李 亮

(江西省赣西土木工程勘测设计院，南昌 330000)



蓝海水电站水轮机主要参数选择探讨

李 亮

(江西省赣西土木工程勘测设计院，南昌 330000)

蓝海水电站工程坝址上下游水头差较大，所以在其水轮机参数的选择方面必须综合考虑安装高程、转轮直径和转速、吸出高度参数外，影响水轮机性能的相关参数还包括外网跳闸导致水轮机负荷瞬间减小而转速瞬间增加的过速情况，水轮机的机械振动、电磁振动和水力振动，水轮机组轴承温度，轴承瓦衬刚度及瓦面材质的选择等方面。在进行水电站规划设计时，必须通过对多种水轮机选型方案进行综合比选并进行设计实验，保证水电站的稳定运行及经济效益与社会效益的最好发挥。

水电站；水轮机；主要参数；选择

1 水电站概况

蓝海水电站工程闸坝最大过流流量为3365m3/s，河床式水电站装机2200kW。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》(SL252—2000)相关规定，本枢纽工程为大(2)型水闸，电站为小(2)型水电站，工程等别为Ⅱ等，其主要建筑物为2级，上下游防洪建筑物及次要建筑物均为3级，发电厂房挡水部分建筑为2级建筑物，其余部分为5级建筑物。

蓝海水电站工程坝址上下游水头差较大，具备开发水电站的条件，电站建成后，可充分利用四级抬水工程所产生的水电能源，向宜春电网提供廉价、清洁的电能，有利于缓解电力供需矛盾，促进宜春市的经济发展。本电站是抬水枢纽工程的一个组成部分，其规模的选定必须服从抬水工程开发宗旨且与主体工程规模一致。

本电站上游无调节水库，不具备调峰的条件，故本电站在电力系统中基本担任基荷运行。根据电站装机容量的比选，从径流及水头指标来看，电站装机容量宜选择2200kw，为日调节水电站，电站多年平均发电量1100万kW·h。

2 水轮机主要参数选择

2.1 水轮机选型原则

在水电站水轮机组其他参数(如水头、装机容量等)确定之后，必须进行水轮机的选型设计，其设计好坏与水电站施工、投资及经济效益与社会效益的发挥有直接关系，要求水轮机选型必须在设计水头和流量变化范围内进行，并保证选型完成后能得到最佳的动力效益及机组运行的稳定可靠、抗汽蚀等性能。

蓝海水电站初拟装机2200kW，根据运行水头和引用流量，选择4台GD008—WZ—180型轴伸贯流式水轮机发电机组，发电机型号SFW550—32/2150。电站的厂用电出线两回，分接于I段，II段母线，当一回断电时，另一回可自控(或手动)投入，当电站不发电时，由主变倒送供电。

2.2 水轮机选型主要参数选择

根据水文水能计算成果，结合水工建筑物的布置情况，电站所能获取的水头变化范围在2.1-4.5m之间，加权平均水头为4.1m，引用流量73.5m3/s，在该水头段及流量参数下，能适应这些参数的机组有轴流式机组与贯流式机组，分别选择GD008-WZ-180(φ=21°)型轴伸贯流式机组与ZDJP475a-LH-200型轴流式机组两种水轮发电机组方案进行了技术经济比较。确定彭家坊水电站装机为4×550kW方案。根据运行水头和引用流量，选择4套GD008-WZ-180(φ=21°)型轴伸贯流式水轮机发电机组，发电机型号SFW550-32/2150，其额定出力为598kW，额定水头为4.1m，额定流量为16.86m3/s，额定转速为187.5r/min。

2.2.1 水轮机安装高程计算

水轮机安装高程的最大可能取值[1]的计算为：

▽△安=▽尾+H吸-D/2

(1)

式中：▽安为水轮机安装高程，m；△尾为发电尾水位的设计最低值，m；令▽尾=73.40m；H吸为水轮机吸出高度，根据厂家提供资料H吸=1.2m；D为水轮机转轮直径，取D=1.80m；则最大安装高程▽安=△尾+H吸-D/2=73.40+1.2-1.80/2=73.7m。水轮机设计安装高程取73.0m，经厂家复核，该安装高程是适宜的。

2.2.2 水轮机转轮直径

在进行水轮机设计参数的选择确定时，转轮直径是核心要素[2]，因其取值的高低直接决定水轮机的性能好坏，通俗来讲，转轮的型式决定着水轮机型式，且直接影响水轮机出力水平和最可能适用的水头以及厂房尺寸与构造，水轮机转轮直径DI通过下式计算：

(2)

式中：N为水轮机额定出力最大值，且N=N电/η电，N电为水轮机组中发电机额定功率，kW，η电为发电机效率，其取值在95%-98%；H为水轮机设计水头，m；QI为水轮机综合特性曲线高效区的单位流量值，m3/s；η为水轮机原型效率，其原型效率最大值ηmax=ηMmax+△η，(ηMmax为模型最大效率，△η为原型效率修整系数)。

2.2.3 水轮机转速

确定水轮机转速必须结合具体工况，将水轮机与所适配发电机直接进行连接，为保证适配性能的一致性，必须保证其与发电机组额定转速保持一致，且转速n通过下式计算：

(3)

式中：n10为原型水轮机单位转速的最佳值，r/min，其取值须对模型最优单位转速值进行修订而求得；Hs为水电站设计水头，m。

在计算出水轮机转轮直径与转速后必须进行取值的检验，完全符合上述选型原则后方可采用。具体过程为首先结合所求得的转轮直径与转速，按照与原模型相匹配原理，分别求得水头最大和最小两种工况下的单位转速，并代入模型对应求出电站出力最大值与最小值情况下的流量，利用这四个量便可通过绘制模型综合特性曲线进而得出水轮机可能的工作范围，如果该范围内存在高效率区，则表明参数取值完全合理，否则应改变参数取值重复进行上述验算，直到理想结果出现为止[3]。具体见表1。

表1 国内外水轮机转速及其余主要参数的取值

注：比速系数K=nHr0.5。

2.2.4 水轮机吸出高度

(4)

式中：kσ为水轮机吸出过程中汽蚀安全系数，取值为1.15-1.25；σ为汽蚀系数，通过水轮机模型试验测得，且σ越大则水轮机内动力真空体积越大，汽蚀产生的概率较大，机组安装高程会降低，增加水电站基础开挖的困难度。

2.3 蓝海水电站水轮机主要参数

经过上述各个参数类型的优化设计并结合水电站招投标协议要求与模型设计规划情况，最终确定蓝海水电站水轮机主要参数取值见表2。

表2 蓝海水电站水轮机主要参数

3 结 论

水电站水轮机组参数的选择对水电站能否正常运行及经济社会效益能否发挥关系重大，除了本文所研究的安装高程、转轮直径和转速、吸出高度参数外，影响水轮机性能的相关参数还包括外网跳闸导致水轮机负荷瞬间减小而转速瞬间增加的过速情况，水轮机的机械振动、电磁振动和水力振动，水轮机组轴承温度，轴承瓦衬刚度及瓦面材质的选择等方面，总之在进行水电站规划设计时，必须通过对多种水轮机选型方案进行综合比选并进行设计实验，保证水电站的稳定运行及经济效益与社会效益的最好发挥。

[1]代朝科.水电站水轮机选型设计中主要参数的确定[J].水利规划与设计，2015(08)：72-73，108.

[2]马彩萍，宋建英.积石峡水电站水轮发电机组参数选择[J].水力发电，2011，37(11)：40-42.

[3]苑连军，刘慧凤，田树棠.黄河拉西瓦水电站水轮机主要参数选择设计[J].西北水电，2009(02)：49-52.

1007-7596(2017)04-0095-03

2017-03-06

李亮(1981-)，男，山东桓台人，工程师，从事小型水电站泵站机电设计工作。

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