波波娜水電站水輪機主要目標參數選擇

劉　峰，安　剛

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊830000）

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波波娜水電站水輪機主要目標參數選擇

劉峰，安剛

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊830000）

摘要：根據波波娜水電站的工程特點，結合國內部分相同水頭段水輪機參數的統計和分析，提出適合本電站運行條件的預期模型水輪機和原型水輪機的主要技術參數，為電站長期穩定運行奠定了良好的基礎。

關鍵詞：水輪機；目標參數選擇；水力穩定性

0　前言

波波娜水電站位于新疆和田地區喀拉喀什河上，為引水式電站。電站距上游烏魯瓦提水利樞紐工程約30 km，距和田市41 km。該電站是一個以發電為主的工程，該工程的任務是：利用烏魯瓦提水庫調節后的下泄水量發電，向和田電力系統提供電量，承擔電力系統部分調峰和備用任務。

本電站發電引水系統采用“1洞3機”布置型式，壓力管道長度11.63 km，叉管上游設置阻抗式調壓井。廠內安裝三臺單機容量50 MW的立軸混流式水輪發電機組，電站裝機總容量為150 MW。最大水頭259.68m，加權平均水頭243.13m，額定水頭242m，最小水頭236.39 m，電站保證出力34.8 MW，年利用小時數4 439 h，年發電量6.66億kW·h，多年平均含沙量2.41 kg/m3。

1　水輪機主要目標參數選擇

波波娜水電站因為利用烏魯瓦提水庫調節后的下泄水量發電，所以上游水庫保證了電站的引水在正常時間內水質較好，當水庫因運行需要排洪時，河水水質較差，泥沙較大。因此在水輪機目標參數選擇時，應結合制造廠家資料，重點考慮單位轉速和單位流量參數的匹配。

1.1比轉速和比速系數

比轉速ns是衡量水輪機綜合性能的重要技術指標。ns直接反映了水輪機的設計制造水平及其能量、空蝕性能的優劣，比速系數K（K=ns×H0.5）則反映了水輪機的技術發展水平。一般來說，在水頭相同的情況下，選用較高比轉速的水輪機，可以提高機組轉速，減小機組尺寸，降低機組造價。但水輪機比轉速的提高，往往受到水輪機效率、運行穩定性、空化、磨蝕性能以及強度等諸多因素的制約。通常采用經驗或統計公式來表征比轉速與水頭的關系，并認為比速系數K值是代表比轉速的特征參數。本電站屬中高水頭段，水輪機參數選擇首先應考慮水力穩定性，其次是能量特性，因此比速系數不宜選擇過高。對國內與本電站水頭相近水電站所用水輪機的比轉速及比速系數進行了統計分析，見表1。經綜合分析本電站水輪機比速系數的合理選擇范圍在1500～1700之間，相應比轉速在ns=97～110 m·kW內。

表1　國內部分同水頭段大中水電站比速系數、比轉速統計

1.2單位轉速及單位流量

（1）提高單位轉速n1憶，降低單位流量Q1憶。可以提高機組的同步轉速，減輕發電機重量，進而降低機組造價。提高單位轉速n1憶后，還可有效地使水輪機在運行中避開葉道渦區域，通常取最大水頭對應的n1max為0.95倍的最優單位轉速n10。但提高單位轉速n1憶應適量，過高的n1憶會使Q1憶減小，進而引起葉片出口相對速度的增加，特別在多泥沙河流會加重水輪機的空蝕性；同時Q1憶減小后，轉輪直徑也會增加，水輪機重量要加大，機組造價將提高。

（2）提高單位流量Q1憶，降低單位轉速n1憶?？梢詼p小水輪機轉輪直徑，減輕機組重量，縮小尾水管高度，減少廠房開挖量。但過大的單位流量Q1憶會使水輪機臨界空化系數增加很快，吸出高度Hs變小，機組安裝高程降低，廠房開挖量增加，土建投資擴大；也會使機組過流面流速增大，磨損加劇，機組強度受到嚴峻的考驗，降低機組運行的穩定性。

參數匹配的含義是通過調整單位轉速n1憶和單位流量Q1憶，使原型水輪機運行區域按照徑流特點處于最佳狀態。一般而言，對于水頭變幅較小，單機容量較大的電站，參數之間容易實現最佳匹配。

由國內轉輪模型參數統計可知，當ns在97～110 m·kW時，n1憶在60～65 r/min之間較合適。計算出相應單位流量Q1憶=0.29～0.33 m3/s之間。

1.3水輪機效率

水輪機效率是評價水輪機能量特性的重要指標，直接影響電站的發電效益，近年來，隨著水輪機設計技術的發展和采取現代化的制造手段和先進工藝，水輪機效率得到不斷提高。

資料統計表明，目前在300 m水頭段的水輪機，國內已有部分轉輪的模型最高效率超過92.5 %，但大部分模型轉輪最高效率則在91 %左右，額定點效率超過87 %，因此選定本水電站水輪機模型最高效率應不低于91.5 %，額定點效率應不低于87.5 %，真機最高效率應不低于93 %，額定點效率應不低于89 %，真機效率由模型效率按Moody公式計算值的2/3修正而得出。

1.4空化系數

水輪機空蝕性能的好壞直接影響機組運行的安全可靠性和電站的經濟性，電站裝置空蝕系數應合理選擇，取值過低將加重水輪機的空蝕破壞；取值過高并不能使空蝕破壞得以明顯改善，反而造成吸出高度負值過大，增加廠房地基開挖深度，并且機組自然補氣困難。根據不同的經驗公式，計算得出該電站應具有的裝置空蝕系數范圍見表2。

表2　電站裝置空蝕系數統計表

從表2中可看出電站裝置空蝕系數在0.04～0.062之間，國內裝置空蝕系數高于其它國家。同樣因受地形地質等因素所影響，決定選取較小的裝置氣蝕系數，提高水輪機的吸出高度。綜合考慮，選定本電站的裝置氣蝕系數不得大于0.045，相應的水輪機吸出高度不得低于-6 m。

2　水輪機轉輪的目標參數

機組型式：立軸混流式

比轉速：97～110 m·kW

單位轉速：60～65 r/min

單位流量：0.29～0.33 m3/s

裝置空蝕系數：0.045～0.055

本電站運行水頭為236.39～259.68 m，采用混流式水輪機，目前國內這一水頭段比較優秀轉輪有A351、A520、A550等，對這些轉輪進行比較，參數見表3。

對表3進行綜合分析，經過經濟比較認為，HLA351轉輪參數滿足目標參數且設備及土建投資均較優，推薦HLA351轉輪開展設計工作。

A351轉輪是哈爾濱大電機研究所針對魯布革電站的運行情況研發出的改進轉輪，是國內目前400 m水頭段技術較成熟的轉輪，轉輪所采用的長、短葉片，經分析也是較適合于新疆波波娜水電站穩定運行的轉輪。

表3　水輪機轉輪比較表

3　水輪機參數的確定

按A351型轉輪，確定水輪機主要參數如下：

水輪機額定出力：51.28 MW

額定水頭：242 m

轉輪直徑D1：2.35 m

額定轉速：428.6 r/min

飛逸轉速：700 r/min

額定流量：23.4 m3/s

額定效率：92.2 %

最高效率：94.3 %

額定比轉速：102 m·kW

比速系數：1 578

吸出高度Hs：-6 m

4　結束語

波波娜水電站已于2011年4月3臺機組全部投入商業運行，截止到2015年10月，3臺機組累計發電量已超過30.7億kW·h，電站的經濟效益和社會效益初步顯現。從機組投入運行后的情況來看，水輪機的主要參數和性能指標基本滿足設計要求，水輪機主要參數的選擇是先進、合理和可行的。

參考文獻：

[1]吳勝華，黃靖乾，陸星，等.錦屏二級水電站水輪機主要參數選擇［J］.水力機械技術，2015（3）：9-18.

作者簡介：劉峰（1981-），男，工程師，從事水電站水力機械設計工作。

收稿日期：2015-12-23

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.04.004

中圖分類號：TK730.2

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2016）04-0014-03