孤山航電樞紐工程電站機(jī)組選型設(shè)計(jì)研究

陳笙 鄭濤平 彭志遠(yuǎn) 王豪

摘要：

為選擇合理的孤山水電站水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)，通過(guò)研究孤山水電站水頭分布特點(diǎn)及運(yùn)行方式，以及丹江口水庫(kù)水位變化對(duì)孤山電站頂托影響，確定了電站運(yùn)行水頭范圍。根據(jù)電站水頭分布頻率以及電站電量分布特點(diǎn)，選取合適的額定水頭，并選定機(jī)組比轉(zhuǎn)速與各項(xiàng)單位參數(shù)等主要性能參數(shù)。電站實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明：機(jī)組參數(shù)選擇合理，機(jī)組運(yùn)行效率、運(yùn)行穩(wěn)定性等各類(lèi)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于合同要求，保證了水輪發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行及梯級(jí)電站調(diào)度要求，為大中型貫流式水輪發(fā)電機(jī)組選型提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：燈泡貫流式機(jī)組； 運(yùn)行水頭； 機(jī)組參數(shù)； 選型設(shè)計(jì)； 孤山航電樞紐工程

中圖法分類(lèi)號(hào)：TV737

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.004

文章編號(hào)：1006-0081（2023）06-0023-05

本文結(jié)合孤山水電站運(yùn)行特性以及水文特性，綜合考慮電站水頭分段、電量分布特點(diǎn)以及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，確定了本電站工作水頭，并分析選定了孤山電站水輪發(fā)電機(jī)組各項(xiàng)參數(shù)，為同類(lèi)型中低水頭梯級(jí)電站選型設(shè)計(jì)提供了思路。

1 工程概況

孤山航電樞紐工程位于漢江干流夾河至丹江口樞紐回水末端河段內(nèi)，上距白河梯級(jí)壩址35 km，下距丹江口樞紐壩址179 km，是一座具有發(fā)電、航運(yùn)等綜合效益的水電樞紐工程。壩址流域面積60 440 km2，多年平均流量783 m3/s，平均年徑流量247億m3。電站正常蓄水位為177.23 m，死水位為175.0 m，總庫(kù)容為2.08億m3，總裝機(jī)容量180 MW，工程等級(jí)為Ⅱ等大（2）型工程。水電站主要特點(diǎn)為豐枯期流量變化較大，河段兼有航運(yùn)任務(wù)，需下泄一定航運(yùn)基流，下游尾水位受丹江口水庫(kù)頂托作用影響較大，電站水頭范圍選擇需綜合考慮水文條件以及水輪機(jī)性能。

2 水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)

2.1 電站水頭特性及運(yùn)行方式

（1） 最大發(fā)電水頭。孤山水電站最大發(fā)電水頭按兩種工況考慮：庫(kù)水位為正常蓄水位、下泄航運(yùn)基流為120 m3/s時(shí)，計(jì)算得到最大水頭為18.66 m；壩址枯期，流量較小時(shí)，據(jù)長(zhǎng)系列旬徑流資料統(tǒng)計(jì)，壩址最小入庫(kù)流量?jī)H31 m3/s，本工況按庫(kù)水位為正常蓄水位、下游水位按水輪機(jī)空載流量（約40 m3/s）考慮，經(jīng)計(jì)算，最大發(fā)電水頭為19.16 m。

（2） 最小發(fā)電水頭。參照同類(lèi)型水電站統(tǒng)計(jì)資料，轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)使用最小發(fā)電水頭約為設(shè)計(jì)水頭的35%。機(jī)組制造廠(chǎng)推薦孤山水電站機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行最小發(fā)電水頭范圍為4.5～5.5 m。在洪水期不同工況下，水庫(kù)上下游水位差為0.29～2.19 m；在上庫(kù)死水位、電站滿(mǎn)發(fā)工況下，考慮丹江口水庫(kù)的頂托作用，水庫(kù)上下游水位差為6.56～12.92 m。參照同類(lèi)型電站統(tǒng)計(jì)資料及國(guó)內(nèi)主流制造廠(chǎng)家技術(shù)參數(shù)，綜合水輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行性能及電站水頭條件，孤山電站最小發(fā)電水頭定為5.5 m。

（3） 加權(quán)平均水頭。經(jīng)長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算，孤山水電站全年加權(quán)平均水頭為14.25 m，汛期加權(quán)平均水頭為14.21 m，非汛期加權(quán)平均水頭為14.35 m。電站汛期、非汛期及全年加權(quán)平均水頭變化不大，與常規(guī)低水頭電站水頭特性有明顯不同，呈現(xiàn)出孤山水電站水頭汛期受流量頂托、非汛期受丹江口水庫(kù)庫(kù)水位頂托影響的特點(diǎn)。

綜上，確定水輪機(jī)的運(yùn)行水頭范圍為5.5～19.16 m，極限最大毛水頭為19.16 m。

2.2 機(jī)組型式選擇

2.2.1 水輪機(jī)型式

基于水電站水頭范圍，適用的水輪機(jī)型式有貫流式和軸流式。在超低水頭范圍內(nèi)，同容量貫流式機(jī)組相比軸流式機(jī)組有以下優(yōu)點(diǎn)：① 機(jī)組額定效率比軸流式水輪機(jī)高約2%～3%；② 機(jī)組外形尺寸小于軸流式，機(jī)組間距小；雖然安裝高程低，但由于無(wú)尾水肘管等立式過(guò)水流道，土建開(kāi)挖總量小于軸流式機(jī)組；③ 貫流式機(jī)組采用全對(duì)稱(chēng)的流道，取消了蝸殼，有利于減少轉(zhuǎn)輪的水力不平衡，提高機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性；④ 貫流式水輪機(jī)單位轉(zhuǎn)速高、單位過(guò)流量大，真機(jī)轉(zhuǎn)速高、體積小，機(jī)組重量減輕，有效降低了設(shè)備投資［1-3］。⑤ 燈泡貫流式水輪機(jī)設(shè)計(jì)的單位流量、單位轉(zhuǎn)速值的選擇范圍較寬，適用水頭更廣；限制工況的出力不受限于水輪機(jī)的出力限制線(xiàn)，而是取決于水電站允許的空化裝置系數(shù)［4-5］。

根據(jù)DL/T 5186—2018《水力發(fā)電廠(chǎng)機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于最大水頭20 m及以下的徑流式水電廠(chǎng)，宜優(yōu)先選用貫流式水輪機(jī)。綜合考慮孤山電站水頭特性和裝機(jī)容量，選用燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組。

2.2.2 葉片數(shù)

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)隨著最大水頭的提高而增加，較少的葉片有利于減小轉(zhuǎn)輪直徑，提高發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，但其對(duì)轉(zhuǎn)輪的力學(xué)性能以及空蝕性能要求較高，因此選擇合適葉片數(shù)對(duì)于機(jī)組安全高效運(yùn)行極為重要。對(duì)于燈泡貫流式機(jī)組，最大水頭在10～20 m范圍內(nèi)，本水電站最大水頭為19.16 m，宜采用4葉片轉(zhuǎn)輪。4葉片燈泡貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪參數(shù)范圍見(jiàn)表1。

2.3 額定水頭選擇

孤山水電站裝機(jī)容量180 MW，正常蓄水位177.23 m，死水位175 m。水電站正常蓄水位受上游白河電站銜接尾水位控制，尾水位受丹江口水庫(kù)回水頂托影響。

2.3.1 水頭分布特點(diǎn)

考慮丹江口水庫(kù)頂托影響，孤山電站發(fā)電水頭

分布規(guī)律如下：發(fā)電水頭在11 m以下出現(xiàn)的次數(shù)較少，占長(zhǎng)系列比例約10%，16～17 m出現(xiàn)次數(shù)最多，占長(zhǎng)系列的比例為21.55%，18 m以上出現(xiàn)的次數(shù)較少，占長(zhǎng)系列的比例為2.55%。

總體來(lái)看，水頭分段占比呈正態(tài)分布，即低水頭段（小于11 m）和高水頭段（大于18m）出現(xiàn)概率低，中間水頭段（12～18 m）出現(xiàn)概率較高，尤以16～17 m水頭段出現(xiàn)概率最高，13 m以上水頭出現(xiàn)的概率為76%，14 m以上水頭出現(xiàn)的概率為67%，15 m以上水頭出現(xiàn)的概率為54%。孤山水電站水頭分布情況見(jiàn)圖1。

2.3.2 電量分布特點(diǎn)

從各水頭段的發(fā)電量分布來(lái)看，發(fā)電量主要集中在12～17 m水頭段，占總電量的比例為77.28%；低水頭段（＜12 m）和高水頭段（＞17 m）的電量占總電量的比例較少，分別為14.86%和7.86%；14～15 m水頭段電量占總電量的比例最高，為19.44%；電量次高水頭段為16～17 m，占總電量的比例約為16.37%。根據(jù)長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算結(jié)果，孤山水電站各水頭段發(fā)電量所占比重見(jiàn)圖2。

2.3.3 額定水頭比較

（1） 水頭保證率分析。

綜合考慮孤山水電站水頭變化特性、電量分布情況與上游白河電站的流量匹配以及下游丹江口水庫(kù)的頂托分析，初選13.0，13.3，13.6，13.9 m和14.2 m共5個(gè)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。相應(yīng)的水頭保證率分別為75.66%，

72.7%，70.0%，67.3%及64.0%。額定水頭13.0 m水頭保證率最高，額定水頭13.3 m和13.6 m水頭保證率居中，額定水頭14.2 m水頭保證率最低，見(jiàn)圖3。

（2） 機(jī)組參數(shù)分析。

額定水頭13.0，13.3，13.6，13.9 m和14.2 m方案對(duì)應(yīng)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑分別為6.9，6.8，6.7，6.6 m和6.5 m，均在國(guó)內(nèi)現(xiàn)有已投運(yùn)燈泡貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪直徑范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)的額定比轉(zhuǎn)速分別為816.4，793.4，771.6，750.8，731.0 m·kW，額定比速系數(shù)分別為2 943，2 893，2 845，2 799和2 755，參數(shù)水平相近。通過(guò)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)外已建同類(lèi)型電站額定水頭與最大水頭的比值為0.692～0.889。孤山水電站各額定水頭方案比值見(jiàn)表2。從機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性來(lái)看，高額定水頭方案13.9 m和14.2 m方案較好，額定水頭13.0 m機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性稍差。

（3） 動(dòng)能指標(biāo)分析。

隨著額定水頭抬高，電站受阻的時(shí)間和受阻容量相應(yīng)增多，額定水頭13.0，13.3，13.6，13.9 m和14.2 m方案年平均受阻概率分別為7.4%，9.0%，10.0%，11.3%，12.6%。額定水頭14.2 m方案受阻概率最大，額定水頭13.0 m和13.3 m受阻概率較小。根據(jù)能量指標(biāo)分析，隨著額定水頭提高，多年平均發(fā)電量隨之減少。額定水頭14.2 m多年平均發(fā)電量最少，額定水頭13.0 m和13.3 m多年平均發(fā)電量較多。

（4） 梯級(jí)電站調(diào)度匹配。

孤山水電站上游為白河水電站，各額定水頭方案機(jī)組滿(mǎn)發(fā)流量分別為1 576.7，1 541.2，1 507.2，1 474.8，1 443.6 m3/s。額定水頭13.0，13.3 m與上游白河電站流量匹配關(guān)系較好，額定水頭14.2 m則較差。綜合考慮水頭保證率、受阻容量、多年平均發(fā)電量、工程投資以及與上游白河電站的流量匹配等因素，推薦額定水頭為13.3 m。

2.4 水輪機(jī)參數(shù)選擇

2.4.1 比轉(zhuǎn)速

水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns及比速系數(shù)K值是體現(xiàn)水輪機(jī)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平的重要特征參數(shù)，選擇合適的水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速以及比速系數(shù)有助于提高水輪機(jī)的效率，減小機(jī)組尺寸，減少空蝕現(xiàn)象［6-7］。表3為統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算的額定水頭為13.3 m情況下比轉(zhuǎn)速與比速系數(shù)，表4為國(guó)內(nèi)外已投運(yùn)的15～20 m水頭段的燈泡貫流式水輪機(jī)主要參數(shù)。

綜合分析表3以及表4數(shù)據(jù)可知：① 與本電站同等水頭段的燈泡貫流式水輪機(jī)的比速系數(shù)一般在2 600～3 100范圍內(nèi)，平均值為2 958.8。比轉(zhuǎn)速一般為670～890 m·kW，平均值為792.8 m·kW；② 根據(jù)統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算，孤山水電站水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速范圍為685.5～850.0 m·kW，比速系數(shù)為2 500～3 100［8］。根據(jù)本電站水輪機(jī)運(yùn)行水頭范圍，結(jié)合已投運(yùn)水電站的應(yīng)用情況和制造廠(chǎng)推薦的技術(shù)參數(shù)以及統(tǒng)計(jì)公式的計(jì)算值，擬定本電站水輪機(jī)比速系數(shù)K值為2 700～3 000，相應(yīng)比轉(zhuǎn)速為740.4～822.6 m·kW。

2.4.2 單位參數(shù)

4葉片轉(zhuǎn)輪（轉(zhuǎn)輪輪轂比取0.38）的軸面流速

Vm=1.489×Q11×H0.5r。按Vm=12～13 m/s考慮，水輪機(jī)出力/MW額定水頭/m額定流量/（m3·s-1）額定轉(zhuǎn)速/（r·min-1）轉(zhuǎn)輪直徑/m額定點(diǎn)效率/%額定點(diǎn)比轉(zhuǎn)速/（m·kW）比速系數(shù)水輪機(jī)安裝高程/m水輪機(jī)總重量/t

46.1513.3385.393.86.892793.42893147.3750單位流量Q11=2.21～2.39 m3/s；按Vm=12.5 m/s考慮，單位流量Q11=2.3 m3/s。根據(jù)統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算的孤山水電站水輪機(jī)單位參數(shù)見(jiàn)表5。

根據(jù)上述比轉(zhuǎn)速水平及單位參數(shù)的匹配要求，結(jié)合電站水輪機(jī)的運(yùn)行水頭范圍，考慮已開(kāi)發(fā)的模型水輪機(jī)單位參數(shù)水平、國(guó)內(nèi)外同水頭段貫流式水輪機(jī)現(xiàn)狀、制造廠(chǎng)推薦的技術(shù)參數(shù)、統(tǒng)計(jì)公式的計(jì)算值等因素，推薦水輪機(jī)額定工況下的使用單位流量在2.3 m3/s左右、單位轉(zhuǎn)速在170 r/min左右。

2.4.3 效 率

國(guó)內(nèi)外部分已運(yùn)行的燈泡貫流式水輪機(jī)額定效率大部分為90.5％～93.0%，最高效率為94.5％～96％，部分制造廠(chǎng)為本電站提出的機(jī)組方案中，額定效率為92.5%～94.6%，最優(yōu)工況原型效率為94.0%～95.6%。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外轉(zhuǎn)輪研發(fā)水平，4葉片轉(zhuǎn)輪模型最優(yōu)效率大多已超過(guò)93.0％。因此，本電站4葉片水輪機(jī)模型預(yù)期最優(yōu)效率應(yīng)不低于93.0％，模型水輪機(jī)額定點(diǎn)效率不低于90.5％，水輪機(jī)效率修正值暫取1.5%，相應(yīng)原型水輪機(jī)額定點(diǎn)效率為92.0％，原型最高效率為94.5%。

2.4.4 空化系數(shù)

水輪機(jī)空化系數(shù)越小，空化性能越好，水輪機(jī)裝機(jī)高程也越高，有利于減小廠(chǎng)房土建開(kāi)挖量、降低水電站的土建費(fèi)用。水輪機(jī)空化系數(shù)應(yīng)盡可能小，根據(jù)同水頭段水輪機(jī)的實(shí)際應(yīng)用情況，水輪機(jī)額定點(diǎn)臨界空化系數(shù)在1.26左右，相應(yīng)的裝置空化系數(shù)不小于1.7。

3 機(jī)組選型結(jié)果

綜合上述參數(shù)選擇原則，對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行選型計(jì)算，結(jié)合電站經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)及上游白河水電站、下游丹江口水庫(kù)調(diào)度等因素，選定孤山水電站水輪機(jī)組主要參數(shù)，詳見(jiàn)表6。電站實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)選擇合適，電站運(yùn)行穩(wěn)定性好，機(jī)組效率滿(mǎn)足要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)孤山水電站運(yùn)行特性，結(jié)合上游白河水電站機(jī)組調(diào)度運(yùn)行情況，以及下游丹江口水庫(kù)水位頂托作用，對(duì)孤山水電站水輪機(jī)組參數(shù)選擇進(jìn)行分析討論。水電站實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)與結(jié)果表明：機(jī)組參數(shù)選擇合理，機(jī)組運(yùn)行效率、運(yùn)行穩(wěn)定性等各類(lèi)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于合同要求，選擇參數(shù)水平合適，可為同類(lèi)型貫流式水電站設(shè)計(jì)提供借鑒。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 田樹(shù)棠.貫流式水輪發(fā)電機(jī)組及其選擇方法［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2000.

［2］ 沙錫林.貫流式水電站［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，1999.

［3］ 梁章堂，胡斌超.貫流式水輪機(jī)的應(yīng)用與技術(shù)發(fā)展探討［J］.中國(guó)農(nóng)村水利水電，2005（6）：89-91.

［4］ 楊曉林.低水頭徑流式水電站額定水頭選擇［J］.人民長(zhǎng)江，2009，40（2）：43-45，52.

［5］ 黎中原，楊建東，李進(jìn)平.水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速與額定水頭統(tǒng)計(jì)方法探討［J］.水電能源科學(xué)，2008，26（4）：163-165.

［6］ 徐洪泉，王萬(wàn)鵬，李鐵友.論水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速選擇和水電站穩(wěn)定性的關(guān)系［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2011，30（5）：220-223.

［7］ 趙林明，張變梅.貫流式水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的統(tǒng)計(jì)分析［J］.水力發(fā)電，2012，38（6）：60-61.

［8］ 余永清，吳亞軍，陳瑞瑞，等.重力場(chǎng)對(duì)貫流式水輪機(jī)性能的影響預(yù)測(cè)［J］.人民長(zhǎng)江，2020，51（1）：221-224，248.

（編輯：唐湘莤，張 爽）

Research on unit selection design of Gushan Navigation and Hydropower Project

CHEN Sheng，ZHENG Taoping，PENG Zhiyuan，WANG Hao

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to select the reasonable parameters of the turbine generator set of Gushan Hydropower Station，the head distribution characteristics and operation mode of the station were studied，and the influence of Danjiangkou Reservoir water level change on the jacking of Gushan Hydropower Station was determined.According to the distribution frequency of water head and the distribution characteristics of electricity quantity in the power station，the rated water head and the main performance parameters such as unit specific speed and various unit parameters was selected.The actual operation results of the power station indicate that the selection of unit parameters is reasonable，and various indicators such as unit operation efficiency and stability meet or exceed the contract requirements，ensuring the safe and stable operation of hydraulic turbine generator units and the dispatching requirements of cascade power stations，providing reference for the selection of large and medium-sized tubular turbine generator units．

Key words：

bulb tubular turbine units； rated head； unit parameter； unit selection and design； Gushan Navigation and Hydropower Project