岷江犍為航電樞紐工程水輪機選型設(shè)計

姜源清

（中國能源建設(shè)集團廣西電力設(shè)計研究院有限公司，南寧 530023）

岷江犍為航電樞紐工程水輪機選型設(shè)計

姜源清

（中國能源建設(shè)集團廣西電力設(shè)計研究院有限公司，南寧 530023）

岷江犍為航電樞紐工程水輪機水頭運行范圍為4.0～17.4 m，機組選用燈泡貫流式水輪機，單機容量55.6 MW。在總結(jié)目前已投運相近容量的水輪機水力參數(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)外機組制造技術(shù)水平，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較分析，最終確定技術(shù)合理、經(jīng)濟可行的水輪機基本參數(shù)。

燈泡貫流式；水輪機；統(tǒng)計規(guī)律；選型設(shè)計；犍為航電樞紐

1 工程概況

岷江犍為航電樞紐工程位于岷江下游樂山市犍為縣境內(nèi)，是規(guī)劃的岷江樂山至宜賓162 km長河段航電梯級開發(fā)的第3級航電樞紐。犍為航電樞紐總庫容為2.27億m3，總裝機容量為500 MW，為河床式水電站，閘壩式擋水建筑物，Ⅲ級船閘（單級）通航1 000 t級船舶，裝設(shè)9臺燈泡貫流式機組，單機容量55.6 MW。本工程開發(fā)任務(wù)為以航運為主，結(jié)合發(fā)電，兼顧供水、灌溉，并促進地方經(jīng)濟社會發(fā)展。工程等級為二等，工程規(guī)模為大（2）型。

水輪機選型（即水輪機基本技術(shù)參數(shù)的確定）是水電站設(shè)計最基礎(chǔ)最重要的工作之一，特別是在前期的可研階段，選型是否合理直接關(guān)系到整個樞紐的總體布置、廠房尺寸、總投資、電站建成后機組運行的安全穩(wěn)定性、經(jīng)濟效益等問題。

2 水輪機參數(shù)選擇

2.1 電站基本參數(shù)

（1）上游水位。校核洪水位（P=0.1%）339.21 m；設(shè)計洪水位（P=1%）335.31 m；正常蓄水位335.0 m；死水位（最低發(fā)電水位）334.0 m。

（2）下游水位。校核洪水尾水位（P=0.1%）336.83 m；設(shè)計洪水尾水位（P=1%）333.82 m；最低尾水位（按滿足下游最小通航流量要求確定）317.14m。

（3）電站水頭。最大毛水頭17.93 m；最小毛水頭4.5 m；加權(quán)平均水頭14.01 m。

（4）代表性流量。多年平均流量2 520 m3/s；豐水期多年平均流量4 455 m3/s；枯水期多年平均流量848 m3/s。

（5）氣象。多年平均氣溫17.5；極端最高氣溫38.2；極端最低氣溫-2.6；多年平均相對濕度81%。

（6）地震烈度，Ⅶ度。

（7）泥沙特性。懸移質(zhì)含沙量0.27 kg/m3。

2.2 水輪機模型參數(shù)的選擇

2.2.1 機組型式的選擇

本電站水輪機工作水頭范圍在4.0～17.4 m，為低水頭河床式電站，可選用立軸軸流式和燈泡貫流式兩種機型。立軸軸流式水輪機設(shè)計、制造、安裝、運行均有較為豐富的經(jīng)驗。貫流機目前發(fā)展較快，與軸流機相比具有效率高、土建工程量較省等優(yōu)點。根據(jù)目前已投運兩種型式機組的單機容量和機組轉(zhuǎn)輪直徑等參數(shù)，結(jié)合機組的制造技術(shù)水平和經(jīng)濟性，選定7臺軸流機和9臺燈泡貫流機進行比選。通過機組參數(shù)、廠房布置、樞紐布置、能量指標、經(jīng)濟指標、機組制造技術(shù)水平6方面的經(jīng)濟指標，綜合分析貫流式機組較優(yōu)，故機組形式選定為燈泡貫流式。

2.2.2 比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)

比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)是衡量水輪機能量特性、經(jīng)濟性、先進性的綜合性能指標，也反映了水輪機設(shè)計制造水平，在水頭相同的情況下，提高比轉(zhuǎn)速，可以減小機組和廠房尺寸，降低工程造價，特別是大容量的機組更是如此，但比轉(zhuǎn)速的提高，往往受水輪機的加權(quán)平均效率、水輪機剛度、強度、空化、泥沙磨損、運行穩(wěn)定性等方面的制約，過高的比轉(zhuǎn)速易引發(fā)水力不穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)輪開裂、汽蝕性能差等問題，在技術(shù)上存在一定的難度和風險，所以，對于大型機組，比轉(zhuǎn)速不可盲目追求過高水平，最大值不建議超過目前國際（或國內(nèi)）先進水平。表1為國內(nèi)、外部分較有代表性的低水頭電站燈泡貫流式水輪機的ns、K值。表2為國內(nèi)、外部分有代表性的ns統(tǒng)計公式及其應(yīng)用于本電站的計算值。

表1 部分低水頭電站燈泡貫流式水輪機的ns、K值

表2 部分有代表性的ns統(tǒng)計公式應(yīng)用于本電站的計算值（Hr=12.5 m）[1]

從表1中可以看出，額定水頭介于8～11 m之間，機組比轉(zhuǎn)速范圍為990～900之間；額定水頭13～20 m之間，機組比轉(zhuǎn)速范圍為880～650之間。統(tǒng)計規(guī)律計算的本電站機組比轉(zhuǎn)速范圍為746.8～820.2。根據(jù)已投運機組的機組容量、額定水頭、比轉(zhuǎn)速的相關(guān)參數(shù)，結(jié)合本電站的機組參數(shù)，在統(tǒng)計公式的基礎(chǔ)上，推薦本電站較合適的比轉(zhuǎn)速范圍為750～850m·kW，對應(yīng)的比速系數(shù)范圍為2651～3005。

2.2.3 額定轉(zhuǎn)速

額定轉(zhuǎn)速與比轉(zhuǎn)速的關(guān)系：nr=nsHr1.25/Nt0.5，則額定轉(zhuǎn)速 nr=（750～850）× Hr1.25/Nt0.5=73.8～83.6 r/min，此轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的標準轉(zhuǎn)速為75 r/min和83.3 r/min，暫取額定轉(zhuǎn)速nr=83.3 r/min。

2.2.4 單位流量和單位轉(zhuǎn)速

額定點的單位流量和單位轉(zhuǎn)速的選擇需要考慮一個平衡的問題，既要保證最低水頭工況下的效率不能過低，從而保證機組穩(wěn)定運行，也要考慮高水頭工況下單位轉(zhuǎn)速不能偏離最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速太多，避免出現(xiàn)槳葉背部脫流現(xiàn)象的產(chǎn)生，從而導(dǎo)致機組運行中振動加大，這兩者是個矛盾體。另外，提高單位流量Q11可以提高比轉(zhuǎn)速ns，減小轉(zhuǎn)輪直徑，但取較大的單位流量，可能會導(dǎo)致較大的空化和運行的不穩(wěn)定性，燈泡貫流機Q11的選擇，應(yīng)全面考慮以上因素。單位流量的選擇從轉(zhuǎn)輪軸面流速Vm入手，根據(jù)公式（Vm取13～13.5 m/s，4葉片轉(zhuǎn)輪輪轂比d 取0.38），則單位流量Q11約為2.47～2.56 m3/s[2]。

根據(jù)貫流機4葉片轉(zhuǎn)輪模型曲線的統(tǒng)計（水頭范圍在3-20 m），最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速在147～168 r/min范圍內(nèi)。對于貫流機額定單位轉(zhuǎn)速nr11=（1.02～1.25）× n10（r/min），此處暫取系數(shù) 1.1，即 nr11=161～184 r/min，暫取nr11=175 r/min。

選取一個4葉片，最大應(yīng)用水頭在20 m以內(nèi)的貫流機模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線復(fù)核額定點的選取是否合理（Qr11=2.47 m3/s，nr11=175 r/min），在該曲線上最低水頭對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速為nmin11=312.4 r/min，最高水頭對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速為nmax11=149.8 r/min，最高水頭對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速與最優(yōu)效率點對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速（n最優(yōu)11=153.5 r/min）之間的比值為0.975，較為合理。另外最低水頭對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速在曲線上的效率值到大部分都超過60%，因此額定點的選擇兼顧了高水頭和低水頭運行區(qū)域的穩(wěn)定性。

2.2.5 轉(zhuǎn)輪直徑的確定

查閱適合該水頭段的4葉片轉(zhuǎn)輪最優(yōu)效率ηmax=93.91%、94.17%、94.22%，暫取模型最優(yōu)效率η=94.0%，查閱適合該水頭段的4葉片轉(zhuǎn)輪在以上暫定的nr11、Qr11下對應(yīng)的模型額定點效率ηr=92.0%～93.0%，暫考慮效率修正值為1.5%，則額定點真機效率水平指標設(shè)定為ηt=93.5～94.5.0%。

轉(zhuǎn)輪直徑計算公式：

根據(jù)不同廠家開發(fā)的轉(zhuǎn)輪水平的不同，其效率值也有高低，同時單位過流量的大小也有不同，綜合來看，犍為轉(zhuǎn)輪直徑D1應(yīng)在7.4～7.5 m之間。

Nt——水輪機額定出力（kW）；

Q11——水輪機額定單位流量（m3/s）；

Hr——水輪機額定水頭（m）；

ηr——水輪機額定點效率（%）。

2.2.6 吸出高度和安裝高程

燈泡貫流式水輪機的流道呈水平布置，因為過流量大，流道的斷面面積比較大，尾水管出口頂部高程相應(yīng)較高，故確定水輪機安裝高程時除應(yīng)滿足不同工況下的空化特性要求外，還應(yīng)核算尾水管出口頂部淹沒深度是否滿足要求。

在電站的運行水頭范圍內(nèi)選擇一系列特征水頭，按滿足水輪機空化特性的要求核算機組安裝高程。經(jīng)計算，滿足空化系數(shù)要求的機組安裝高程由額定水頭工況空化特性要求控制（空化基準點取主軸上方D1/4處），相應(yīng)水庫死水位334 m，下游水位為321.00 m，空化安全系數(shù)取1.1，額定點空化系數(shù)為1.437，則允許吸出高度為-12 m（計至主軸中心），因此滿足空化系數(shù)要求的安裝高程定為309.00 m（主軸中心高程）。

按滿足下游最小通航流量要求，電站最小下泄流量544 m3/s，相應(yīng)下游最低水位為317.07 m/317.14 m（天然/考慮龍溪口回水影響）。當機組安裝高程309.00 m（主軸中心高程）時，尾水管出口頂部高程為315.20 m，滿足尾水管出口頂部淹沒深度大于等于0.5 m的要求。

根據(jù)以上分析可知，機組安裝高程為309.00 m（主軸中心高程）時，能同時滿足水輪機空化特性及尾水管出口頂部淹沒深度的要求。

2.2.7 水輪機主要參數(shù)

綜上分析，選擇的水輪機主要參數(shù)如下：

水輪機型號：GZ（）-WP-740

GZ（）-WP-750

額定功率： 56.98 MW

最大水頭： 17.4 m

額定水頭： 12.5 m

最小水頭： 4.0 m

轉(zhuǎn)輪直徑： 7.4 m～7.5 m

額定流量： 494 m3/s

額定效率： 94%

額定轉(zhuǎn)速： 83.3 r/min

吸出高度： -12 m

安裝高程： 309.00 m

額定點比轉(zhuǎn)速： 845 m·kW

額定點比速系數(shù)：2 988

3 結(jié)論

根據(jù)本電站的水能參數(shù)，收集整理了國內(nèi)外近10年，水輪機額定功率為41 MW～76.5 MW之間，額定水頭為8.6 m～19.6 m之間，一系列大容量大尺寸，并已投運的燈泡貫流式機組資料，充分研究已投產(chǎn)機組的參數(shù)水平，結(jié)合當前水輪機設(shè)計制造技術(shù)水平，在統(tǒng)計公式基礎(chǔ)上，經(jīng)經(jīng)濟技術(shù)指標分析，最終選定了經(jīng)濟合理的水輪機基本參數(shù)。對于大型燈泡貫流式水輪機參數(shù)的選擇，通過調(diào)研分析，掌握同類規(guī)模的機組參數(shù)水平（比轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)輪直徑、燈泡比、單位流量、單位轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速、空化安全系數(shù)、模型空化系數(shù)）和機組運行數(shù)據(jù)，對經(jīng)濟合理的選擇機組參數(shù)具有極其重要的指導(dǎo)意義，犍為項目水輪發(fā)電機組招標結(jié)果顯示，中標的2個廠家投標方案，轉(zhuǎn)輪直徑分別為7.4 m和7.5 m，本文的理論分析在實踐中得到了驗證。

[1] 梁維燕，邴鳳山，饒芳權(quán)，等.中國電氣工程大典第5卷[M].北京：中國電力出版社，2010.

[2] 田樹棠.貫流式水輪發(fā)電機組及其選擇方法[M].北京：中國電力出版社，2000.

（責任編輯：劉征湛）

Selection of turbine type for Qianwei Navigation-Power Project on Minjiang River

JIANG Yuan-qing
(GuangxiElectricPowerDesign&ResearchInstituteCO.,LTD.ofChinaEnergyEngineeringGroup,Nanning 530023,China)

In view of the water head variable within 4.0～17.4m,bulb turbine generator units are selected for Qianwei Navigation-Power Project on Minjiang River.Each unit has a capacity of 55.6MW.Based on a summary of parameters of turbines which have similar capacity and had been put into operation,taking into consideration the manufacturing technology of China and foreign factories,parameters of turbine were determined for this project after comparison and analysis of technical and economic indexes.

Bulb type;turbine;statistic rule;selection of type;Qianwei Navigation-Power Project

TM312；TV734.2

B

1003-1510（2016）06-0040-03

聲 明

《廣西水利水電》編輯部

2016-09-28

姜源清（1979-），男，廣西貴港人，中國能源建設(shè)集團廣西電力設(shè)計研究院有限公司工程師，學士，主要從事水電站水力機械設(shè)計工作。

本刊已許可中國學術(shù)期刊（光盤版）電子雜志社在中國知網(wǎng)及其系列數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品中以數(shù)字化方式復(fù)制、匯編、發(fā)行、信息網(wǎng)絡(luò)傳播本刊全文。該社著作權(quán)使用費與本刊稿酬一并支付。作者向本刊提交文章發(fā)表的行為即視為同意上述聲明。