淺談涇河東莊水電站水輪機選擇

張新萍，楊 森，趙 晗，胡 靜，張曉晗

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

水輪機選擇是在動能計算擬定的水電站工作水頭范圍、引用流量及裝機規模方案的基礎上進行的。內容包括確定單機容量及機組臺數；選定機型和裝置方式；選定水輪機的軸功率、轉輪直徑、同步轉速、吸出高度、安裝高程等基本參數[1]。對于高泥沙、中高水頭的東莊水電站，水輪機選擇決定空化性能、抗磨蝕性能及機組的穩定運行。

1 工程概況

涇河東莊水利樞紐位于陜西省涇河干流，距西安市約90 km。是國家172項節水供水重大水利工程之一。工程的開發任務是以防洪減淤為主，兼顧供水、發電和改善生態等綜合利用，水庫為年調節，總庫容32.76億m3，為Ⅰ等大（1）型工程。東莊水電站裝機容量110 MW，裝設2臺35 MW和2臺20 MW立軸混流式水輪發電機組。引水系統為1洞4機方式，地下廠房。東莊電站承擔電力系統的調峰任務進行調峰運用。日調峰4 h～6 h，其余時間（20 h～18 h）按生態基流、工業供水流量、灌溉流量以及棄水流量進行發電。機組選型應同時滿足生態基流和工業供水流量泄放以及機組高效運行的要求[2]。

2 電站基本參數

電站基本參數：最大水頭為200.92 m；最小水頭為152.04m；出力加權平均水頭為182.9 m；電站引用流量為69.4 m3/s；多年平均（最大）含沙量（建庫前天然河道）為140 kg/m3（310.0 kg/m3）；建庫后含沙量為 15.7 kg/m3～101.22 kg/m3；平均粒徑為0.018 mm；電站年發電量為年利用小時數為2593 h；電站保證出力為17 MW；生態流量為5.33 m3/s～15.99 m3/s，保證率100%；工業供水為3.12 m3/s（考慮日變化系數），保證率95%；灌溉流量為0～32.4 m3/s（日平均），保證率50%；棄水流量為 0～51.0 m3/s。

3 水輪機選擇

東莊水電站水頭范圍152.04 m～200.92 m，屬中高水頭段，適用的水輪機型式為混流式，故選定混流式機型。

3.1 額定水頭選擇分析

根據水輪機特性，保證穩定、可靠、高效運行為準則，確定水輪機額定水頭為177.0 m。若降低額定水頭為170 m，則水輪機造價增加約4%，工程造價亦會相應增加，而年發電量增加幅度并不大，同時機組在出現概率較高的高水頭運行區域工況惡化，所以不予采用。若提高額定水頭，不宜大于加權平均水頭，提高的空間有限，且不能降低機組造價。通過技術經濟分析比較，額定水頭選取177.0 m。

3.2 水輪機臺數選擇分析

機組臺數的選取在考慮運行調度靈活性、工程投資等因素的同時，還應在保證出力下機組能穩定運行，以發揮最大的發電效益。

將生態基流及工業供水流量合并看作常流量（8.45 m3/s～19.11 m3/s）進行發電。在所有水頭范圍內生態基流及工業供水流量均有泄放可能，因此，在確定裝機臺數及單機容量時，需保證在最大水頭下，水輪發電機組應能通過生態基流及工業供水流量最大值，同時可以長期高效穩定運行。經估算，非調峰時，在最大水頭、無灌溉及棄水時，生態基流及工業供水流量的出力約15 MW～33 MW，其中出力可能時長15 MW約7.5個月，24 MW～33 MW約4.5個月。根據《水利水電工程機電設計技術規范》（SL 511-2011）規定：機組臺數宜不少于2臺。從電站調度靈活性、設備投資、滿足生態基流及工業供水發電穩定性等方面考慮，對電站裝機臺數3臺機和4臺機兩個大的方案進行比較分析。

電站裝機3臺時，1臺機組常年利用生態流量及工業供水流量進行發電，另2臺機組作為備用或調峰時投入運行。可組合成2個方案，均為2大1小異型機組：2×45 MW+1×20 MW、2×47.5 MW+1×15 MW。2個方案在小機檢修或事故時，大機不能作為備用投入，需要從大壩泄放流量，均會損失電量。因此3臺機組方案不合適。

電站裝機4臺時，可組合成A、B、C、D共4個方案：2×45 MW+2×10 MW、2×40 MW+2×15 MW、2×35 MW+2×20 MW、4×27.5 MW。

（1）電站接入陜西電網擔負電網調峰運行，裝機臺數應考慮滿足電站保證出力因素。方案A單臺或2臺小機無法滿足發滿保證出力要求，單臺大機組可滿足；方案B雖單機無法滿足保證出力的要求，但兩臺小機組同時運行時可滿足；方案C和方案D在發足保證出力時，大小機組均在混流式水輪機穩定運行范圍內。

（2）為滿足生態基流及工業供水發電流量的要求，所選方案在所有水頭范圍內，通過生態基流及工業供水流量時應處于混流式水輪機的45%～100%穩定運行范圍內。且由于其運行小時數較長（日運行時間大于18 h），還應保證在通過該流量時，電站機組盡可能處于高效率區。

從發電過程比較，方案A發電流量不連續，流量受阻，有棄水發生。方案B、C和D在生態及工業供水流量范圍內均可組合發電。但方案B在最大水頭泄放小流量時需2臺小機運行，出力及水輪機效率偏低；方案D在泄放小流量時1臺機出力及水輪機效率偏低；方案C有2臺小機組，小出力時有備用機組投入，效率較高，發電效益較好；當有灌溉流量時，大、小機組的組合運行靈活；方案C在出力9 MW～110 MW范圍，發電流量連續，無棄水發生，比方案D年發電量多552萬kW·h，優勢比較明顯。

（3）電站雖地處山區，但各方案單機容量不大，外圍交通條件較好，機電設備各大重件經鐵路或公路運輸至主廠房安裝間，運輸條件不是機組臺數選擇的限制條件。

（4）以上4臺機方案中，機組的設計制造均是可行的，但水輪機工藝難度系數隨單機容量的增加而增加。

（5）廠房寬度及高度主要與各方案中大機組的容量有關，其容量越大，廠房越寬，高度也越高。且上述方案中，方案A機電設備投資最高，方案C、方案B次之，方案D投資最少。

綜合以上分析，選定方案C為推薦方案，即2×35 MW+2×20 MW方案。

方案C小機組最小發電流量6.21 m3/s。根據水能45年統計資料，小于6.21 m3/s的生態流量占比為0.65%，比例非常小，這部分流量機組不能發電，或電站因故機組不能發電時，可利用二道壩壩身設置檢修放空孔泄放流量。在初期蓄水期機組不能發電時，生態基流通過大壩下游導流洞和大壩排沙底孔向下游泄放，滿足生態、工業以及灌溉供水要求。

機組檢修可安排在9月～次年4月，本時段大多數情況下泄放流量較小、1臺機組運行，可以安排其它機組檢修或輪換檢修，滿足運行要求。

因此，電站裝設2大2小異型機組方案（2×35 MW+2×20 MW）是合適的。

3.3 水輪機參數選擇

比轉速ns及比速系數K值是表征水輪機綜合技術經濟水平的重要特征參數。在同樣水頭和出力下，高比速的水輪機轉速高、尺寸小，因而水輪機造價降低。但提高水輪機比轉速需提高水輪機的單位轉速和單位流量，從而使水輪機轉輪內相對流速增加，過高的相對流速造成流道內壓力降低，對水輪機的空化性能、穩定性及抗磨蝕性能造成不利的影響。

黃河小浪底、萬家寨等電站機組選型的設計經驗及運行實踐表明，除了其具有較好的水力設計、加工工藝和材質因素外，較低的參數水平也是水輪機具有良好抗磨蝕性能的重要保證。東莊電站運行水頭高、含沙量大，水輪機參數水平的選擇應把電站的長期穩定運行放在首位，比轉速的選取應低于清水河流電站；同時為保障電站機組安全運行，應適當加大機組淹沒深度。

綜合分析計算，確定水輪機比速系數值在1300～1700之間選取，相應的比轉速為96.0 m·kW～126.7 m·kW，且水輪機轉輪出口相對流速W2不大于38 m/s。經過比較，選定大（小）機額定轉速為333.3 r/min（428.6 r/min），額定比轉速為98.0 m·kW（95.3 m·kW），比速系數 K 值為 1304（1268），水輪機轉輪出口相對流速W2為37.62 m/s（36.62 m/s）。

3.4 機組參數選擇

通過對國內中小型水輪機廠進行咨詢和調研，有5個機組廠提供并推薦選型方案。根據各廠提供的模型轉輪資料，較合適的模型轉輪主要有HLA351E、HLA542這兩種型號。兩種轉輪的單位流量相差不大；HLA351E效率比HLA542高；空化性能HLA542比HLA351E要好一些，但對于地下廠房優勢并不明顯。經選型計算，兩種轉輪方案大小機轉輪直徑相同、機組運行范圍均基本包含高效區，推薦能量指標好的HLA351E模型轉輪。轉輪型號的選用采用比轉速數字表示，不用具體的型號，即為 HL（98）-LJ-260（大機）、HL（95.3）-LJ-200（小機）。其主要參數[2]見表1。

表1 水輪發電機組參數表

3.5 水輪機吸出高度H s和安裝高程

根據引水系統一洞四機的布置形式，考慮四臺機組的導水機構中心線在同一高程。因此，在計算安裝高程時，需分別計算大、小機組的吸出高度后，根據兩種機型較小的吸出高度來確定安裝高程。經計算，小機組的吸出高度大于大機組的吸出高度。

在含沙水流條件下，空化往往提前發生，而且空蝕與磨損的聯合作用又將進一步加重水輪機的磨蝕損壞程度，預留足夠的空化安全系數是抑制空化發生的途徑之一。參考相關多泥沙河流電站的經驗，確定大機組的相應吸出高度為Hs=-9.0 m，裝置空化系數為0.08。按一臺小機最小發電流量對應尾水位588.64 m，確定四臺機組的水輪機安裝高程579.64 m。

3.6 水輪機檢修方案

高水頭、多泥沙水電站水輪機通流部件的磨損破壞是不可避免的。由于水輪機按照低參數原則進行選型，通過采用合適的不銹鋼抗磨蝕材料和抗磨涂層保護，可以有效延長機組大修期。此外，小機組運行小時數較長，其檢修頻率較高，大機組則較少?？紤]到小機組裝機容量不大，其上拆和中拆方案的難易程度基本相當。因此選擇水輪機檢修采用上拆方案。

4 結語

東莊水電站屬高含沙量、中高水頭的中型水電站，水輪機參數的選擇，結合國內現有的成熟技術和機型比較選擇。根據電站的參數分析，確定裝設2臺35 MW和2臺20 MW立軸混流式水輪發電機組，大、小機組轉速分別為333.3 r/min、428.6 r/min，吸出高度-9 m。選型方案合理可行。