似水頭段水電站水輪機參數(shù)選擇具有一定的參考意義。

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2017-05-17

王洪慶（1980-），男，山東鄆城人，高級工程師，主要從事水電站水力機械設計工作。