姜宏君，苑庆山

( 黑河辰能西沟水电有限责任公司，黑龙江 黑河164300)

0 概 述

龙虎山水电站( 原二道沟水电站) 位于牡丹江下游，黑龙江省林口县境内，距上游莲花水电站29 km，是牡丹江梯级电站之一。电站厂房为河床式，厂房坝段位于左岸。枢纽主要建筑物包括混凝土重力挡水坝段、泄洪闸、河床式厂房，大坝全长574 m。电站总装机容量为65 MW。电站最大水头11 m，设计水头7.9 m，最小水头4.6 m，极端最小水头3.6 m。电站以发电为主、兼有灌溉、养殖等综合利用功能。

1 电站基本参数

电站基本参数包括8个方面:

1) 电站布置型式:河床式布置。

2) 装机容量:65 MW。

3) 机组年利用小时数:1 926 h。

4) 多年平均发电量:1.2524 ×108kW·h。

5) 水库调节性能:日调节。

6) 上游水位: 校核洪水位为155.67 m( P =0.2%) ; 设计洪水位为154.11 m( P =1%) ; 正常高水位为154.00 m; 水库死水位为153.00 m;极限最低水位为146.68 m。

7) 下游水位: 校核洪水位为155.04 m( P =0.5%) ; 设计洪水位为153.68 m ( P = 2%) ; 5 台机发电水位为145.33 m;1 台机发电水位为143.64 m;1 台小机发电水位为142.88 m。

8) 电站水头: 最大水头为11.0 m; 额定水头为7.90 m;最小水头为4.60 m;极端最小水头为3.60 m。

2 过机含沙量指标的确定

本电站位于黑龙江省内牡丹江干流下游，其上游有莲花等几座电站水库调节，泥沙含量很小，河水多年平均含砂量0.12 kg/m3，属少泥沙河流，故在机组选择及参数确定上不考虑泥沙的影响。

3 电站机组台数的确定

本电站总装机容量为65 MW，考虑电站下游农业用水50 m3/s全年不中断供水要求，结合电站运行方式和经济性，经综合分析全厂设1 台(3.5 MW) 小机组，以满足下游农业供水要求。

为合理确定龙虎山水电站机组台数和单机容量，确保电站的可靠性、灵活性及综合经济效益，我们对电站装机台数3 +1 台、4 +1 台和5 +1 台机组3个方案进行了比较，结果详见表1。

通过对各方案的综合分析比较，可以看出，3 大+1 小方案静态投资高、单位电能投资较高;5 大+1 小方案多年平均电能少、单位电能投资高。故推荐选用4 大+1 小机组方案。

表1 机组台数比较表

4 水轮机型式和参数选择

4.1 水轮机型式选择

本电站运行水头范围为3.6 ～11.0 m，按《DL/T5186—2004》水力发电厂机电设计规范4.1.1 条规定，对于最大水头20 m及以下的径流水电厂，宜优先选用贯流式水轮机。

灯泡贯流转桨式机组具有适应水头和出力变幅大、流道简单、过流能力大、能量指标高的优势，又因其单位流量大、单位转速高，故水轮机、发电机的尺寸较小，重量较轻，土建工程量少。故推荐龙虎山水电站采用灯泡贯流式水轮发电机组。

4.2 水轮机参数的选择

4.2.1 比转速

比转速ns及比速系数K 是水轮机的重要特征参数之一，它表征水轮机的综合经济技术水平。选用较高比转速的水轮机会带来很大的经济效益，但比转速的提高往往又受水轮机的平均效率、稳定性、空化、磨蚀以及刚度和强度等性能的制约。所以，需针对电站的具体情况，对比转速ns及比速系数K 进行综合比较分析，择优选取。

为了分析龙虎山水电站水轮机比转速水平，我们根据国内外不同统计公式，并结合电站的具体参数进行了计算，计算的水轮机比转速ns及比速系数K 结果见表2。

表2 不同统计公式计算ns值汇总表

为了更加合理的确定龙虎山水电站水轮机的比转速nS，我们又收集和统计了国内与龙虎山水电站水头段相近的水轮机参数见表3。

表3 国内部分大中型灯泡贯流式水轮机主要参数(1980年以后投产)

根据当前国内外水轮机的实际设计制造水平和国内外已运行电站机组的统计资料，本电站额定水头Hr=7.9 m，根据不同统计公式( 见表2) 计算取比转速ns= 850 ～1 000 m·kW，比速系数K=2470 ～3000。

从表3 可以看出，该水头段水轮机比转速范围在ns=850 ～1 100 m·kW。根据本电站水头变幅情况和结合机组在电力系统中的运行特点，并考虑梯级电站的运行方式和电站装机容量情况，水轮机比转速不宜选择过高。因此，本设计阶段我们取水轮机比转速ns=850 ～900 m·kW作为预期值。相应的比速系数K=2390 ～2530。

4.2.2 水轮机效率

根据当前国内外水轮机的实际设计制造水平，并考虑到国外几个著名水轮机制造商在中国合资建厂的情况，要求水轮机额定点效率≥93.8%，最高效率≥94.6%。

4.2.3 水轮机单位流量和单位转速

比转速ns确定后，单位转速n1'及单位流量Q1'的不同匹配将直接影响电站的技术经济指标。提高单位流量可以得到较小的转轮直径，减小机组尺寸，缩小厂房尺寸，但同时机组的装置空蚀系数增大，导致机组安装高程降低，增加了水下部分的开挖量; 提高单位转速可以提高机组的同步转速，降低机组造价，但受到叶片强度、空蚀和磨损等因素的制约。所以单位转速n1'和单位流量Q1'的合理搭配是一个较为复杂的技术经济比较问题。

根据瑞典专家推荐公式:( n1' =(620 ～10Hp) /3，Q1' =( n1'－ 55) /50) 计 算，n1' 值 为180.33 r/min，Q1' 值 为2.51 m3/s。

根据西北院推荐公式: ( n1' =78.95 +0.1144ns，Q1' =5.3178ns0.918/1000) 计算，n1'值在170.5 ～193.4 r/min，Q1'值在2.46 ～3.02 m3/s。

根据以上统计分析，初步确定龙虎山电站水轮机的单位流量Q1'值应在2.50 ～2.90 m3/s，单位转速n1'值在175 ～190 r/min。

4.2.4 水轮机空蚀

电站使用的装置空蚀系数与水轮机的比转速ns 和单位流量Q1'有关，根据西北院推荐公式( σy =1.5154ns1.712×10－5) 计算，σy 值在1.41 ～2.1。

综上所述，水轮机预期主要参数如下:

水轮机比转速ns:850 ～900 m·kW

水轮机额定效率:≮93.8%

水轮机最高效率:≮94.6%

单位流量Q1':2.50 ～2.90 m3/s

单位转速n1':175 ～190 r/min

装置气蚀系数σy:1.41 ～2.1

4.3 水轮机模型比较选择

本电站的水头范围3.6 ～11 m，根据现有公开的模型资料，并征询了有关制造厂商建议，可供本电站选用的模型转轮有GZ( B14) 、GZ995、GZTF07。本阶段设计按这3个转轮进行比选，各转轮主要参数见表4。

表4 适合于本电站的转轮模型参数

从表4 可以看出GZB14 和GZTF07 的水轮机额定工况点比转速较高，GZ995 较低，3个模型转轮能量指标及气蚀指标较为接近，而GZ( B14) 已应用于广西百龙滩、福建竹洲、浙江赵山渡等电站，运行效果较好，故推荐选用GZB14 转轮。

小水轮机与大水轮机采用相同的转轮，在设计水头时小机组发出额定功率为3.5 MW，额定流量为50.12 m3/s。最大水头时小机组发出额定功率 3.5 MW 过流量为35.67 m3/s，满足下游供水要求。

4.4 水轮机型号确定

经综合考虑，层层比选，龙虎山水电站最终选定水轮机型号及主要参数如下:( 括号内为小机组)

1) 水轮机型号:GZB14－WP－575(274) 。

2) 转轮直径:5.75(2.74) m。

3) 额定功率:15.968(3.636) MW。

4) 额定流量:219.66(50.12) m3/s。

5) 额定转速:88.20(187.5) r/min。

6) 设计点单位流量:2.51(2.52) m3/s。

7) 设计点单位转速:175.10(177.45) r/min。

8) 额定效率:93.8(93.6) %。

9) 最高效率:94.6(94.6) %。

10) 允许吸出高度:－6.76m( 至主轴中心线高程) ;－3.61m( 小机) 。

11) 额定比转速:( 大机)841 m.kW;( 小机)853m.kW。

GZB14－WP－575( 274) 水轮机运转特性曲线分别见图1、图2。

图1 GZB14－575 水轮机运转特性曲线图

图2 GZB14－274 水轮机运转特性曲线图

5 结束语

龙虎山水电站采用的GZB14－WP－575(274) 型水轮机是在综合考虑龙虎山水电站类型、装机容量、水头、流量等因素后，严格按照国家设计规范、标准要求，借鉴国内外机组选型经验数据，经过多方案多次比选做出的正确选择，符合设计要求，也完全满足该电站安全、稳定、经济运行需求。

［1］柴伟，周立军. 龙虎山水电站施工导流方案优化［J］. 黑龙江水利科技，2011，39(1) :105－106.

［2］尼玛，张巧丽. 浅谈小型水电站水轮机选型设计要求［J］. 西藏科技，2009(6) :12－14.