何 峰，胡定輝，何志鋒，何昌炎

（長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北武漢 430010）

1 工程背景

扎拉水電站是西藏自治區(qū)玉曲河干流下游河段七級開發(fā)方案中的第六級，其主要任務(wù)是發(fā)電。電站采用混合式開發(fā)方式，引水線路長約5 km，引水系統(tǒng)采用1洞1室2管4機(jī)布置。電站裝機(jī)規(guī)模（不含生態(tài)電站）為1 000 MW，采用4×250 MW 沖擊式水輪機(jī)組的裝機(jī)方案，水輪機(jī)額定功率為254.84 MW，單機(jī)容量居于國內(nèi)沖擊式機(jī)組電站的首位。

2 水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)

2.1 基本參數(shù)

2.1.1 水位

扎拉水電站校核洪水位（P=0.1%）為2 816.25 m，設(shè)計(jì)洪水位（P=1%）為2 815.00 m，正常蓄水位為2 815.00 m，死水位為2 811.50 m，廠房處設(shè)計(jì)洪水位（P=1%）為2 120.92 m。

2.1.2 主要動能指標(biāo)

扎拉水電站裝機(jī)容量為1 000 MW，最大水頭為690.55 m，加權(quán)平均水頭為675.67 m，額定水頭為667.40 m，最小水頭為677.35 m，保證出力為129 MW。

2.1.3 泥沙

多年平均過機(jī)泥沙含量為0.2 kg/m3。

2.2 水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)特點(diǎn)和難點(diǎn)

扎拉水電站最大水頭690.55 m，水頭較高，多年平均過機(jī)泥沙含量0.2 kg/m3，泥沙含量較高，容易造成噴嘴、轉(zhuǎn)輪等過流部件嚴(yán)重磨損，水輪機(jī)性能參數(shù)不宜過高［1］。

扎拉水電站單臺水輪機(jī)的額定功率為254.84MW，單機(jī)容量大?？紤]到電站以發(fā)電為主，水輪機(jī)性能參數(shù)亦不能偏低。

此外，扎拉水電站單機(jī)容量超過了國內(nèi)制造廠商已有的沖擊式水輪機(jī)制造難度系數(shù)，對于國內(nèi)制造廠商的生產(chǎn)能力是一次挑戰(zhàn)。

3 水輪機(jī)參數(shù)選擇

（1）比轉(zhuǎn)速［2-3］。沖擊式水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速ns與噴嘴數(shù)的平方根成正比，增加噴嘴數(shù)可提高比轉(zhuǎn)速，大型沖擊式水輪機(jī)的噴嘴數(shù)大多為4～6 個?？紤]比轉(zhuǎn)速、運(yùn)行平衡性、負(fù)荷調(diào)節(jié)靈活性和穩(wěn)定性等因素，扎拉水電站推薦選擇6噴嘴水輪機(jī)。

根據(jù)理論分析和資料統(tǒng)計(jì)，單個噴嘴的比轉(zhuǎn)速在11.5～23 之間。通過統(tǒng)計(jì)公式ns1=284.2Hr-0.4388和ns1=85.49Hr-0.243的計(jì)算結(jié)果，其中Hr 為額定水頭，同時(shí)結(jié)合電站汛期含沙量較大的特性，初步確定扎拉水電站水輪機(jī)單噴嘴比轉(zhuǎn)速在15.0～19.5之間。

（2）單位轉(zhuǎn)速。沖擊式水輪機(jī)的單位轉(zhuǎn)速取決于噴嘴的速度系數(shù)和轉(zhuǎn)輪節(jié)圓線速度與射流速度的比值，一般為（38.0～41.0）r/min。水斗式水輪機(jī)基本原理模型最優(yōu)速度比為0.5，則最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速應(yīng)約為41.66 r/min。近年國內(nèi)廠商制造的大容量沖擊式水輪機(jī)的單位轉(zhuǎn)速較高，如金窩電站為40.89 r/min，厄瓜多爾科卡科多-辛克雷電站為40.87 r/min。

實(shí)際水輪機(jī)在運(yùn)行中會產(chǎn)生各種能量損失，按照目前的技術(shù)水平，扎拉水電站水輪機(jī)最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速在40 r/min左右。

（3）相對直徑D1/d0。D1/d0與水輪機(jī)效率、單位流量、比轉(zhuǎn)速、水力性能、水輪機(jī)結(jié)構(gòu)和機(jī)械強(qiáng)度等密切相關(guān)，減小相對直徑可以提高比轉(zhuǎn)速，但過多減小相對直徑，將會帶來結(jié)構(gòu)布置上的困難，水斗數(shù)少，水斗根部強(qiáng)度差，容易產(chǎn)生裂紋或斷斗，而且水輪機(jī)效率偏低。增加相對直徑可以提高水輪機(jī)效率，但過多增加相對直徑，將導(dǎo)致水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪較薄，水斗數(shù)多，水斗尺寸小，制造困難。轉(zhuǎn)輪斗葉的應(yīng)力水平與水頭成正比，而與D1/d0的平方成反比，為使斗葉應(yīng)力保持在允許水平，高水頭水輪機(jī)應(yīng)選擇合適的D1/d0值。

根據(jù)統(tǒng)計(jì)公式D1/d0=248.55ns1-1.055，計(jì)算得D1/d0的范圍為10～18，且真機(jī)的相對直徑應(yīng)盡量與模型一致。根據(jù)已開發(fā)的轉(zhuǎn)輪資料，扎拉水電站水輪機(jī)的相對直徑在11.0～16.5之間。

（4）水輪機(jī)效率。水輪機(jī)效率是表征水輪機(jī)能量特性的重要指標(biāo)，直接影響電站的發(fā)電效益。

水斗式水輪機(jī)的效率隨D1/d0的增大而提高。目前，水斗式水輪機(jī)制造水平不斷提升（D1/d0增大），水輪機(jī)模型效率不斷在提高，其平均效率在91.5%以上。本階段推薦扎拉水電站水輪機(jī)額定點(diǎn)效率取值不低于91.5%。

（5）排出高度。沖擊式水輪機(jī)的排出高度應(yīng)考慮以下幾個方面：①尾水渠中的渦流及濺起的水花不能對轉(zhuǎn)輪起制動作用；②保證水霧消散的空間，不增加水輪機(jī)的風(fēng)損；③保證必須的通氣高度，所需通氣量約為機(jī)組額定流量的70%。

排出高度對水輪機(jī)效率影響較大，如果排出高度不足，尾水位逐漸接近轉(zhuǎn)輪，水輪機(jī)效率將逐漸下降，本階段初步確定扎拉水電站水輪機(jī)排出高度為4.8 m。

（6）水輪機(jī)參數(shù)。經(jīng)分析計(jì)算，扎拉水電站水輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

4 大容量沖擊式水輪機(jī)制造可行性

4.1 水輪機(jī)制造難點(diǎn)分析

（1）水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。扎拉水電站轉(zhuǎn)輪節(jié)圓直徑3.49 m，外圓直徑4.45 m，其尺寸較大，制造加工難度較高。水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪加工工藝主要有整體鍛造+數(shù)控加工和鍛焊+數(shù)控加工成型兩種方式。

整體鍛造+數(shù)控加工成型方式，其材料致密度及綜合性能較好，內(nèi)部幾乎沒有缺陷，轉(zhuǎn)輪質(zhì)量較好。目前，鍛件最大尺寸可達(dá)5 m，滿足扎拉水電站轉(zhuǎn)輪的加工尺寸要求。

鍛焊+數(shù)控加工成型方式鍛件尺寸較小，鍛件性能容易得到保證，轉(zhuǎn)輪組裝時(shí)需要高質(zhì)量焊接，轉(zhuǎn)輪機(jī)械性能相對較低，轉(zhuǎn)輪形狀相對難控制。如果制造廠采用數(shù)控加工+無損探傷的加工手段并且能強(qiáng)化質(zhì)量控制，可以保證沖擊式轉(zhuǎn)輪的強(qiáng)度、轉(zhuǎn)輪水斗型線和精度。

扎拉水電站轉(zhuǎn)輪采用整體鍛造+數(shù)控加工或鍛焊+數(shù)控加工成型方式均是可行的。國內(nèi)廠家在厄瓜多爾美納斯項(xiàng)目的轉(zhuǎn)輪制造（轉(zhuǎn)輪節(jié)圓直徑2.46 m，外徑3.17 m）中成功采用了整體鍛造+數(shù)控加工工藝，轉(zhuǎn)輪已加工完成并交付業(yè)主，并形成了一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工藝技術(shù)。鍛焊+數(shù)控加工方式對焊接質(zhì)量要求非常高，國內(nèi)制造廠尚未有大容量沖擊式水輪機(jī)應(yīng)用實(shí)例。扎拉水電站轉(zhuǎn)輪推薦采用整體鍛造+數(shù)控加工的制造方式。

（2）水輪機(jī)噴嘴。前些年，國內(nèi)對沖擊式水輪機(jī)噴嘴的研究不足，大容量水輪機(jī)噴嘴的設(shè)計(jì)制造均需依靠國外技術(shù)。近年來，哈電、東電與安德里茨等水電公司合作，通過將關(guān)鍵部件分包給國外公司，學(xué)習(xí)并吸收了許多關(guān)鍵技術(shù)。

在直流噴管的設(shè)計(jì)上，由國內(nèi)設(shè)計(jì)并制造的吉牛電站的直流噴管已經(jīng)在2013 年成功投運(yùn)。扎拉水電站水輪機(jī)噴嘴在國內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造加工是可行的。

（3）配水環(huán)管。配水環(huán)管制造難度系數(shù)通常用配水環(huán)管進(jìn)口斷面的最大設(shè)計(jì)（工作）水壓P（m）與進(jìn)口直徑D（m）的乘積來表征。隨著機(jī)組的容量和水頭增加，配水環(huán)管制造難度系數(shù)增大，鋼板的應(yīng)力水平及厚度選擇都需要慎重考慮。

表1 扎拉水電站水輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

近年來，國內(nèi)廠家已具備在厄瓜多爾科卡科多-辛克雷沖擊式電站（額定功率為188.3 MW，額定水頭為604 m）中采用屈服強(qiáng)度為500 MPa級的鋼板進(jìn)行配水環(huán)管設(shè)計(jì)制造的能力［4］。在混流式抽水蓄能電站如仙居、敦化（制造難度系數(shù)為2415）等項(xiàng)目上，鋼岔管采用800 MPa級鋼板，國內(nèi)廠家也擁有成熟的焊接工藝及制造能力。

扎拉水電站配水環(huán)管制造難度系數(shù)為1920，在國內(nèi)生產(chǎn)的沖擊式機(jī)組中最大，但相較于混流式機(jī)組，其制造難度不大，國內(nèi)廠家已經(jīng)具備成熟的設(shè)計(jì)和制造能力。

4.2 水輪機(jī)國內(nèi)制造可行性分析

經(jīng)過調(diào)研，國內(nèi)外已投產(chǎn)單機(jī)功率100 MW 以上沖擊式機(jī)組統(tǒng)計(jì)情況見表2。

從上述統(tǒng)計(jì)表可以看出，目前世界上使用水頭最高、容量最大的沖擊式水輪機(jī)以瑞士畢奧德隆水電站為代表，該電站水輪機(jī)額定容量為423 MW，額定水頭1 869 m。

我國沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組起步較晚，但近年發(fā)展迅速，與國外公司合作生產(chǎn)的田灣河大發(fā)電站單機(jī)功率120 MW、四川仁宗海電站單機(jī)功率120 MW、四川金窩電站單機(jī)最大功率160 MW，為厄瓜多爾辛克雷水電站生產(chǎn)的8 臺單機(jī)功率187.5 MW 的沖擊式機(jī)組均已投入運(yùn)行。與沖擊式水輪機(jī)配套的發(fā)電機(jī)在國內(nèi)具有成熟的設(shè)計(jì)制造經(jīng)驗(yàn)。

扎拉水電站單機(jī)功率250MW，相關(guān)設(shè)置與設(shè)計(jì)和制造在國際上具有成熟的經(jīng)驗(yàn)，對于國內(nèi)廠家來說，這是一次對其制造和生產(chǎn)能力的挑戰(zhàn)。目前，國內(nèi)廠家在大容量水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、噴嘴和配水環(huán)管制造等關(guān)鍵技術(shù)上已經(jīng)積累了大量經(jīng)驗(yàn)，因此，扎拉水電站水輪機(jī)立足于國內(nèi)完成設(shè)計(jì)制造，技術(shù)上是可行的。

5 結(jié) 語

（1）在考慮經(jīng)濟(jì)效益最大化和保證電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，確定了扎拉水電站沖擊式水輪機(jī)主要參數(shù)，其方法和思路可為類似高水頭大容量沖擊式水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)提供參考。

（2）經(jīng)過調(diào)研，國外具備大容量沖擊式機(jī)組設(shè)計(jì)能力，但國內(nèi)廠家通過在多個項(xiàng)目中與國外廠家的合作，引進(jìn)、消化沖擊式水輪機(jī)設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)，積累了一定的沖擊式機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。國內(nèi)廠家的機(jī)加工設(shè)備種類齊全，并均已建有沖擊式水輪機(jī)模型試驗(yàn)臺，積累了一定的沖擊式水輪機(jī)模型水力設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。扎拉水電站254.84MW沖擊式水輪機(jī)可以立足于國內(nèi)完成設(shè)計(jì)制造，提高我國在沖擊式水輪機(jī)方面設(shè)計(jì)制造水平，進(jìn)而加強(qiáng)我國裝備制造能力。

表2 單機(jī)功率100 MW以上沖擊式機(jī)組統(tǒng)計(jì)