文得根水利樞紐水輪機參數(shù)選擇

徐志軍，莊乾彪，任哲明，張科鵬

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130021）

1 電站概況

引綽濟遼工程文得根水利樞紐位于綽爾河干流中游，文得根水庫的工程任務(wù)是以調(diào)水、灌溉為主，結(jié)合發(fā)電。文得根水利樞紐具有多年調(diào)節(jié)性能，具有一定的調(diào)峰能力，下游還有已建成的綽勒樞紐對灌溉供水進(jìn)行反調(diào)節(jié)。水庫多年泥沙平均淤積體積為26×104m3，多年總?cè)霂焐沉?5.31×104t，懸移質(zhì)中值粒徑0.022 2 mm，平均粒徑0.033 1 mm。樞紐的主要建筑物包括上水庫、引水發(fā)電系統(tǒng)、發(fā)電廠房等，引水系統(tǒng)采用一洞四機加灌溉管的布置方式?？傃b機容量為36.0 MW，裝設(shè)3臺單機容量為11.4 MW及1臺單機容量為1.8 MW的混流式水輪發(fā)電機組。最大水頭41.9 m，額定水頭34.0 m，最小水頭21.0 m。

2 機組臺數(shù)和單機容量的選擇

電站總裝機容量為36.0 MW，利用調(diào)水、灌溉及生態(tài)流量進(jìn)行發(fā)電。上游水庫對下游農(nóng)業(yè)進(jìn)行補償供水，灌溉期為4—8月，壩址斷面6—9月最小灌溉流量為17.68 m3/s，其他月份最小生態(tài)流量為5.20 m3/s，根據(jù)調(diào)度圖進(jìn)行調(diào)節(jié)計算，水庫綜合供水目標(biāo)見表1。

表1 水庫下游綜合供水目標(biāo)表 m3/s

根據(jù)灌溉、生態(tài)流量要求，并綜合考慮電站在系統(tǒng)中的地位及運行方式，初步設(shè)計階段對裝機2臺17.1 MW機組+1臺1.8 MW機組方案（簡稱2+1方案）、3臺11.4 MW機組+1臺1.8 MW機組方案（簡稱3+1方案）、4臺8.55 MW機組+1臺1.8 MW機組方案（簡稱4+1方案）3個方案進(jìn)行了比選，比選結(jié)果見表2。

表2 機組臺數(shù)方案比選結(jié)果

由表2中可以看出：2+1方案工程靜態(tài)總投資高于3+1方案，且多年平均發(fā)電量少53×104kW·h，3+1方案經(jīng)濟性優(yōu)于2+1方案；4+1方案與3+1方案相比，單位電能投資相差無幾，工程靜態(tài)總投資略高，綜合比較，3+1方案優(yōu)于4+1方案；2+1方案在灌溉期間單機最小發(fā)電流量與灌溉流量匹配的適應(yīng)性較差，而3+1方案單機容量適中，調(diào)度靈活，運行管理方便，可充分滿足下游灌溉、生態(tài)流量要求。

該電站采用引水發(fā)電式地面廠房，各方案發(fā)電引水系統(tǒng)均采用一洞多機方式布置。從樞紐布置上看，各方案的布置沒有制約性因素，均是可行的。各方案的機組在制造方面均不存在制約因素，國內(nèi)的機組制造廠家的技術(shù)水平和加工能力能夠滿足各方案機組的要求。各方案的機組大、重件的運輸要求均不會對外交通形成制約因素。

綜合以上因素，初步設(shè)計階段推薦采用3+1方案。

3 水輪機型式及預(yù)期參數(shù)選擇

3.1 水輪機型式選擇

電站運行水頭范圍為21.0～41.9 m，適用該水頭段的水輪機型式有混流式和軸流式：

1）軸流式機組適應(yīng)水頭范圍為3.0～80.0 m，軸流轉(zhuǎn)槳機組可在較大的水頭和出力范圍下穩(wěn)定運行，平均效率較高。但隨著使用水頭的提高，其單位功率下降，氣蝕系數(shù)升高，水輪機安裝高程降低。在國內(nèi)，軸流機一般在40.0 m以下水頭段應(yīng)用較多，40.0 m以上水頭段內(nèi)研發(fā)的轉(zhuǎn)輪較少，實際應(yīng)用少，機組的部件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，運行維護(hù)量較大。

2）混流式水輪機在國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛，設(shè)計制造和運行均積累了豐富的經(jīng)驗，適應(yīng)水頭范圍為30.0～700.0 m，機組結(jié)構(gòu)相對簡單，制造難度較低，設(shè)計制造技術(shù)成熟，運行維護(hù)方便，檢修工期短。

綜上所述，混流式水輪機設(shè)計制造水平和綜合性能優(yōu)于軸流機，因此該電站選用混流式機組。

3.2 水輪機預(yù)期參數(shù)

1）水輪機比轉(zhuǎn)速

水輪機比轉(zhuǎn)速ns是水輪機的重要特征參數(shù)之一，它表征水輪機的綜合經(jīng)濟技術(shù)水平，應(yīng)結(jié)合電站的具體情況合理選擇。各類統(tǒng)計公式計算的文得根水利樞紐水輪機比轉(zhuǎn)速結(jié)果見表3。

表3 各類統(tǒng)計公式計算的水輪機比轉(zhuǎn)速結(jié)果

國內(nèi)外與文得根水利樞紐水頭段相近的水輪機參數(shù)見表4。

表4 國內(nèi)外與文得根水利樞紐水頭段相近的水輪機參數(shù)

根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)外水輪機的實際設(shè)計制造水平和國內(nèi)外已運行電站機組的統(tǒng)計資料，以及該電站的實際情況，可取比轉(zhuǎn)速ns=265～310 m·kW，比速系數(shù)K=1 545～1 808。

2）水輪機效率

根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)外水輪機的實際設(shè)計制造水平，要求大機原型水輪機最高效率不低于93.5%；小機原型水輪機最高效率不低于91.0%。

3）水輪機單位轉(zhuǎn)速和單位流量

額定工況點確定以后，單位轉(zhuǎn)速n1′及單位流量Q1′的不同匹配將直接影響電站的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。單位轉(zhuǎn)速n1′按相關(guān)的統(tǒng)計公式計算，計算結(jié)果見表5。

根據(jù)推薦的比轉(zhuǎn)速值ns及相應(yīng)的統(tǒng)計計算公式，由表5可見，n1′＝82.11～92.19 r/min。

表5 單位轉(zhuǎn)速的相關(guān)統(tǒng)計公式計算結(jié)果

根據(jù)比轉(zhuǎn)速計算公式ns=3.13n1（Q1′η）0.5估算，η＝1.063～1.154，Q1′=1.17～1.27 m3/s，根據(jù)該水頭段既有轉(zhuǎn)輪模型資料統(tǒng)計，限制工況下單位流量Q1′為1.30～1.37 m3/s。

綜上分析，取n1′＝82～92 r/min，Q1′=1.20～1.40 m3/s。

4）水輪機空蝕

水輪機裝置空蝕性能和水輪機比轉(zhuǎn)速有關(guān)，根據(jù)不同經(jīng)驗公式計算出的電站水輪機裝置空蝕系數(shù)如表6。

表6 電站水輪機裝置空蝕系數(shù)表

由表6統(tǒng)計公式計算的水輪機裝置空蝕系數(shù)在0.19～0.41之間，考慮到電站的實際運行情況，并預(yù)留一定的安全裕量，電站的裝置空化系數(shù)σy暫取0.27左右。

綜上所述，取水輪機預(yù)期參數(shù)如下：水輪機比轉(zhuǎn)速265～310 m·kW；單位轉(zhuǎn)速82～92 r/min；單位流量1.20～1.40 m3/s；大機最高效率不低于93.5%；小機最高效率不低于91.0%；裝置空蝕系數(shù)0.27。

4 原型水輪機參數(shù)選擇

4.1 水輪機模型轉(zhuǎn)輪的選擇

通過咨詢國內(nèi)主要水輪機制造廠家，適用于該電站的模型轉(zhuǎn)輪的主要參數(shù)見表7。

由表7可以看出，HLA551轉(zhuǎn)輪的能量指標(biāo)較高，綜合指標(biāo)較好，且應(yīng)用廣泛，初步設(shè)計階段暫按HLA551機型展開工作。

表7 適用于電站的模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)

4.2 原型水輪機主要參數(shù)

初步設(shè)計階段選用原型水輪機主要參數(shù)見表8。

表8 大機 小機初步設(shè)計階段選用水輪機主要參數(shù)表

4.3 水輪機安裝高程的確定

水輪機裝置空蝕系數(shù)的取用與多種因素有關(guān)，反映在統(tǒng)計值的分布規(guī)律很離散，因此各種統(tǒng)計公式僅供參考。根據(jù)HLA551轉(zhuǎn)輪空蝕特性計算的大機吸出高度為+0.1 m，小機吸出高度為+1.14 m。大機安裝高程按1臺機組發(fā)額定功率時的過流量所對應(yīng)的尾水位確定，安裝高程為335.09 m；小機安裝高程按0.5臺機組發(fā)電時的過流量所對應(yīng)的尾水位確定，并考慮到大機布置情況，取安裝高程為335.09 m。

5 結(jié)語

類似文得根水利樞紐的機組，一般不會重新設(shè)計新的轉(zhuǎn)輪，基本是套用已研發(fā)的水輪機轉(zhuǎn)輪。這就需要在設(shè)計過程中充分了解相近水頭機組的使用情況，在設(shè)計中盡量處理好效率、空蝕性能和穩(wěn)定性的關(guān)系，以便電站在機組的采購招標(biāo)過程中選用到合適的機組，為電站的安全穩(wěn)定運行奠定良好的基礎(chǔ)。希望此文能為其他類似水電工程提供借鑒和參考。