瀾滄江烏弄龍水電站水輪機主要參數選擇

馬國強，劉建華，劉國峰

（中國水電顧問集團西北勘測設計研究院，陜西 西安 710065）

烏弄龍水電站位于云南省迪慶州維西縣巴迪鄉境內，為瀾滄江上游河段規劃7個梯級中的第2級電站，其正常蓄水位1 906.00 m，總庫容27 188萬m3，為日調節水庫。電站水頭范圍72.3～92 m，額定水頭81 m，電站裝機3×330 MW，年發電量44.27億 kW·h。

1 水輪機模型主要參數選擇

1.1 比轉速ns和比速系數k

比轉速ns是表征水輪機技術經濟綜合特性的一項重要指標，它綜合反映了水輪機的能量、空化、水力穩定性等特性，也反映了不同國家、地區、不同年代的水輪機設計和制造水平。提高水輪機的比轉速ns可以提高機組轉速，從而減少水輪發電機組的尺寸，減小機電設備及土建投資。但是，過度提高比轉速會導致水輪機的空蝕、泥沙磨損及壓力脈動等性能惡化，最優效率降低，高效率運行工況區變窄，反而達不到提高綜合性能的目的。

因此，比轉速的選取，不應過于追求高比轉速，而應將水輪機的穩定性、可靠性放在首位。

烏弄龍水電站水輪機屬大型混流式機組，可采用統計法尋求水輪機比轉速ns、比速系數K與額定水頭Hr之間的函數關系。

首先可以采用經驗或統計公式來表征ns與 Hr間的關系，見表1。

可見，利用以上各式計算得到的ns值落在一個較大的范圍內，說明各國、各公司對水輪機參數的選擇不近相同，但大多處于220～255（m·kW制）區間內。上述推薦式計算的ns的平均值為240.7（m·kW制），相應的比速系數k為2 166。

圖1中的曲線ns=2 357/Hr0.538是在統計了國內外大量已建大型水電站的基礎上做出的統計回歸曲線，具有一定的普遍性和參考價值。另外一條ns=47 406/（Hr+108.5）曲線是在考慮了水輪機比轉速的發展趨勢做出的，位于統計電站的外包絡線位置。所統計的這幾座大型水電站，由于年代較近，應該說，在相當程度上反映了水輪機比轉速的當前水平。

表1 比轉速與比速系數統計計算結果

圖1 大中型混流式水輪機水頭與比轉速關系統計曲線

根據本電站水頭參數，由圖1得到水輪機比轉速：Hr=81 m時，ns=221.6～250.2 （m·kW制）， 相應的比轉速系數k=1 994～2 252。

同時也統計了單機容量為300 MW以上已建和在建電站部分水輪機參數 （此處略）。其大多數比速系數K值在2 200左右，對應的本電站額定水頭時的比轉速為244（m·kW制）左右，與表1統計公式及圖1統計曲線計算值基本相近。

由于烏弄龍水電站多年平均入庫含沙量較小，因此，比轉速選擇時可不考慮泥沙磨損對水輪機的影響。另外，該電站水頭變幅 （Hmax/Hmin=1.22）不大，機組運行條件較好，比轉速可以適當提高。當然，應優先保證水輪發電機組能夠安全穩定的運行。

綜合以上統計及分析，本電站比轉速選擇范圍宜取240（m·kW制）左右，相應的比速系數K為2160左右。

1.2 單位轉速和單位流量

比轉速的高低是由單位轉速、單位流量和效率3個參數決定的。即，比轉速隨著單位轉速、單位流量和效率的增加而增加。其中，由于效率值變化不大，對轉速的影響較小，因此比轉速的高低主要受單位轉速和單位流量的影響，特別以單位轉速對比轉速的影響最大。

近年來各制造廠對這幾個參數間的關系也都進行了一定的探索。

當取ns=240（m·kW制）時，n11=77.8 r/min；若取 ηt=92.5%， 則 Q11=1.05 m3/s。

東方電機廠推薦公式：n11=50+0.11 ns，Q11=0.1 134（ns/n110）2

當 ns=240（m·kW 制）時， n11=76.4 r/min， Q11=1.12 m3/s。

國內外與烏弄龍水電站相近水頭段水電站額定點單位轉速與單位流量統計結果，其額定點單位轉速與單位流量均處于一個較大的范圍內Q11為0.85～1.2 m3/s， n11為 72.9～84.9 r/min。 Q11平均值為 1.07 m3/s， n11平均值為79.1 r/min，與以上廠家推薦公式計算值相近。

根據以上計算分析及電站統計結果，像烏弄龍這樣的大型水電站，單位轉速宜選在75～79 r/min之間；單位流量宜選在1.05～1.12 m m3/s之間。

1.3 空化系數

據本電站水輪機比轉速為240（m·kW制），按有關經驗公式統計計算空化系數，計算結果見表2。

表2 水輪機空化系數

考慮到烏弄龍水電站多年入庫平均含沙量0.82 kg/m3，懸移質中值粒徑為0.015 mm，電站的泥沙問題不突出，預計上游電站蓄水后，過機水流含泥沙狀況會進一步改善。但從有利于機組運行穩定性的角度出發，裝置空化系數的選取也不宜太小，并考慮到電站對 “無空化運行”趨勢的要求,一方面需采用先進的CFD對轉輪葉片的通道進行充分的優化處理，使壓力分布和速度分布更合理，減小空化；另一方面，由于烏弄龍水電站采用的是地下廠房，因此降低機組安裝高程對地下廠房土建工程量影響相對較小，如果巖石地質條件允許，應考慮盡量滿足水輪機的吸出高度。

參考以上統計分析結果，要求烏弄龍水電站水輪機裝置空化系數σp不大于0.19，相應的轉輪模型臨界空化系數不大于0.118，空化安全系數值取1.6。

2 水輪機真機主要參數選擇

2.1 額定轉速

根據以上目標參數選擇，初步計算本電站轉輪直徑D1=6.8 m。因此，根據計算可供選擇的額定轉速nr有93.75、100 r/min及107.1 r/min。各額定轉速方案比選結果可以看出：隨著轉速的提高，發電機尺寸和質量可以明顯減小，具有很好的經濟性。而107.1 r/min方案的轉速較高，使得比轉速（256）、 比速系數 （2 304）、 單位轉速 （80.92） 等均超過烏弄龍水電站參數選擇目標值的上限，100 r/min方案的比轉速 （239）、 單位轉速 （75.56） 均與烏弄龍水電站目標參數值接近，且運行區域合適，故從有利于保證機組的穩定性考慮，烏弄龍水電站選擇機組額定轉速為100 r/min。相應發電機磁極數2p=60，發電機按對稱繞組常規電磁設計，并聯支路數可選2、4、5、6…。經過對不同額定電壓并聯支路數、槽電流等比較后，本階段發電機額定電壓選用18 kV，并聯支路數取為4，槽電流為5 880 A。

2.2 安裝高程

混流式水輪機遠離設計工況運行時，會產生脫流和渦帶，引發機組甚至相鄰水工建筑物的振動，并可能產生疲勞破壞，如葉片裂紋、尾水管壁斷裂等。這些都引起了設計和制造行業的普遍關注。所以在大型混流機組設計選型時，應該把水輪機的穩定性與其能量指標、空蝕性能一并作為選擇水輪機選擇的三大要素來綜合考慮。

機組安裝高程的確定受到水輪機空蝕、尾水管空腔渦帶、大軸自然補氣、水輪機效率等諸多因素互相關聯和制約。國內一般認為：混流式水輪機采用較大的吸出高度，可以降低空化并減少水輪機的壓力脈動值，對提高水輪機安全穩定運行有益。表3為烏弄龍水電站下游尾水位與流量關系。

表3 尾水位-流量關系

由于下游里底水電站建設要先于烏弄龍電站，且存在下游里底水電站死水位時烏弄龍水電站發電的情形，根據 《水力發電廠機電設計規范》有關安裝高程的設計原則，故烏弄龍水電站設計尾水位按1臺機運行、下游里底水電站死水位回水時的下游水位 （1 815.40 m）來確定水輪機的安裝高程。

根據轉輪模型目標參數推薦的結果，烏弄龍水電站裝置空化系數σp應不大于0.19，模型臨界空化系數要求不大于0.118，空化安全系數值取1.6。同時，也要考慮水輪機吸出高度對機組補氣的影響，烏弄龍水電站水輪機安裝高程最終確定為1 807.5 m，相應的吸出高度為-7.9 m，反算電站空化安全系數Kσ約為1.63，有足夠的安全余量。

3 結語

烏弄龍水電站水輪機主要參數的選擇均以機組能夠長期安全穩定運行為前提條件，并結合了該電站的實際情況，參照了國內同類型電站的參數，運用經驗統計公式進行計算選取，基本保證了機組的能量指標、穩定性指標和綜合性能均保持在較為先進的水平。