葛 曦，張 華，黃正財，楊 超，張建勛

(1.貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002；2.貴州省農(nóng)村水電及電氣化發(fā)展局，貴州 貴陽 550002)

1 概述

冗各水電站位于貴州省黔南布依族苗族自治州羅甸縣逢亭鎮(zhèn)冗各鄉(xiāng)，是蒙江流域的第8級電站，該水電站位于蒙江干流上，其上游梯級為雙河口水電站，下游梯級為石門坎水電站，壩址以上流域集水面積5158km2。電站距羅甸縣城約30km，距貴陽市約165km。

電站在正常蓄水位495m時的有效庫容3440萬m3，裝機容量為3×30MW，冗各水電站最大水頭50.29m，最小水頭44.31m，水庫具有周調節(jié)性能。本電站建成后，在系統(tǒng)中主要擔任峰荷、調頻作用。

主要建筑物包括混凝土重力壩、泄洪建筑物、隧洞引水建筑物、右岸布置三洞三管三機地下式廠房等。

電站于2016年6月建成首臺機發(fā)電，設計參數(shù)見表1。

表1 電站參數(shù)表

2 水輪機選型分析

2.1 額定水頭選擇

額定水頭Hr的選擇涉及到水能利用、機組設備投資、水輪機穩(wěn)定運行、土建投資等多種因素。本電站水頭機率統(tǒng)計成果見表2。

表2 水頭機率統(tǒng)計表

從表2可以看出，冗各水電站在電能加權平均水頭至最大水頭間運行頻率占的比例較大，大約為60.42%，因此額定水頭初步擬定在加權平均水頭附近較合理。從機組出力受阻情況來看，額定水頭越高，受阻容量越大，本電站是水庫調節(jié)性能較差(周調節(jié))的中低水頭電站，它的最小水頭往往由于下游水位的壅高出現(xiàn)在洪水期。如果額定水頭選得過高，將會出現(xiàn)洪水期有流量但水頭受阻，在枯水期有水頭而流量不足，造成全年發(fā)不足額定容量的情況，這時額定水頭就應該選得低一些，盡量靠近最低水頭。加之本電站的水頭變幅(5.94m)較小，因此額定水頭選為45.5m。

表3 模型轉輪基本參數(shù)表

2.2 水輪機型式選擇

冗各電站的水頭運行范圍在44.34～50.28m，水頭變幅為5.94m，此水頭段適合的水輪機型式主要為混流式。由于電站單機容量較小，在招投標過程中，本類型電站主要都是中小型生產(chǎn)企業(yè)參與投標，考慮到生產(chǎn)企業(yè)的實力和對轉輪的開發(fā)、運用程度，我們在轉輪選型時既要考慮轉輪的先進性，又要考慮轉輪的成熟性，所選水輪機有大量成功運行的經(jīng)驗，機組參數(shù)較優(yōu)，在確保電站發(fā)電效益的同時又能保證電站安全可靠地運行。

在70m左右水頭段，中小型水電站國內(nèi)常用的優(yōu)秀轉輪有A551、A551c、A616、A904a等，其模型參數(shù)見表3。從表3可以看出，最優(yōu)工況HLA551c的單位轉速最高，單位流量最大，HLA904a的效率最高。

針對表3中4個轉輪，選型計算比較如下：

(1)A551轉輪：初選工況點Q1′=1.2m3/s，n1′=83r/min，Q=73.72m3/s，D1=3.02m。n=200r/min，在水頭運行范圍，計算得n1′=85.1～90.74r/min。因A551轉輪的最優(yōu)運行范圍為77～86r/min，在本電站水頭運行范圍內(nèi)已偏離了A551轉輪的最優(yōu)運行區(qū)域。

(2)A551c轉輪：初選工況點Q1′=1.3m3/s，n1′=85r/min，Q=73.33m3/s。D1=2.9m。n=200r/min，在水頭運行范圍，計算得n1′=81.7～87.2r/min。因A551c轉輪的最優(yōu)運行范圍為79～88r/min，在本電站水頭運行范圍內(nèi)A551c轉輪完全滿足要求。

(3)A616轉輪：初選工況點Q1′=1.15m3/s，n1′=82r/min，Q=74.11m3/s。D1=3.09m。n=200r/min∶n1′=87.14～92.87r/min。因A616轉輪的最優(yōu)運行范圍為75～85r/min，在本電站水頭運行范圍內(nèi)偏離了A616轉輪的最優(yōu)運行區(qū)域。

(4)A904a轉輪：初選工況點Q1′=1.08m3/s，n1′=81r/min，Q=73.33m3/s。D1=3.18m。n=200r/min，在水頭運行范圍，計算得n1′=89.68～95.33r/min。因A904a轉輪的最優(yōu)運行范圍為72～83r/min，在本電站水頭運行范圍內(nèi)偏離了A904a轉輪的最優(yōu)運行區(qū)域。

通過以上同水頭段的轉輪的選型分析：冗各電站采用HLA551c-LJ- 288是最合理的，運行工況最優(yōu)，其運行范圍如圖1所示。

圖1 HLA551C- 35.2模型綜合特性曲線(真機D1=2.88m，n=200r/min)

從圖1可看出，運行范圍涵蓋了大部分高效率區(qū)，機組選型留有余量，提高功率因數(shù)到0.95能連續(xù)長期安全運行)，因此我們考慮了在水頭H=48.43m以上有11.2%的超發(fā)空間，此時功率因數(shù)提高到0.95，(在最大水頭，功率因數(shù)提高到1的時候，可超發(fā)17%，在圖1中用虛線框表示)，這樣在夏季豐水期，用電高峰期，能盡可能地多發(fā)電。

冗各水電站的設計尾水位為445.170m，推薦的水輪機吸出高度Hs≥-0.32m。為不影響總體樞紐布置，并留足安全余量(地下式廠房，工程量影響不大)，最終取吸出高度Hs=-4.43m(k=2)，固定導葉高度為2.52m。因此，確定水輪機的安裝高程為442.00m。

2.3 水輪機結構型式確定

機組采用立軸布置，軸系為三支點懸式形式，支撐在發(fā)電機的推力軸承上。軸系由水輪機主軸、發(fā)電機主軸、轉子支架等組成。

水輪機進、排水方式：采用包角為345°的金屬蝸殼進水，進水方向與廠房x-x軸線垂直，排水為彎肘形，其直錐段和肘管段為金屬里襯，水機與發(fā)電機為直連型式。

在結構設計中，滿足機組性能，選用優(yōu)質材料，以先進工藝確保各項指標，結構維修方便。水輪機保證在不拆發(fā)電機定子、轉子和水輪機主軸的情況下，可更換和檢修水導軸承、主軸密封及導水機構中的傳動件，同時，水輪機導水機構所有零件均能通過電機定子及機坑內(nèi)徑。

2.3.1 轉輪與主軸

轉輪為鑄焊結構，采用ZG00Cr13Ni5Mo，AOD精煉組焊而成，葉片數(shù)為13，數(shù)控加工成型。轉輪上冠止漏形式采用階梯式密封結構，密封后設有葉片泵，葉片泵起到減小軸向水推力和二次密封作用，經(jīng)過葉片泵的有壓水由鋼管排至機組排水管上；轉輪下環(huán)設有間隙式密封結構。

主軸采用優(yōu)質鍛鋼20SiMn材料制作，主軸為帶外法蘭中空結構形式，作為尾水補氣通道，主軸上法蘭與電機主軸采用精配螺栓聯(lián)接和傳遞扭矩，下端與轉輪采用螺栓聯(lián)接，靠磨擦傳遞扭矩，上下法蘭均為止口定位。機組軸系剛度安全裕度為大于1.25倍飛逸轉速。

2.3.2 導水機構部分

導水機構采用內(nèi)調節(jié)式，導葉數(shù)為24只，導葉結構為3支點，導葉支承軸套采用自潤滑鋼背復合材料。導葉選用ZG06Cr13Ni4Mo材料，數(shù)控加工成型。導葉立面間隙為金屬硬接觸密封，端面密封采用間隙金屬密封。在額定水頭下，新裝導葉總漏水量不大余3‰額定流量。導葉具有自關閉趨勢的水力矩特性。導葉開口設計時，能滿足電站各個工況下要求的開口，其最大開口留有一定裕量。

導葉臂與導葉套筒上設有導葉限位裝置，導葉中軸頸密封采用YX形密封，為防止泥沙進入下軸頸設有YX形密封圈以減小對下軸頸的磨損。

頂蓋上設有壓力排水管道及自流排水孔，同時設置備用補氣管口。

頂蓋采用整體結構，其過流面設有一定厚度用不銹鋼耐磨材料制作的護板及止漏護環(huán)，與轉輪材質有一定硬度差值。頂蓋為鋼板焊接結構。

導葉傳動機構采用叉頭可調式結構。導葉臂上裝有導葉限位擋銷，當剪斷銷被剪斷時，限位銷能夠限制導葉的偏擺。

控制環(huán)采用鋼板焊接結構，控制環(huán)的底面裝有環(huán)向導軌具有自潤滑性能的抗磨塊，抗磨塊采用螺釘連接，可更換。

底環(huán)采用整體結構，用螺栓與座環(huán)聯(lián)接。在底環(huán)過流面上設有不銹鋼材料制作的護板，與轉輪下環(huán)處設不銹鋼止漏環(huán)。

2.3.3 油軸承

采用稀油潤滑油浸式分塊瓦軸承。軸瓦采用8塊分塊瓦材料為：2SnSb11Cu6錫基軸承合金，軸領下部開有成一定角度徑向的通油孔。當主軸旋轉時，此孔起著油泵作用。將經(jīng)過冷卻器冷卻后的潤滑油輸送到軸瓦及軸承體空腔內(nèi)，工作后的熱油經(jīng)軸承體上部油孔和頂部流向冷卻器，形成油循環(huán)。

2.3.4 主軸密封

主軸密封采用先進的不接觸間隙式泵板工作密封和空氣圍帶式停機密封兩部分組成。該密封安全、可靠，在電站已得到成功應用。

3 機組試運行情況驗證

2016年6月23～26日，冗各水電站進行了3#機72h試運行，根據(jù)電站機組72h試運行結果，機組的振動、擺度、軸承溫度等均較理想，由于電站蓄水未達到水庫正常蓄水位，電站尾水河道尚有棄渣未清理，因此電站在47m水頭以下運行占一年72.3%的時段，全年有64.7%的時段運行在機組額定出力的45%以下(即≤13.5MW)，低于混流式機組的穩(wěn)定運行范圍。根據(jù)電站運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在機組投入商業(yè)運行以來，機組各軸承、空冷器、定子繞組和定子鐵芯的最高溫度見表4，機組各部位的最大振擺度見表5。

表4 機組各部溫度最大值 單位：℃

表5 機組各部振擺度最大值

從上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，機組各部溫升達到規(guī)范要求，除個別數(shù)據(jù)略高規(guī)范值外，大部分振擺度值基本達到規(guī)范要求。說明機組在合理的運行條件下，是能夠穩(wěn)定運行的，是經(jīng)得住運行檢驗的，冗各水電站的水輪機選擇HLA551c-LJ- 288是合適的。

4 結語

在中小水電的設計過程中，應更注重轉輪的成熟性，不能一味追求更高的性能指標，以便于招標階段更好更快地采購到滿足電站實際運行的轉輪為前提。在招標階段，應對機組主要部件的結構型式、材質進行約定，如轉輪、主軸、導水機構、軸承等。即有利于控制設備質量，又有利于投標方在同一個起跑線上報價。從運行情況反饋可以看出，冗各水電站的水輪機選型是合適的，是滿足電站實際運行需要的，但是在一些電站投入商業(yè)運行初期，為了追求更大的利益，往往在不具備安全穩(wěn)定運行條件的前提下提前發(fā)電，我們應該合理分析，以避免這種情況對機組造成損壞，消除安全隱患。

[1] 代朝科. 水電站水輪機選型設計中主要參數(shù)的確定[J]. 水利規(guī)劃與設計, 2015(08): 72- 73.

[2] 楊傳義. 西藏瓦龍水電站轉輪改造分析[J]. 水利規(guī)劃與設計, 2011(06): 59- 62.

[3] 丁榕. 金雞灘水電站參數(shù)確定及機型選擇[J]. 水利規(guī)劃與設計, 2010(04): 72- 74.

[4] 萬澍, 萬良牯. 峽江水利樞紐機組機型選擇[J]. 水利技術監(jiān)督, 2005, 13(01): 45- 47.

[5] 萬良牯. 鄱陽湖出口控制工程及電站機組選擇探討[J]. 水利技術監(jiān)督, 2002, 10(04): 35- 37.

[6] 葛曦. 黃花寨水電站額定水頭選取及穩(wěn)定性分析[J]. 黑龍江水利科技, 2012(11): 25- 26.

[7] 李濤, 葛曦. 多泥沙河流水電站轉輪設計[J]. 大電機技術, 2012(04): 43- 46.

[8] 葛曦, 郭建偉, 黃正財, 等. 夾巖水利樞紐渠首電站水輪機選型[J]. 小水電, 2013(02): 24- 26.

[9] 鄭濤平, 田子勤. 亭子口水電站機組選型設計主要技術問題[J]. 人民長江, 2009, 40(02): 41- 42.

[10] 鄒茂娟, 胡衛(wèi)娟, 馬偉棟. 老撾南歐江六級水電站水力機械設計[J]. 水力發(fā)電, 2016, 42(05): 77- 80.