敦化抽水蓄能電站水輪機選型設計

王飛龍

（江西省水利水電建設有限公司 江西 南昌 330025）

1 工程概況

敦化抽水蓄能電站位于吉林省敦化市北部，與黑龍江省海林市交界。電站距長春市直線距離220km，距敦化市公路里程111km，距吉林市公路里程280km，距敦包500kV線路敦化變電站70km。電站裝機容量1400Mw，為一等工程，大（Ⅰ）型規模。樞紐工程由上水庫、下水庫、水道系統、地下廠房系統和地面GIS開關站等部分組成。

敦化抽水蓄能電站上、下水庫為抽水蓄能電站專用水庫，無其他綜合利用要求。吉林敦化抽水蓄能電站主要承擔系統調峰填谷、調頻、調相、事故備用及黑啟動等任務，并可根據系統需求配合風電運行，維護電網安全穩定運行。

2 水輪機型式比選

2.1 選型設計中關鍵參數的選擇

（1）轉輪直徑D1的選擇

轉輪直徑D1可以通過下式求得：

式中：Pr——水輪機額定出力；Q11——單位流量；H——工作水頭；η——水輪機效率；

在進行轉輪直徑設計與計算時，對原型水輪機效率仍然未知，可以先求得設計工況點模型效率作為轉輪直徑，而后按照莫迪公式進行修正。（相關數據及計算結果詳見2.3轉輪模型的選擇）

（2）轉速n的選擇

水輪機轉速的選擇首先必須考慮轉速與轉輪機組尺寸的關系，因為提高轉速可以減少機組的尺寸，并且降低其造價；其次必須考慮轉速提高會加大轉輪內的流速，使空氣性能變壞，根據經驗，轉速的合理范圍應為38 r/min～142 r/min，此外必須考慮轉速增大時轉輪的離心力會增大等情況。

水輪機的轉輪直徑與轉速兩個變量之間密切聯系，在實際的水輪機設計與選型過程中需要反復計算。

（3）水輪機實際工作范圍的檢驗

通過上述兩步確定了水輪機轉輪直徑和轉速的基礎上，可以根據換算公式，計算各特征水頭所對應的單位轉速，公式如下：

計算出相應結果之后，將最大水頭Hmax和最小水頭Hmin所對應的單位轉速之間的范圍繪制在模型特性曲線上，并且使加權平均水頭所對應的轉速盡可能接近最優單位轉速，本工程加權平均水頭所對應的轉速與最優單位轉速之間偏離較少，說明所選水輪機轉輪直徑與轉速的取值較為合理。

2.2 裝置型式的選擇

本電站運行水頭15.5m～18.5m，屬20m水頭段，可選用燈泡貫流式水輪機組或軸流式水輪機組。這兩種裝置型式在國內低水頭水電站中均有廣泛和成熟的應用，兩機組形式相比較具有如下特點：

表1 軸流定槳水輪機主要參數表

圖1 JP502轉輪（Φ=0°）模型綜合特性曲線

表2 方案比較表

（1）貫流式的水流條件好，同樣過流面積時，貫流式水流通過容易，單位流量大，無蝸殼和肘形尾水管，流道水力損失小，運行效率比軸流式高。

（2）貫流式水輪機為了滿足安裝高程的要求，需從引水室入口至尾水管全部開挖到相應深度；而軸流式只需對尾水管部分進行深開挖，因此，貫流式機組的土建開挖量一般較軸流式大。

（3）燈泡貫流式水輪發電機組全部處于水下，要求有嚴密的封閉結構及良好的通風防潮措施，維護、檢修較困難；而軸流式機組安裝、檢修技術成熟，維護管理方便。

通過上述比較可知，燈泡貫流式水輪機組水力條件好，但機組結構較軸流式復雜，因此考慮本電站建成后的運行、管理和維護，推薦采用軸流式水輪機組。

軸流式水輪機分為轉槳式和定槳式。轉槳式水輪機的轉輪內有一套葉片轉動操作機構葉片相對轉輪體可以轉動，在運行中可根據不同負荷和水頭進行調節，獲得較高的水力效率和穩定運行的特性，較適用于水頭變化較大出力變化較大的電站。本電站水頭變化幅度不大，選用軸流定槳式水輪機具有結構簡單、安裝檢修方便的優點。

綜上所述，本站推薦選用軸流定槳式水輪發電機組。

2.3 轉輪模型的選擇

根據國內現有的中小型軸流定槳式水輪機性能表可知，適合該站使用模型轉輪主要有JP401和JP502兩種，主要參數如表1。從表1可知兩水力模型總體性能良好，雖然方案一的空化系數較方案二稍大，但考慮到機組安裝高程應留有足夠安全裕量，防止機組翼型出現嚴重空化現象的發生，認為兩方案站房開挖工程量基本相等。由于JP502模型的最優工況點效率較JP401模型約高出2%，因此本階段推薦選用JP502軸流定槳水輪機模型，其綜合特性曲線如圖1。

2.4 機組臺數選擇

機組臺數的選擇將直接影響到電站的動能經濟指標與運行的靈活性、可靠性因此，本站確定機組臺數時主要考慮機組臺數對工程建設費用、運行效率及運行維護等方面的因素。針對本電站總裝機規模，選用JP502模型轉輪換算成2臺、3臺和4臺機組方案進行經濟比較，即通過分析2.4Mw×2、1.6×3Mw、1.2×4Mw三種方案，各方案的特征參數見表2。

圖2 JP502轉輪（Φ=0°）模型工作區域圖

表3 水輪發電機組主要參數

從上表可以看出，2臺機方案時，機組額定流量為21.5m3/s，不僅運行、檢修欠靈活，而且枯水期時單機不能保證發40%額定出力的要求，若機組長期低負荷運行容易引起空蝕振動等，使水輪機轉輪等部件受損，降低使用壽命，減少電站收益；4臺機方案可以充分利用枯水月份流量，機組能夠保證在枯水期時也較安全穩定運行，但廠房長度較長，機組設備總造價較高；3臺機方案時，廠房尺寸及設備總造價適中，枯水期時機組也能夠滿足安全穩定運行。考慮本電站土建與機電設備制造、運輸、安裝、運行、操作、控制、檢修與維護的靈活性與經濟性，綜合比較后確定機組臺數為3臺，則水輪發電機組的主要參數見表3，水輪機工作范圍如圖2。

3 水輪機選型計算通用程序設計

當前設計人員仍然依靠模型特性曲線進行水輪機機組的選型，而收集資料繪制模型特性曲線本身也是一個不斷積累和改進的過程，而不同電站所需的機型不盡相同，所以很難建立起一個有關水輪機模型特性數據庫以便選擇。可以考慮將重復的選型設計計算過程通過計算機編程來完成，以避免復雜繁瑣的計算，亦可以提高設計效率，提高選型工作質量。

3.1 選擇設計工況點

在設計工況點時，先計算轉輪直徑D1和轉速n，再計算吸出高度、安裝高程，根據計算結果判斷是否需要調整上述設計工況點，如需調整則應調用循環模塊重新計算。

3.2 轉輪直徑和轉速的圓整

根據公式計算的轉輪直徑D1和轉速n不能與實際偏離太多，計算出的這兩個參數取值必須保證設計工況出力與額定出力以及水輪機運行范圍在合理范圍內。而這個圓整的過程只需設計一個局部循環程序即可實現。

3.3 水輪機效率的修正

在效率修正程序的設計過程中，應該選擇相應的效率修正系數，進行修正值的計算，進而可以根據修正值的大小去判斷水輪機的效率是否合理，如不合理應回過頭來進行復核。

4 結語

本文結合敦化抽水蓄能電站實際情況，抓住影響水輪機選型設計的三大核心要素，即裝置型式、轉輪模型及機組臺數，依據水輪機模型特性曲線，重在進行水輪機選型關鍵參數的設計與選擇，進而確定了本站宜選用軸流定槳式水輪發電機組，選用JP502軸流定槳水輪機模型，機組臺數為3臺。基于上述分析，可以將重復的選型設計計算過程通過計算機編程來完成，以避免復雜繁瑣的計算，從而提高設計效率，提高選型工作質量。但是受到筆者的研究領域與知識等的限制，對這一部分尚未進行較為透徹的分析研究，以期起到拋磚引玉之作用。陜西水利

[1]王永澤.淺析中小型反擊式水輪機選型設計[J].水電站設計.2010,（3）:50-54.

[2]端潤生.抽水蓄能電站建設及可逆式水泵水輪機的若干技術問題 [J].水力發電.2012,（12）:47-50.

[3]戴然.白山抽水蓄能電站水泵水輪機設計[J].水利水電技術.2008,（6）:25-27.