錢 瑭，曹春建，胡雄峰

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州 311122)

關(guān)于西藏地區(qū)水輪機的選型設(shè)計，國內(nèi)外總結(jié)性的文獻并不多，目前大部分研究機構(gòu)和主機制造廠還停留在研究探索階段。國內(nèi)有少量文獻針對西藏地區(qū)機組單機容量選擇、機型確定、機組參數(shù)、現(xiàn)場加工等方面進行了介紹，并提出了相應(yīng)的選型思路[1]。然而，從目前的研究成果來看，鮮有將理論研究同模型驗收試驗相結(jié)合，來驗證水輪機模型水力特性的。

由于西藏地區(qū)水電站海拔高，汛期過機泥沙含量較高且硬度較大，含沙水流對水輪機存在一定的磨蝕，因此水輪機的參數(shù)選取應(yīng)以機組的安全、穩(wěn)定運行為前提，結(jié)合水輪機的水力開發(fā)、空化特性、泥沙磨損等因素，進行綜合的分析與論證。

本文結(jié)合西藏某水電站工程特性，探討和選擇適合該電站的水輪機參數(shù)，并將水輪機參數(shù)提供給主機制造廠家用以開發(fā)水輪機模型轉(zhuǎn)輪，進行水輪機模型驗收試驗，驗證了水輪機參數(shù)選取的合理性。

1 水輪機參數(shù)選擇

1.1 水輪機形式及機組臺數(shù)確定

本電站水頭范圍為57～78 m。國內(nèi)相關(guān)規(guī)范和水輪機教材中推薦混流式水輪機的適用水頭范圍 為20～700 m，斜流式水輪機的適用水頭范圍為40～200 m[2,3]?；炝魇剿啓C應(yīng)用水頭范圍較廣，結(jié)構(gòu)簡單，運行穩(wěn)定且效率高，單機容量由幾十千瓦到幾十萬千瓦，是應(yīng)用最廣泛的一種水輪機；斜流式機組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工工藝要求和造價相對較高，國內(nèi)外應(yīng)用很少[3]。經(jīng)過分析論證，推薦本電站選用立軸混流式水輪機。

通過對當?shù)仉娋W(wǎng)容量、重大件運輸條件、樞紐布置、電站運行靈活性、機組制造難度以及工程投資等重要因素的研究，該水電站選擇4臺單機容量165 MW的立軸混流式水輪機。

本水電站海拔高度約3 400 m，屬于高海拔地區(qū)且遠離中心城市，交通不便；另外，水電站壩址多年平均含沙量約為0.53 kg/m3，多年汛期(6-9月)平均含沙量為0.71 kg/m3，泥沙含量較大。因此水輪機參數(shù)選取時需充分考慮以上因素，進行科學(xué)系統(tǒng)的分析論證，選擇適用于本電站的參數(shù)水平。

1.2 額定水頭選擇

本電站水頭變幅Hmax/Hmin=1.36，Hmax/Hr=1.2，因此水頭變幅不大，為了提高水輪機的平均效率和運行穩(wěn)定性，額定水頭一般取接近或等于電站加權(quán)平均水頭Hw。根據(jù)《水力發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，“對于中高水頭水輪機的額定水頭宜在加權(quán)平均水頭的0.95～1.0倍范圍內(nèi)選取”[2]。本水電站加權(quán)平均水頭約為68 m，因此額定水頭宜在64.6～68 m之間選擇。考慮到本電站和下游電站汛期排沙運行控制水位運行的影響，因此擬定了64、65及66 m三個額定水頭比較方案。

根據(jù)計算成果分析表明：① 各額定水頭方案之間多年平均發(fā)電量差別不大；② 提高額定水頭可減少機組尺寸，但三個方案的機組轉(zhuǎn)輪直徑相差不大，大件運輸重量和尺寸基本相同，機組的制造難度也相同；③ 額定水頭越高，機組運行出現(xiàn)受阻的幾率則越大，機組受阻容量隨著額定水頭的提高而增加。為減少電站出現(xiàn)容量受阻情況，本水電站額定水頭以65 m較為合理；④ 經(jīng)濟比較成果表明，額定水頭65 m方案總費用現(xiàn)值最小。

綜合比較，額定水頭取65 m。

1.3 比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)選取

比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K是衡量水輪機能量特性、經(jīng)濟性和先進性的一個綜合性指標。提高比轉(zhuǎn)速，不僅可以減小機組尺寸，降低機組造價，同時還可以減小主廠房尺寸，降低土建投資。但比轉(zhuǎn)速的提高往往受到水輪機的平均效率、穩(wěn)定性、抗空蝕性能，以及機組剛度和強度等性能的制約。本水電站處于西藏偏遠地區(qū)，技術(shù)水平、管理水平無法與內(nèi)地水電發(fā)達省份相比，過高的綜合參數(shù)水平會導(dǎo)致機組穩(wěn)定性、可靠性潛力降低，設(shè)備出現(xiàn)不可預(yù)見故障的概率增加，從而加大檢修和維護工作量，因而采用過高的比速系數(shù)不可取。另外，由于本電站過機泥沙含量較高，適當降低比速系數(shù)，有利于延長水輪機的抗磨蝕時間和機組的安全穩(wěn)定運行。通過比轉(zhuǎn)速的經(jīng)驗公式計算，并綜合上述分析，推薦本水電站水輪機的比速系數(shù)K值在2 000～2 100之間選取，相應(yīng)的額定工況比轉(zhuǎn)速nsr為248～267 m·kW。最終選定水輪發(fā)電機組的額定轉(zhuǎn)速為115.4 r/min，相應(yīng)額定點比轉(zhuǎn)速為257 m·kW，比數(shù)系數(shù)K為2 068。

1.4 單位轉(zhuǎn)速及單位流量選擇

在確定了水輪機比轉(zhuǎn)速后，需要對單位轉(zhuǎn)速和單位流量進行合理的匹配，以優(yōu)化機組的經(jīng)濟性、穩(wěn)定性及可靠性。提高單位轉(zhuǎn)速，水輪機轉(zhuǎn)輪出口圓周速度增加，使得出口相對流速增加，過高的相對流速造成流道內(nèi)壓力降低，會對水輪機的空化性能、泥沙磨損、機組運行的穩(wěn)定性造成不利影響；且由于轉(zhuǎn)速的升高，飛逸轉(zhuǎn)速增加，對機組結(jié)構(gòu)部件的強度提出了更高的要求，所以單位轉(zhuǎn)速的提高受到一定程度的限制[3]。同樣提高水輪機單位流量可以減小水輪機轉(zhuǎn)輪直徑，減輕水輪機重量、廠房尺寸，從而降低電站投資，但是，將受到水輪機空化和運行穩(wěn)定性等性能特性的制約，過大的單位流量會帶來流道內(nèi)流速增加、空化系數(shù)增大、水輪機空化性能降低等不利影響，導(dǎo)致出現(xiàn)壓力脈動幅值增大的可能。因此，水輪機的單位轉(zhuǎn)速和單位流量必須合理匹配，以使水輪機具有較高的綜合性能。

由統(tǒng)計資料可知，國內(nèi)外80 m水頭段水輪機模型最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速大都在71.7～78.4 r/min之間，最優(yōu)單位流量范圍為0.89～1.03 m3/s，限制工況單位流量在1.15 ～1.3 m3/s之間。幾大主機廠對本電站水輪機的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n110的取值推薦范圍為74.0～76.7 r/min。結(jié)合國內(nèi)相同水頭段的統(tǒng)計資料及本電站的工程特性，推薦水輪機的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n110為74～77 r/min，相應(yīng)額定工況點的單位轉(zhuǎn)速為77.8～80.1 r/min。

最終轉(zhuǎn)輪直徑確定為D1=5.52 m，對應(yīng)額定點單位轉(zhuǎn)速n11r=79 r/min，最優(yōu)點單位轉(zhuǎn)速n110=74.5 r/min；額定點單位流量Q11r=1.157 m3/s，最優(yōu)點單位流量Q110=0.918 m3/s。

1.5 空化系數(shù)選取

水輪機空化性能直接影響電站土建工程量及投資、機組安全穩(wěn)定運行、檢修周期和使用壽命，因此水輪機應(yīng)具有良好的空化性能。根據(jù)各機組制造廠家的經(jīng)驗統(tǒng)計資料，電站空化系數(shù)σp在0.178～0.229之間，吸出高度計算值在-5.31～-8.63 m之間。根據(jù)相近水頭段的模型轉(zhuǎn)輪統(tǒng)計數(shù)據(jù)，臨界空化系數(shù)大都為0.11～0.121。根據(jù)技術(shù)征詢結(jié)果，各機組制造廠家推薦的吸出高度范圍為-4.5～-7.6 m。

本水電站地處西藏高海拔地區(qū)，機組運行穩(wěn)定性尤為重要，電站空化系數(shù)不宜太小，適當增大電站空化系數(shù)，可減少尾水管壓力脈動，提高機組穩(wěn)定性，故推薦本電站空化系數(shù)σp取值為臨界空化系數(shù)的1.8倍。最終選定的臨界空化系數(shù)為0.122，電站空化系數(shù)為0.221，對應(yīng)水輪機吸出高度為-7.6 m。

1.6 水輪機主要參數(shù)

根據(jù)上述計算，確定的水輪機主要參數(shù)如表1所示。

表1 水輪機主要參數(shù)表Tab.1 Parameters of turbine

2 模型轉(zhuǎn)輪及試驗臺介紹

2.1 模型轉(zhuǎn)輪介紹

水輪機設(shè)備制造廠家以湖北潘口水電站開發(fā)的Fi023轉(zhuǎn)輪為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪，結(jié)合本水電站的流道、水力參數(shù)，進行了CFD優(yōu)化設(shè)計和模型預(yù)試驗，專門為本電站量身定做了模型轉(zhuǎn)輪Fi099。模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)見表2。

表2 模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)表Tab.2 Parameters of model runner

2.2 試驗臺介紹

模型驗收試驗于2017年6月6-8日在水輪機設(shè)備制造廠家FTB1試驗臺進行。FTB1是一個封閉式的通用試驗臺，主要用于進行混流式水輪機和可逆式水輪機模型試驗，在試驗流量不大于1.2 m3/s時也可進行軸流式和貫流式水輪機模型試驗。試驗臺裝備高精度的測試儀器、自動化的控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，能按照IEC 60193標準進行水輪機的研發(fā)及模型驗收試驗[4]。

FTB1試驗臺特征參數(shù)見表3。

表3 FTB1試驗臺特征參數(shù)表Tab.3 Parameters of FTB1

3 轉(zhuǎn)輪模型驗收試驗過程及結(jié)果

3.1 儀器儀表率定

驗收試驗前，分別對水頭、尾水、力矩傳感器與流量計進行了率定，率定結(jié)果滿足合同要求。

3.2 效率和出力驗收試驗

3.2.1 最優(yōu)效率點的驗收試驗

根據(jù)初步試驗結(jié)果，最優(yōu)效率點位于Hp=72.2 m(n11=75.00 r/min，Q11=0.950 0 m3/s)處。驗收試驗對該工況點的效率進行了10次重復(fù)測量，取算數(shù)平均值得到模型最優(yōu)效率，并按合同規(guī)定的換算方法得到原型最優(yōu)效率，具體數(shù)據(jù)如表4。驗收試驗中模型和原型最優(yōu)效率值滿足合同保證值要求。

表4 Fi099最優(yōu)效率點試驗 %

3.2.2 額定點效率

驗收試驗中模型和原型額定點效率值滿足合同保證值要求。具體數(shù)據(jù)見表5、6。

表5 Fi099額定點效率試驗Tab.5 The rated efficiency test of Fi099

表6 原型額定點效率Tab.6 The rated efficiency test of the prototype

3.2.3 加權(quán)平均效率試驗

試驗工況選擇Hp=78.0 m、Hp=74.0 m、Hp=71.0 m、Hp=68.0 m、Hp=65.0 m、Hp=61.0 m、Hp=57.0 m的50%Pp、80%Pp、100%Pp出力點，模型效率及其相應(yīng)的原型效率如表7。驗收試驗結(jié)論：加權(quán)平均效率滿足合同保證值要求。

表7 Fi099加權(quán)平均效率試驗 %

3.2.4 特征水頭出力試驗

對合同文件中原型水輪機保證功率進行了試驗，試驗水頭為30 m。試驗結(jié)果見表8。

表8 Fi099特征水頭出力驗收試驗Tab.8 The output test of Fi099

驗收試驗期間，選擇典型工況進行了模型手工算例復(fù)核，計算結(jié)果與試驗計算機采集結(jié)果一致；進行了模型效率測試綜合誤差分析，本次驗收試驗效率綜合誤差為±0.19%，滿足合同規(guī)定的±0.25% 的要求。

3.3 空化驗收試驗

測試方法：在保證單位轉(zhuǎn)速及試驗水頭不變的前提下，水輪機空化試驗從能量工況(高空化系數(shù))尾水管通大氣的條件下開始，逐步抽真空以降低尾水管內(nèi)的壓力，進而改變空化值，通過采集不同空化系數(shù)下的水輪機模型效率、單位流量和單位出力等參數(shù)，進而得出空化系數(shù)對模型轉(zhuǎn)輪能量特性的影響的關(guān)系曲線。根據(jù)IEC60193或GB/T 15613規(guī)定，初生空化系數(shù)σi為隨著吸出水頭的減少，即尾水管內(nèi)真空度的增加，在3個轉(zhuǎn)輪葉片表面開始出現(xiàn)可見氣泡時所對應(yīng)的空化系數(shù)[4]。現(xiàn)場通過緩慢減小空化系數(shù)，并利用閃頻儀對水輪機轉(zhuǎn)輪的出口處進行仔細的空化觀察，最終確定各工況點的初生空化系數(shù)σi。在電站空化系數(shù)下，從蝸殼下方觀察孔插入內(nèi)窺鏡，觀察葉片進口邊流動狀態(tài)，并確定葉片進口邊正壓面與負壓面初生空化線(即觀測到3個葉片上同時出現(xiàn)可見氣泡的工況點)。

在對應(yīng)原型機三個特征水頭(Hp=78.0 m，Hp=65.0 m，Hp=57.0 m)，出力為100%Pp的工況點進行空化試驗。試驗過程中對臨界空化、初生空化、裝置空化系統(tǒng)狀態(tài)進行觀測。計算空化系統(tǒng)的參考面為導(dǎo)葉中心線。

空化驗收試驗結(jié)果如表9。

表9 Fi099 空化驗收試驗結(jié)果Tab.9 The cavitation test of Fi099

驗收試驗結(jié)果滿足σp/σc>1.8、σp/σi>1.15的合同要求，表明空化性能優(yōu)于合同保證值要求。

3.4 壓力脈動驗收試驗

壓力脈動采用PCB公司生產(chǎn)的M112A22CB壓力脈動傳感器進行測量，經(jīng)481A02信號調(diào)理器，最后由虛擬功率分析儀進行頻譜分析處理。

根據(jù)合同規(guī)定，壓力脈動測點位置如下。

(1)2個測點布置在尾水管錐管，距轉(zhuǎn)輪出口0.3D2(D2為轉(zhuǎn)輪葉片出水邊正面和下環(huán)相交處的直徑)處Y-Y軸線上、下游側(cè)各布置1個測壓孔。

(2)2個測點布置在尾水肘管，在肘管45°上下游凹凸點側(cè)各布置1個測壓孔。

(3)2個測量轉(zhuǎn)輪前、導(dǎo)葉后區(qū)域壓力脈動的測點，+Y、-Y方向各1個測點。

(4)1個測量蝸殼進口壓力脈動的測點，布置在蝸殼進口。

在電站裝置空化系數(shù)下，對應(yīng)三個原型機特征水頭(Hp=78.0 m、Hp=65.0 m、Hp=57.0 m)，出力分別為45%Pp、60%Pp、70%Pp、80%Pp、100%Pp的工況點，進行壓力脈動驗收試驗。

錐管0.3D2處的壓力脈動雙振幅值ΔH/H(%)分別是：水頭Hp=57～65 m范圍內(nèi)，出力45%～70%Pp時為6.67，出力70%～80%Pp時為5.40，出力80%～100%Pp時為2.77；水頭Hp=65～78 m范圍內(nèi)，出力45%～70%Pp時為6.65，出力70%～80%Pp時為5.44，出力80%～100%Pp時為4.52。驗收試驗結(jié)果滿足合同保證值要求。

3.5 軸向水推力驗收試驗

在試驗水頭H=30 m，空化系數(shù)σ=σp及止漏環(huán)設(shè)計間隙條件下，分別對三個原型水頭78.0、65.0、57.0 m的模型軸向水推力進行了測試。在額定水頭Hp=65.0 m額定出力工況下?lián)Q算到原型的軸向水推力為596 t；在最大水頭Hp=78.0 m最大出力193.6 MW工況下?lián)Q算到原型的軸向水推力為632 t，滿足合同小于780 t的要求。

3.6 飛逸轉(zhuǎn)速驗收試驗

在高空化系數(shù)及Hp=78.0 m電站裝置空化系數(shù)下，導(dǎo)葉開度α=2°、α=4°、α=32°、α=35°、α=36°進行了飛逸轉(zhuǎn)速驗收試驗。試驗結(jié)果如下：對應(yīng)電站最大限制導(dǎo)葉開度α=36°，原型機最大水頭Hp=78.0 m時，在高空化系數(shù)下，水輪機的最大飛逸轉(zhuǎn)速為213.7 r/min；在電站裝置空化系數(shù)下，水輪機的最大飛逸轉(zhuǎn)速為218.3 r/min，滿足合同要求(230 r/min)。

3.7 成像觀測試驗

在電站裝置空化系數(shù)下，控制閃頻儀的閃爍頻率，進而使得葉片在給定工況下以緩慢速度旋轉(zhuǎn)，并透過錐管有機玻璃對葉片出口邊的流動狀態(tài)進行觀察。對于不同的單位轉(zhuǎn)速，通過調(diào)節(jié)不同的單位流量，從而確定葉道渦初生線及發(fā)展線。葉道渦試驗觀測結(jié)果如圖1所示。觀測結(jié)果表明葉片頭部正背面空化起始線遠離運行范圍，在高水頭區(qū)域葉道渦發(fā)展線進入45%～50%Pp區(qū)間。

3.8 尺寸檢查

對模型水輪機通流部件主要尺寸進行了檢查，主要包括轉(zhuǎn)輪裝配尺寸、錐管裝配尺寸、肘管裝配尺寸、尾水管擴散段尺寸等。從檢查結(jié)果來看，實測尺寸與設(shè)計值偏差滿足IEC要求[4]。

3.9 試驗結(jié)論

通過模型驗收試驗，可以總結(jié)出Fi099模型轉(zhuǎn)輪具有以下特點。

(1)有較大的超發(fā)能力，真機轉(zhuǎn)輪在最大水頭78 m時，水輪機的最大出力可達到192.7 MW。

(2)在額定工況點，轉(zhuǎn)輪內(nèi)流線分布較合理，流態(tài)較好。尾水管內(nèi)流態(tài)順暢，無明顯脫流和空腔渦帶。

(3)轉(zhuǎn)輪具有較好的做功效率，同時尾水管具有良好的壓力脈動特性，整個水輪機機組將會具有良好的運行穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

( 1)本文結(jié)合西藏某水電站水輪機參數(shù)選取，特別是比速系數(shù)和空化系數(shù)的選擇，探討了西藏高海拔地區(qū)機組選型的要點；結(jié)合轉(zhuǎn)輪模型驗收試驗，驗證了選型的合理性，可為相同類型機組的選型設(shè)計提供一定的思路。

圖1 葉道渦試驗觀測結(jié)果圖Fig.1 The observation results of blade channel vortex

(2)對于西藏地區(qū)的水電站，適當降低比速系數(shù)，有利于延長水輪機的抗磨蝕時間和機組的安全穩(wěn)定運行。本文推薦的水輪機比速系數(shù)K值在2 000～2 100之間，如果過機泥沙含量較大，可將比速系數(shù)K再適當降低至2 000以下。

(3)水輪機空化性能直接影響電站土建工程量及投資、機組安全穩(wěn)定運行、檢修周期和使用壽命，適當增大電站空化系數(shù)，可減少尾水管壓力脈動，提高機組穩(wěn)定性，本文推薦西藏地區(qū)電站空化系數(shù)σp取值為臨界空化系數(shù)的1.8倍。

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