解再益，郭衛(wèi)中，肖 園

（湖南云箭集團(tuán)有限公司，湖南 長沙400100）

1 概況

貫流式水輪機(jī)是一種開發(fā)利用低水頭、大流量水力資源的主要機(jī)型，因其轉(zhuǎn)輪效率高、過流量大、土建開挖量少、建設(shè)周期短、總體投資省等優(yōu)點(diǎn)，在25 m以下水頭段的水力資源開發(fā)中，具有較強(qiáng)的優(yōu)勢，在國內(nèi)外都有著廣闊的市場，具有良好的發(fā)展前景。

越南的水電項(xiàng)目在近幾年的開發(fā)過程中，低水頭的水力資源日趨增多，貫流式水輪發(fā)電機(jī)組紛紛上馬。由我公司中標(biāo)的越南松蘿4電站，位于中越邊境的河江省境內(nèi)，是瀘江流域梯級開發(fā)的首個燈泡貫流式水電站，該電站為河床式電站，其樞紐主要建筑物包括溢流壩段、兩岸連接壩及電站廠房等。電站裝有3臺單機(jī)容量為8 MW的燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量24 MW。

電站水庫正常蓄水位72.0 m，發(fā)電消落水位1.0 m，3臺機(jī)發(fā)電最低尾水位置64.54 m，最高尾水位65.0 m。電站最大水頭9.26 m，電站額定水頭6.71 m，最小水頭4.17 m，額定流量134.9 m3/s。越南松蘿4電站水輪機(jī)型號GZY1149-WP-450，發(fā)電機(jī)型號為SFWG8000-60/5050，機(jī)組具備長期超發(fā)10%出力的能力。

2 水輪機(jī)基本參數(shù)

水輪機(jī)型號：GZY1149-WP-450

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑：4.5 m

轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)：4

最大水頭：9.26 m

額定水頭：6.71 m

最小水頭：4.17 m

額定流量：134.9 m3/s

額定出力：8.29 MW

電站要求長期超110%額定出力

額定轉(zhuǎn)速：100 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速；334 r/min

比轉(zhuǎn)速：845 m·kW

最大水推力（正/反）129/170 t

吸出高度：-4.55 m

機(jī)組轉(zhuǎn)輪中心線高程：59.0 m

3 水輪機(jī)性能參數(shù)的確定

根據(jù)越南松蘿4電站的基本參數(shù)，經(jīng)初步設(shè)計(jì)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較論證計(jì)算，最終選用GZY1149-WP-450型水輪機(jī)，該機(jī)型的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)完全滿足技術(shù)協(xié)議和合同要求。

3.1 比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)選擇

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)性的綜合性能指標(biāo)，也反映設(shè)計(jì)、制造技術(shù)的水平。水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns在數(shù)值上等于工作水頭H為1 m發(fā)出1 kW功率時水輪機(jī)所具有的轉(zhuǎn)速，可見ns越大機(jī)組轉(zhuǎn)速越高，則單位千瓦的造價越低。為縮小機(jī)組及廠房尺寸，節(jié)省投資，提高電站的經(jīng)濟(jì)效益，在可能的條件下，傾向于選擇較高的比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K。

對于新設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)輪，都將ns值作為評判轉(zhuǎn)輪先進(jìn)性的重要指標(biāo)，根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)階段的燈泡貫流式水輪機(jī)發(fā)展水平，新開發(fā)轉(zhuǎn)輪ns的推薦計(jì)算公式為：

水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的表達(dá)式為：

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，推出對目前國內(nèi)轉(zhuǎn)輪模型最優(yōu)工況的ns0與推薦選用設(shè)計(jì)工況的ns有如下關(guān)系：

隨著水輪機(jī)設(shè)計(jì)制造水平的提高，水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)有所提高。但是比轉(zhuǎn)速的提高受到水輪機(jī)強(qiáng)度、空化性能、泥沙磨損、運(yùn)行穩(wěn)定性等因素的制約，不能單方面追求過高的指標(biāo)。所以需要針對電站的具體情況，對比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較論證分析確定。

GZY1149轉(zhuǎn)輪模型最優(yōu)工況的ns0為624.1 m·kW，我們采用比轉(zhuǎn)速的計(jì)算公式（2），計(jì)算越南松蘿4電站的比轉(zhuǎn)速，在額定水頭發(fā)額定出力時，比轉(zhuǎn)速845.3 m·kW，是ns0的1.35倍，在額定水頭長期超發(fā)110%額定出力時，比轉(zhuǎn)速886.5 m·kW，是ns0的1.42倍，考慮電站長期超發(fā)110%額定出力的實(shí)際情況，按此工況作為本水輪機(jī)的設(shè)計(jì)工況，按式（3）進(jìn)行驗(yàn)算是符合推薦值要求的。

3.2 轉(zhuǎn)輪型號選擇

根據(jù)電站適用的水頭范圍、水輪機(jī)的吸出高度，來確定轉(zhuǎn)輪的葉片數(shù)量，再根據(jù)相同葉片數(shù)量的模型轉(zhuǎn)輪性能比較，再確定轉(zhuǎn)輪型號。根據(jù)越南松蘿4電站設(shè)計(jì)水頭6.71 m，最高水頭9.26 m的實(shí)際情況，轉(zhuǎn)輪葉片考慮選取4葉片轉(zhuǎn)輪形式。

在進(jìn)行轉(zhuǎn)輪型號選擇時，盡量選擇較小的輪轂比，以得到較大的單位流量、較低的轉(zhuǎn)輪出口相對流速和減少空蝕。目前從國內(nèi)常用4葉片轉(zhuǎn)輪模型中選擇，主要參數(shù)見表1，從表中可以看出GZY1149模型轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)效率更高，輪轂比小，過流能力更大，空化性能好，是越南松蘿4電站推薦的轉(zhuǎn)輪模型。

表1 模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)表

3.3 轉(zhuǎn)輪直徑、額定轉(zhuǎn)速的選擇

燈泡貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑的選擇不同于常規(guī)機(jī)組，水輪機(jī)限制工況的出力不取決于水輪機(jī)5%的出力限制線，而取決于電站允許的空化裝置系數(shù)σy，根據(jù)越南松蘿4電站的水頭、裝機(jī)容量以及模型轉(zhuǎn)輪的性能情況，來選擇轉(zhuǎn)輪直徑，若選擇轉(zhuǎn)輪直徑過大，會因單位轉(zhuǎn)速較高，偏離最優(yōu)工況單位轉(zhuǎn)速，將影響水輪機(jī)在低水頭下的運(yùn)行；若選擇轉(zhuǎn)輪直徑太小，其設(shè)計(jì)工況點(diǎn)將落在更大的單位流量上，其空化系數(shù)值較大，將導(dǎo)致水輪機(jī)在高水頭大出力時空蝕狀況的惡化。

綜合考慮上述因素，同時兼顧水輪機(jī)效率指標(biāo)，經(jīng)初步設(shè)計(jì)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較論證計(jì)算比較，最終選用GZY1149-WP-450型水輪機(jī)，該轉(zhuǎn)輪具有單位轉(zhuǎn)速高、單位流量大、效率高、高效區(qū)寬廣、效率變化平緩、大流量區(qū)效率高等特點(diǎn)。最終選取轉(zhuǎn)輪直徑4.5 m，額定轉(zhuǎn)速100 r/min。

此時，水輪機(jī)的運(yùn)行范圍（見圖1）位于模型綜合特性曲線的理想?yún)^(qū)域，水輪機(jī)既可以得到較高的綜合平均效率，又可以改善水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的空蝕性能，降低機(jī)組的安裝高程。

圖1 GZY1149-WP-450 水輪機(jī)真機(jī)運(yùn)行區(qū)圖

3.4 安裝高程確定

燈泡貫流式水輪機(jī)安裝高程的確定，需要同時滿足以下2個條件：

（1）在各種可能出現(xiàn)的運(yùn)行工況下避免空化的要求；

（2）尾水管出口最小淹沒深度不小于0.5 m。

貫流式水輪機(jī)的出力限制主要是由空化條件來決定的，控制空化的主要措施之一是通過調(diào)整機(jī)組安裝高程來調(diào)整裝置空化系數(shù)σp，使得水輪機(jī)運(yùn)行時滿足σp＞σc。降低安裝高程的目的主要是汛期可以增大機(jī)組的過機(jī)流量，減少棄水，獲得更多的汛期電量。顯然，一味地降低安裝高程，會大幅增加電站的投資，因此需要找到一個經(jīng)濟(jì)技術(shù)的平衡點(diǎn)。

由于轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)同樣具有出力限制線，安裝高程小到一定值時，再降低安裝高程，電量也不再增加，這時的安裝高程為臨界安裝高程，為水輪機(jī)選擇高程的下限值。而滿足水輪機(jī)出口淹沒深度不小于0.5 m，為水輪機(jī)選擇安裝高程的上限值。

因此，我們需要從2個方面進(jìn)行計(jì)算、比較，最終確定本站的安裝高程：

首先，我們計(jì)算本站的吸出高度，一般地計(jì)算公式為：

由于模型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑小，在模型試驗(yàn)時，轉(zhuǎn)輪槳葉頂部與底部之間的空化系數(shù)差別很小，可以忽略不計(jì)。但對真機(jī)，轉(zhuǎn)輪直徑很大，即轉(zhuǎn)輪頂部到底部的垂直距離很大，空化系數(shù)的差別也隨之增大，選擇不同的計(jì)算點(diǎn)，吸出高度Hs有較大的差異，因此取轉(zhuǎn)輪直徑上部的一半，作為計(jì)算點(diǎn)，來計(jì)算吸出高度，計(jì)算公式為：

式中，▽為水輪機(jī)主軸中心線高程，▽為59 m；σc為臨界空化系數(shù)；K為空化安全系數(shù)，取1.05；H為額定工況點(diǎn)的水頭；D1為轉(zhuǎn)輪直徑。

相應(yīng)地，越南松蘿4吸出高度按額定水頭10%超出力的工況選取，σc取1.5274，要求的吸出高度Hs=-1.95 m。

另一方面，我們驗(yàn)算尾水淹沒要求。在計(jì)算吸出高度時，考慮到尾水管出口高度8.1 m，尾水管出口到機(jī)組中心線距離4.05 m，為保證機(jī)組運(yùn)行在任何工況下，尾水管出口不進(jìn)氣，機(jī)組的出口應(yīng)有一定的淹沒深度，任何工況下的尾水位均應(yīng)至少高于尾水管出管0.5 m，由這一條件決定安裝高程的上限。由于本電站的水頭較低，機(jī)組安裝高程由尾水管淹沒深度的條件決定。

本電站的吸出高度Hs=-4.55 m即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這種況條件是足夠安全的。

最終，經(jīng)與相關(guān)專業(yè)協(xié)商、綜合評比后，在本著增加汛期發(fā)電量的目標(biāo)，降低0.9 m吸出高度，最終確定本電站的吸出高度Hs=-5.45 m。

4 結(jié)束語

首臺機(jī)組已于2017年10月正式投運(yùn)，全部3臺機(jī)組于2017年11月底正式投入商業(yè)運(yùn)行。3臺機(jī)組投運(yùn)后，電站無法發(fā)足裝機(jī)容量。此時機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，但是由于過機(jī)流量的增加，下游水位上升，實(shí)際工作水頭下降，設(shè)計(jì)水頭達(dá)不到設(shè)計(jì)值，影響了機(jī)組出力。在弄清楚問題所在后，電站清理了電站尾水，而恰好前期的參數(shù)選擇時，降低了安裝高程0.9 m，從而使得尾水位有降低的可能，在實(shí)際尾水位下降0.5 m，保證了3臺機(jī)同時發(fā)額定出力。

這是燈泡貫流式水輪機(jī)電站設(shè)計(jì)時，必須要重視的一個問題，即燈泡貫流式水輪機(jī)的額定水頭的確定問題。燈泡貫流式水輪機(jī)的額定水頭是指電站發(fā)足裝機(jī)容量所需發(fā)電流量對應(yīng)的上下游水位差并扣除水頭損失后的水頭，而不是機(jī)組發(fā)額定出力時的最小水頭，否則難以發(fā)足電站裝機(jī)容量。

日前，電站正常運(yùn)行近半年多，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)如下：有功功率8.396 MW，工作水頭6.7 m，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速100 r/min，導(dǎo)葉開度89.8%，槳葉開度78.2%，機(jī)組振動不超過0.02 mm，擺度不超過0.2 mm。正推瓦瓦溫度約42.6℃，反推瓦瓦溫度36.9℃，定子最高溫度約74℃。

3臺機(jī)滿足出力及水力性能的要求，瓦溫穩(wěn)定，振動、擺度等運(yùn)行參數(shù)均滿足合同要求，該電站的成功運(yùn)行，為我公司進(jìn)軍越南低水頭水力資源開發(fā)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。