SK 水電站超高水頭高效率沖擊式水輪機關鍵參數選擇

劉 利，楊 旭，張士杰

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222）

0 工程背景

中巴經濟走廊能源類優先發展項目——巴基斯坦蘇基克納里（SukiKinari）水電站工程（簡稱“SK 水電站”），由中國能建葛洲壩集團投資、建設、運營并移交巴基斯坦。發電引水系統總長接近24 km，電站最高水頭922.7 m，單機容量221 MW，電站裝機容量884 MW，電站廠房為地下布置形式，埋深400 m。

SK 水電站是迄今為止中國企業在境外綠地投資的最大水電項目；也是我國截至目前無論在國內，還是走向國際市場以來，所承擔勘測、設計、施工、研究單機容量最大、發電水頭最高、大埋深地下廠房、大容量沖擊式水力發電站。在葛洲壩集團與巴基斯坦方SKHydro 簽訂的合同中規定，要求水輪機額定效率達到93.12%、最高效率達到93.13%、加權平均效率達到92.78%。水輪機作為電站的核心設備，既要解決多泥沙帶來的通流部件泥沙磨蝕問題，又要保證其高效率運行。因此，無論從工程設計、設備結構、材料選擇、加工制造、后期運行維護檢修等方面，都具有相當大的挑戰和技術難度。

基于以上工程背景，項目組在工程設計階段就水輪機加工制造難度、效率水平等方面進行了調查研究，并在水輪機設備招標后，對招標文件所規定各項性能參數進行了模型試驗驗證。

1 沖擊式水輪機國內外相關概況及發展趨勢

1.1 國外

高水頭、大功率沖擊式水輪機在國外, 尤其在歐洲具有較高的制造水平，并在世界上處于絕對的領先地位。其主要研制成果表現在如下幾方面：水力模型研發、水斗型線與配水噴嘴系統設計、關鍵部件結構強度計算與疲勞分析、材料應用、結構設計、部件鍛造、多坐標數控加工制造工藝等方面。尤其在水力模型設計、研發和實驗上，積累有豐富的經驗和技術。最為典型的例如瑞士Bieudon 電站，最高水頭達到1 883 m，單機容量達到423 MW。

1.2 國內

我國水斗式水輪機發展起步較晚, 發展歷史大致可以分為3 個階段：60 年代以前是從無到有階段, 其特點是仿制國外技術，技術落后且使用性能較差；從60 年代開始為獨立設計階段，主要依靠設計人員在收集國外資料和總結國內電站的實踐經驗的基礎上進行沖擊式機組的開發。產品性能雖有所改善，但仍較落后；從70 年代末開始, 進入新的發展時期，隨著研發和制造水平的發展，國內在機組的穩定性、不銹鋼轉輪鑄造技術等方面也取得了重要進展，并成功應用在多個中小容量電站中。例如廣西天湖生產的水頭1 074 m、單機容量15 MW 的沖擊式機組，是目前我國及亞洲獨立研發、設計、生產制造的最高水頭機組。

1.3 發展趨勢

（1）制造水平

沖擊式水輪機的制造難度與運行最高水頭和轉輪直徑息息相關。通常情況下，沖擊式水輪機運行水頭越高、轉輪直徑越大，轉輪部件受強度限制所需材料在強度、厚度等方面的要求就越高，水輪機的制造難度也越大。通常用D12Hmax來表征水輪機的制造難度系數[1]。筆者對國內外單機額定出力超過120 MW 沖擊式水輪機制造難度系數統計見表1[2]。從圖1 可知，隨著水頭和轉輪直徑的增加，水輪機制造難度基本呈直線上升趨勢。

圖1 沖擊式水輪機水頭-轉輪直徑-制造難度系數（單機容量≥120 MW）

表1 國內、外部分沖擊式水輪機（單機容量≥120 MW）制造難度系數表

（2）效率水平

水輪機效率是水輪機能量特性的重要指標，是電站長期經濟運行的關鍵參數，且直接影響電站的發電效益。近些年國內、外已建設的部分代表性的沖擊式電站水輪機能達到的效率值統計見表2。

表2 國內、外部分代表性電站沖擊式水輪機達到的效率值

2 水輪機主要參數確定

2.1 單噴嘴比轉速[3，4]

比轉速是水輪機的重要特征參數之一，沖擊式水輪機通常用單噴嘴比轉速來表征水輪機的綜合經濟技術水平。由于SK 水輪機發電水頭屬于超高水頭，因此必須重視對沖擊式水輪機葉斗的空蝕問題。根據挪威水輪機制造廠在高水頭沖擊式水輪機方面的選型經驗，可按圖2 中的曲線選擇單噴嘴比轉速，即不超過曲線2 的水平可避免汽蝕破壞。在這條曲線限制之下，應根據水頭與流量以獲得盡可能高的比轉速來決定比轉速ns1與噴嘴數目。但在過機泥沙含量較高的運行工況下，則應適當降低比轉速，減少噴嘴，增大水斗的尺寸。

圖2 “免汽蝕”曲線

圖3 水頭-轉速-單噴嘴比轉速關系（額定水頭≥650 m）

圖4 額定水頭不同噴嘴水輪機試驗效率（模型轉換）

從圖2 中可以得到，當SK 電站額定水頭Hr為859.2 m 時，按照曲線1，ns1只能取到10.8 m·kW，水平太低；而按照曲線2，ns1取值不宜超過17.4 m·kW。也就是說，SK 電站單噴嘴比轉速選擇范圍為ns1=10.8～17.4 m·kW。

世界上（包括國內及國外）部分已投入運行的最高水頭在650 m及以上沖擊式水輪機ns1統計如表3。

表3 國內、外部分代表性電站沖擊式水輪機（額定水頭≥650 m）ns1 統計表

參考其它國內、外沖擊式水輪機參數水平及“免汽蝕”曲線2，考慮到SK 電站存在的泥沙磨蝕因素，SK 電站單噴嘴比轉速推薦選擇范圍為ns1=11.7～17.4 m·kW。

2.2 噴嘴數

根據表3 統計可得，在水頭、單機容量和轉速接近的電站中，以6 噴嘴水輪機占大多數，有個別水輪機為5 噴嘴，并結合經驗公式，SK 電站水輪機可選嘴數為5 個或6 個。

多泥沙電站沖擊式水輪機，在單噴嘴比轉速確定的情況下，噴嘴數量的選擇直接影響水輪機比轉速的選擇，進而影響到水輪機的效率和抗泥沙磨蝕性能。同容量下的水輪機，隨著噴嘴數的增多，水輪機比轉速提高，額定轉速增大，水輪機轉輪直徑和噴嘴直徑相應減小，對降低水輪發電機組投資有利，但最優直徑比的減小可能會增加水流間撞擊，并引起射流作用方向及射流質點沿斗葉擾流軌跡的改變，造成水輪機效率降低，同時引起斗葉應力增加，影響機組穩定運行。根據經驗統計，轉輪的整體泥沙磨損量與噴嘴數目成正比，在轉速恒定的情況下，噴嘴數增加，則會增加水輪機的泥沙沙磨，從這一角度應減少噴嘴數量。因此，噴嘴數量最終需要結合水輪機單機容量、設計制造水平和工程運行要求綜合確定。

通過比較，在相同轉速條件下，兩種噴嘴數水輪機轉輪直徑相差不大。雖然6 噴嘴水輪發電機組投資稍高，但其加權平均效率較5 噴嘴高0.4 個百分點，并且噴嘴數越多，對于機組運行過程功率調整更加方便。從收益角度，在電站長期運行過程中，經濟指標更優。

根據向制造廠的咨詢，無論從設備投資、設備制造難度、發電量和實際工程利用情況看， 6 噴嘴與5噴嘴相比，采用6 噴嘴對SK 工程更有利，因此SK工程水輪機最終采用6 噴嘴方案。

2.3 額定轉速

根據前述確定的水輪機單噴嘴比轉速，計算可得機組同步轉速范圍282 r/min～418 r/min，對應的常用轉速為300 r/min、333.3 r/min 和375 r/min，3 種轉速水輪機制造難度系數分別為15.5、12.6、10.05。當SK 電站水輪機額定轉速為375 r/min 時，水輪機轉輪直徑最小且水輪機制造難度系數最低，而其他轉速水輪機的制造難度系數偏大。而轉速375 r/min水輪機比轉速較高，水輪機易取得更好性能，所以額定轉速最終確定為375 r/min。

2.4 效率

針對原ESC 合同提出的效率要求，根據咨詢國際知名的幾個制造廠對沖擊式水輪機從模型到原型效率的修正的不同看法，有的制造廠明確推薦不進行效率修正，而有的制造廠則提出允許修正，但最大修正量一般控制在0.1%～0.4%。

考慮到本電站水頭高，發電引水含有一定量泥沙，為防止噴針、口環和斗葉等部件遭受泥沙磨蝕損壞，需要在其水力設計、結構設計和抗泥沙磨蝕保護涂層方面采取綜合防護措施，由于噴涂將會引起過流表面粗糙度的變化，對水輪機效率帶來一定影響（據經驗統計，效率約下降0.5%）。

因此，分析認為現狀技術水平下，如維持SK電站在ESC 合同中對水輪機額定效率要求達到93.12%，加權效率要求達到92.78%并保證其長期運行大修保證期的要求，則必須選擇在含泥沙水流、高水頭、大容量沖擊式水輪機方面，具有豐富的研發、設計、制造和供貨經驗的制造廠。需要制造廠在今后的設計和制造上付出更多努力，特別是在水輪機轉輪、口環和噴針采取抗泥沙磨蝕涂層保護措施后，需要認真研究并采取有效措施以降低對效率的影響。

2.5 其他參數確定

根據前面分析并參照ESC 合同規定，最終水輪機主要參數確定如下：

額定流量 28.65 m3/s

額定效率（不低于） 93.12%

額定轉速 375 r/min

單噴嘴比轉速 17.3m·kW

轉輪比轉速 38.2m·kW

噴嘴數目 6

水斗數目 23

水斗節圓直徑 3.3 m

射流直徑 235 mm

3 模型試驗驗證

3.1 試驗驗證

鑒于SK 水電站超高水頭，水輪機超高效率要求的特殊性，項目組于2019 年在瑞士VEVEY 試驗室針對SK 電站研發的沖擊式水輪機進行了模型試驗。工程研發人員在水力開發過程中，從優化水力性能、提高水輪機效率等角度出發，將水輪機水斗數量從23 調整為22 個。優化后的水輪機單噴嘴比轉速達到18.3 m·kW、轉輪比轉速44.8 m·kW，且水輪機效率相比世界目前最大容量最高效率Bieudron電站沖擊式水輪機高出1.03%個百分點，達到93.03%，根據筆者掌握的資料，處于沖擊式水輪機最高效率水平。

3.2 優化后的水輪機參數

額定流量 28.65 m3/s

額定效率 93.03%

額定轉速 375 r/min

單噴嘴比轉速 18.3m·kW

轉輪比轉速 44.8m·kW

噴嘴數目 6

水斗數目 22

水斗節圓直徑 3.2 m

射流直徑 216.5 mm

4 結論

（1）SK 水電站在與外方簽訂的合同中規定，要求水輪機額定效率達到93.12%、最高效率達到93.13%、加權平均效率達到92.78%。屬于目前全球已投運沖擊式水輪機中從未達到的水平，給水輪機的參數選擇、結構設計及設備制造提出極為嚴格和苛刻的技術要求。

（2）項目組在保證水輪發電機組安全穩定運行的基礎上，同時考慮電站經濟效益最大化，通過類比國內外高水頭沖擊式水輪機，結合目前國內外沖擊式水輪機一流廠家設計制造水平，初步確定了SK水電站超高水頭超高效率水輪機關鍵參數。

（3）2019 年通過在瑞士VEVEY 試驗室針對SK電站研發的沖擊式水輪機進行了模型試驗驗證，水輪機效率高達93.03%，驗證了前期參數選擇的合理性，并結合SK 水電站工程特點進行了優化設計。根據筆者掌握的資料，水輪機效率目前處于沖擊式水輪機行業最高水平。

參考文獻：

[1] 田樹棠，苑連軍，阮全榮．黃河拉西瓦700 MW 水電機組可行性分析[J]．水電站機電技術，2003（S1）：57-61．

[2] 埃米爾·墨索尼等．高水頭水電站[M]．陸佑楣等編譯．北京：中國電力出版社，2003．

[3] 中華人民共和國國家發展和改革委員會．水力發電廠機電設計技術規范：DL/T 5186-2004[S]．

[4] 周文桐，周曉泉．水斗式水輪機基礎理論與設計[M]．北京：中國水利水電出版社，2017．