水頭變化幅度大條件下水電工程水輪機組選型研究

范欣柯

摘要： 水電工程具有防洪、灌溉、蓄水、發電等功能，是關系國計民生的基礎設施。本文結合某的水電工程，根據水電站機組的特點，對兩種機組選型方案進行分析，對水輪機組進行選型。

Abstract： Hydropower projects have the functions of flood control， irrigation， water storage and power generation， and are the infrastructure related to national economy and people's livelihood. In this paper， based on a hydropower project， according to the characteristics of hydropower units， the selection of two types of unit is analyzed for turbine unit selection.

關鍵詞： 水電工程；機組；轉輪；水頭

Key words： hydropower project；unit；runner；water head

中圖分類號：TV734.2 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）02-0104-02

0 引言

隨著經濟社會的發展，人們對電力需求不斷增加。國家大力建設水利工程，水電工程具有發電、防洪、灌溉等功能，水電站的機組選型是水電站建設的重點和難點。水電站的機組直接關系到水電站運行效率和經濟效益，因此，水電站建設之前，必須做好充分準備，了解水電站的特點，選擇合適的機組，才能確保水電站的投產以后的經濟效益。

1 水電站水輪機選型內容

水輪機選型主要內容有確定水輪發電機單機容量和機組臺數、水輪機型號、水輪機出力、同步轉速、水輪機最大允許吸出高度和高程、飛逸轉速、繪制水輪機運轉綜合特性曲線、水輪機組外形尺寸、重量和價格，根據現有的水力資料上確定下年平均發電量和水頭預想出力。

1.1 水輪機組裝機容量

水電站裝機容量一般考慮到兩個因素，一是河流徑流大小以及特性、水庫調節性能、水電站利用水頭等，另外則是水電站的供電范圍、電力系統的負荷發展規模等。機組容量應該要滿足最小下泄流量的容量。水電站的裝機容量公式為：N=gQHη，其中g表示水電站機組所在地的重力加速度、Q表示水電站發電引用流量、H表示水輪機運行水頭、η表示水輪機發電機組的效率。

1.2 水輪機組數量

水電站水輪機組數量則根據水電站的實際情況進行設置。如果水電站的水頭變化幅度小，水電站就設置在大壩附近或者大壩處就有泄水閘門，則按照最少的機組臺數設置，要就是1組。如果水電站的下泄流量比較大、水頭變化幅度大，機組運行的靈活性比較差，所以選擇臥式機組，機組按照2臺設置。

1.3 額定水頭和水輪機轉輪直徑和轉速選擇

水輪機在水電站整個水頭運行范圍內都必須保證恒定的下泄流量，根據水電站的實際情況核算流量值。水輪機按照常規水電站那樣設置額定水頭。具體根據水電站的實際運行水頭變化進行選擇。如果水頭變化幅度比較小，那么水電站加權平均水頭的90%-95%作為額定水頭，選擇水輪機的轉輪直徑和轉速，并確定最大水頭和最小水頭流量是否滿足水電站的運行流量要求。如果最大、最小水頭下泄流量無法滿足水電站的運行要求，那么則適當增加導葉開度。機組對水輪機的要求比較高，水輪機組必須在任何工況下，過流量保持恒定并保持不停機狀態。所以水輪對機組在選擇的時候，要確保機組的穩定性能，確保水輪機參數處于最佳效率區。運行水頭變化幅度比較大的水電組，主要從兩個方面考慮，第一個是水電組的經濟效益出發，在水電站高水頭段和低水頭段分別安裝兩個轉輪，水頭頻率出現比較高的水頭段選擇轉輪參數，出現幾率小的水頭段則限制水輪機的運行工況，通過其他泄水方式下泄水電站所需的水流量。另外一個方面就是從水電站流量、最小水頭的水輪機出力情況、最小水頭流量，計算選擇水輪機轉輪直徑，然后根據水輪機轉輪的直徑、最大水頭以及水電站流量。

2 水輪機組選型基本原則

水輪機組選型必須遵循以下原則：第一，水輪機必須在滿足水電工程出力要求和水電站工作運行參數，選擇合適的尺寸和型號，不會出現比較大的振動和噪音。第二，縮短建設、安裝周期，選擇設備的時候要考慮到水庫初期蓄水低水頭的情況，尤其是一些大的水電站。第三，水電站機組必須具有良好的適應能力，能夠適應自然環境。比如在多沙流于的水電站機組必須有良好的抗磨性，在腐蝕性比較高的河道水輪機過流部位防腐蝕性能必須好。第四，水輪機組結構便于現場安裝。第五，水輪機組必須符合水電站計算機監控和無人值守或者少人值守的相關要求。第六，水輪機組技術必須符合現場水電站的水文條件，并適合電力系統布置等要求，從而確保機組有足夠的運行效率。現代水輪機組選型最高效率必須達到94%，預想運行效率應該達到88%以上。

3 工程概況

某水電站采用混合開發模式，電站裝機容量3×140MW，水庫壩址位于河口下游1.2km，正常蓄水水位是2133m，最低水位為2063m，正常蓄水位以下庫容量為5.346億m3，調節庫容量為4.43億m3。

通過計算得出，該水電站的機組的裝機容量：1×5MW，枯水期的年枯期平均出力：4.61MW，最大水頭：133.68m，最小水頭63.68m，額定水頭：115m，全年加權平均水頭：116.29m，多年平均年發電量：4230.71萬kW·h，機組裝年利用小時數：7422h。

該水電站水輪機水頭的變化幅度比較大，按照運行要求，最大水頭：133.68m，最小水頭63.68m，額定水頭：115m，水頭變化最大幅度為70m，最大水頭與額定水頭比為：1.162，最大水頭與最小水頭比為2.099。這對水輪機的穩定性非常高，近年來我國水電站投運的國內外著名制造廠商研制大幅度水輪機和水泵水輪機都發生了不同程度的振動和轉輪葉片裂紋，有的甚至與廠房建筑物發生共振，影響到水電站的安全和穩定性。所以在選型時，要確保水輪機和水泵水輪機的安全性和穩定。endprint

3.1 水輪機組選型

按照水電站的特點，水庫恒定流量為5.2m3/s，水頭變化從63.8m到133.68m，機組的出力是水頭的線性函數。假設水電站的發電機運行效率為93%，那么水輪機組的發電效率是89%，那么機組的出力變化則是從2688kW到5644kW，其具體運行變化圖如圖1。

發電機組的機組型號為SFW5000-8/2150，機組功率變化范圍在2688kW-5644kW，根據上述發電機組運行效率圖可以看出，發電機組40%在額定荷載上，運行效率比較高，按照2688/5000=53.76%，發電機組最低運行效率在53.67%，所以發電機組的運行效率比較高。按照這一特點，所以本水電站的機組的研究重點在于是否能確保水輪發電機在較大水頭變化情況下，依然保持運行的穩定性，是否會出現振動、汽蝕，影響到水電站的安全，轉輪是否能滿足這么大的運行區間，根據這一情況，設計了兩種機組選型方案。

3.2 水電站水輪機機組選擇方案一

按照水電站的庫區變化情況，從1月份到7月份中旬，水頭變化范圍在63.68m到102m，7月到第二年的1月，水頭變化范圍在102m到133.68m，那么這兩個水頭段的高水頭選擇HLA575C-WJ-98，低水頭段選擇的型號為HLA788-WJ-83。為了提高水輪機運行效率，對選出的HLA575C-WJ-98的轉輪進行了結構處理，從而實現了兩個轉輪的互換。

每年7月到HLA575C-WJ-98轉輪，第二年1月的時候，HLA788-WJ-83轉輪。更換轉輪的時候，同時更換尾水接管，其余部件則于原來的水輪機通用，臥式機組更換比較方便，只需要半天時間。這種機組運行方案的優點是不需要增加配套費用，僅需增加HLA788-WJ-83轉輪和配套的尾水管，但是增加了3個月的發電時間，兩個轉輪在最佳區間運行，發電效率比較高，轉輪的汽蝕控制比較好。但是這種運行方式的缺點是每年7月份到第二年1月的時候需要更換水輪機和尾管，這個過程中比較復雜，但是總體方案的經濟性比較高，水輪機的運行效率比較好。但是在實踐過程中，其實每年需要更換兩次轉輪，所以更換工作比較復雜。

3.3 第二種水輪機選型方案

這種方案選擇一個運行范圍比較寬的轉輪HLA194-WJ-90，但是考慮到出力限制性的影響，73m水頭以下，轉輪的運行效率不高，水頭降低，容易引發轉輪振動、汽蝕，水頭越低，則產生的副作用越明顯，這樣容易影響到機組的運行。因此，低于73m的水頭不適宜機組運行。

這種方案不需要拆換轉輪，但是水輪機運行效率比較低，水頭低于73m不能運行，所以每年損失了3個月的發電時間和發電量。

3.4 結論

通過分析對比兩種方案，考慮到機組運行效率，適合選擇第一種方案，高水頭選擇HLA575C-WJ-98，低水頭段選擇的型號為HLA788-WJ-83，這兩個轉輪的穩定性好、壓力脈動小、更換成本低，只需要更換轉輪和尾管即可，不會增加其他配套費用，每年增加3個月的發電時間，經濟效益比較好。

4 結束語

發電站機組選型的時候，要考慮到水電站的實際情況，選擇與水電站參數比較匹配的型號，機組的運行范圍比較廣，所以選型的時候必須進行有效的控制。上述兩個機組選型方案在技術上都是可行的，但是考慮到實際運行成本和經濟效益，使用了第一種運行方案。

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