基于龍虎山水電站水輪機選型設計

姜宏君，苑慶山

( 黑河辰能西溝水電有限責任公司，黑龍江 黑河164300)

0 概 述

龍虎山水電站( 原二道溝水電站) 位于牡丹江下游，黑龍江省林口縣境內，距上游蓮花水電站29 km，是牡丹江梯級電站之一。電站廠房為河床式，廠房壩段位于左岸。樞紐主要建筑物包括混凝土重力擋水壩段、泄洪閘、河床式廠房，大壩全長574 m。電站總裝機容量為65 MW。電站最大水頭11 m，設計水頭7.9 m，最小水頭4.6 m，極端最小水頭3.6 m。電站以發電為主、兼有灌溉、養殖等綜合利用功能。

1 電站基本參數

電站基本參數包括8個方面:

1) 電站布置型式:河床式布置。

2) 裝機容量:65 MW。

3) 機組年利用小時數:1 926 h。

4) 多年平均發電量:1.2524 ×108kW·h。

5) 水庫調節性能:日調節。

6) 上游水位: 校核洪水位為155.67 m( P =0.2%) ; 設計洪水位為154.11 m( P =1%) ; 正常高水位為154.00 m; 水庫死水位為153.00 m;極限最低水位為146.68 m。

7) 下游水位: 校核洪水位為155.04 m( P =0.5%) ; 設計洪水位為153.68 m ( P = 2%) ; 5 臺機發電水位為145.33 m;1 臺機發電水位為143.64 m;1 臺小機發電水位為142.88 m。

8) 電站水頭: 最大水頭為11.0 m; 額定水頭為7.90 m;最小水頭為4.60 m;極端最小水頭為3.60 m。

2 過機含沙量指標的確定

本電站位于黑龍江省內牡丹江干流下游，其上游有蓮花等幾座電站水庫調節，泥沙含量很小，河水多年平均含砂量0.12 kg/m3，屬少泥沙河流，故在機組選擇及參數確定上不考慮泥沙的影響。

3 電站機組臺數的確定

本電站總裝機容量為65 MW，考慮電站下游農業用水50 m3/s全年不中斷供水要求，結合電站運行方式和經濟性，經綜合分析全廠設1 臺(3.5 MW) 小機組，以滿足下游農業供水要求。

為合理確定龍虎山水電站機組臺數和單機容量，確保電站的可靠性、靈活性及綜合經濟效益，我們對電站裝機臺數3 +1 臺、4 +1 臺和5 +1 臺機組3個方案進行了比較，結果詳見表1。

通過對各方案的綜合分析比較，可以看出，3 大+1 小方案靜態投資高、單位電能投資較高;5 大+1 小方案多年平均電能少、單位電能投資高。故推薦選用4 大+1 小機組方案。

表1 機組臺數比較表

4 水輪機型式和參數選擇

4.1 水輪機型式選擇

本電站運行水頭范圍為3.6 ～11.0 m，按《DL/T5186—2004》水力發電廠機電設計規范4.1.1 條規定，對于最大水頭20 m及以下的徑流水電廠，宜優先選用貫流式水輪機。

燈泡貫流轉槳式機組具有適應水頭和出力變幅大、流道簡單、過流能力大、能量指標高的優勢，又因其單位流量大、單位轉速高，故水輪機、發電機的尺寸較小，重量較輕，土建工程量少。故推薦龍虎山水電站采用燈泡貫流式水輪發電機組。

4.2 水輪機參數的選擇

4.2.1 比轉速

比轉速ns及比速系數K 是水輪機的重要特征參數之一，它表征水輪機的綜合經濟技術水平。選用較高比轉速的水輪機會帶來很大的經濟效益，但比轉速的提高往往又受水輪機的平均效率、穩定性、空化、磨蝕以及剛度和強度等性能的制約。所以，需針對電站的具體情況，對比轉速ns及比速系數K 進行綜合比較分析，擇優選取。

為了分析龍虎山水電站水輪機比轉速水平，我們根據國內外不同統計公式，并結合電站的具體參數進行了計算，計算的水輪機比轉速ns及比速系數K 結果見表2。

表2 不同統計公式計算ns值匯總表

為了更加合理的確定龍虎山水電站水輪機的比轉速nS，我們又收集和統計了國內與龍虎山水電站水頭段相近的水輪機參數見表3。

表3 國內部分大中型燈泡貫流式水輪機主要參數(1980年以后投產)

根據當前國內外水輪機的實際設計制造水平和國內外已運行電站機組的統計資料，本電站額定水頭Hr=7.9 m，根據不同統計公式( 見表2) 計算取比轉速ns= 850 ～1 000 m·kW，比速系數K=2470 ～3000。

從表3 可以看出，該水頭段水輪機比轉速范圍在ns=850 ～1 100 m·kW。根據本電站水頭變幅情況和結合機組在電力系統中的運行特點，并考慮梯級電站的運行方式和電站裝機容量情況，水輪機比轉速不宜選擇過高。因此，本設計階段我們取水輪機比轉速ns=850 ～900 m·kW作為預期值。相應的比速系數K=2390 ～2530。

4.2.2 水輪機效率

根據當前國內外水輪機的實際設計制造水平，并考慮到國外幾個著名水輪機制造商在中國合資建廠的情況，要求水輪機額定點效率≥93.8%，最高效率≥94.6%。

4.2.3 水輪機單位流量和單位轉速

比轉速ns確定后，單位轉速n1'及單位流量Q1'的不同匹配將直接影響電站的技術經濟指標。提高單位流量可以得到較小的轉輪直徑，減小機組尺寸，縮小廠房尺寸，但同時機組的裝置空蝕系數增大，導致機組安裝高程降低，增加了水下部分的開挖量; 提高單位轉速可以提高機組的同步轉速，降低機組造價，但受到葉片強度、空蝕和磨損等因素的制約。所以單位轉速n1'和單位流量Q1'的合理搭配是一個較為復雜的技術經濟比較問題。

根據瑞典專家推薦公式:( n1' =(620 ～10Hp) /3，Q1' =( n1'－ 55) /50) 計 算，n1' 值 為180.33 r/min，Q1' 值 為2.51 m3/s。

根據西北院推薦公式: ( n1' =78.95 +0.1144ns，Q1' =5.3178ns0.918/1000) 計算，n1'值在170.5 ～193.4 r/min，Q1'值在2.46 ～3.02 m3/s。

根據以上統計分析，初步確定龍虎山電站水輪機的單位流量Q1'值應在2.50 ～2.90 m3/s，單位轉速n1'值在175 ～190 r/min。

4.2.4 水輪機空蝕

電站使用的裝置空蝕系數與水輪機的比轉速ns 和單位流量Q1'有關，根據西北院推薦公式( σy =1.5154ns1.712×10－5) 計算，σy 值在1.41 ～2.1。

綜上所述，水輪機預期主要參數如下:

水輪機比轉速ns:850 ～900 m·kW

水輪機額定效率:≮93.8%

水輪機最高效率:≮94.6%

單位流量Q1':2.50 ～2.90 m3/s

單位轉速n1':175 ～190 r/min

裝置氣蝕系數σy:1.41 ～2.1

4.3 水輪機模型比較選擇

本電站的水頭范圍3.6 ～11 m，根據現有公開的模型資料，并征詢了有關制造廠商建議，可供本電站選用的模型轉輪有GZ( B14) 、GZ995、GZTF07。本階段設計按這3個轉輪進行比選，各轉輪主要參數見表4。

表4 適合于本電站的轉輪模型參數

從表4 可以看出GZB14 和GZTF07 的水輪機額定工況點比轉速較高，GZ995 較低，3個模型轉輪能量指標及氣蝕指標較為接近，而GZ( B14) 已應用于廣西百龍灘、福建竹洲、浙江趙山渡等電站，運行效果較好，故推薦選用GZB14 轉輪。

小水輪機與大水輪機采用相同的轉輪，在設計水頭時小機組發出額定功率為3.5 MW，額定流量為50.12 m3/s。最大水頭時小機組發出額定功率 3.5 MW 過流量為35.67 m3/s，滿足下游供水要求。

4.4 水輪機型號確定

經綜合考慮，層層比選，龍虎山水電站最終選定水輪機型號及主要參數如下:( 括號內為小機組)

1) 水輪機型號:GZB14－WP－575(274) 。

2) 轉輪直徑:5.75(2.74) m。

3) 額定功率:15.968(3.636) MW。

4) 額定流量:219.66(50.12) m3/s。

5) 額定轉速:88.20(187.5) r/min。

6) 設計點單位流量:2.51(2.52) m3/s。

7) 設計點單位轉速:175.10(177.45) r/min。

8) 額定效率:93.8(93.6) %。

9) 最高效率:94.6(94.6) %。

10) 允許吸出高度:－6.76m( 至主軸中心線高程) ;－3.61m( 小機) 。

11) 額定比轉速:( 大機)841 m.kW;( 小機)853m.kW。

GZB14－WP－575( 274) 水輪機運轉特性曲線分別見圖1、圖2。

圖1 GZB14－575 水輪機運轉特性曲線圖

圖2 GZB14－274 水輪機運轉特性曲線圖

5 結束語

龍虎山水電站采用的GZB14－WP－575(274) 型水輪機是在綜合考慮龍虎山水電站類型、裝機容量、水頭、流量等因素后，嚴格按照國家設計規范、標準要求，借鑒國內外機組選型經驗數據，經過多方案多次比選做出的正確選擇，符合設計要求，也完全滿足該電站安全、穩定、經濟運行需求。

［1］柴偉，周立軍. 龍虎山水電站施工導流方案優化［J］. 黑龍江水利科技，2011，39(1) :105－106.

［2］尼瑪，張巧麗. 淺談小型水電站水輪機選型設計要求［J］. 西藏科技，2009(6) :12－14.