大渡河安谷水電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)

呂 勤 川， 何 仕 明

(1.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072；2.中國水電建設(shè)集團(tuán)圣達(dá)水電有限公司，四川 樂山 614013)

1 工程概述

安谷水電站工程是大渡河干流水電梯級(jí)開發(fā)中的最后一級(jí)，壩址位于樂山安谷河段的生姜坡，距上游沙灣水電站約35 km，下游距樂山市區(qū)約15 km，有省道S103從樞紐區(qū)左岸通過，對(duì)外交通較方便。

安谷水電站的開發(fā)任務(wù)為發(fā)電、防洪、航運(yùn)、灌溉和供水等。電站裝機(jī)容量為772 MW，正常蓄水位高程398 m，正常蓄水位以下庫容為6 330萬m3。其中大機(jī)組4×190 MW，額定水頭33 m，設(shè)計(jì)引用流量2 576 m3/s，年利用小時(shí)數(shù)為4 023 h，多年平均發(fā)電量為30.58億kW·h，保證出力193 MW；小機(jī)組1×12 MW，額定水頭21 m，設(shè)計(jì)引用流量為64.9 m3/s，年利用小時(shí)數(shù)為7 235 h，多年平均發(fā)電量為0.87億kW·h，保證出力10 MW。電站采用一級(jí)混合開發(fā)方式，即建壩壅水高20 m，河床式廠房，廠后接長約9 450 m的尾水渠，尾水渠利用落差15.5 m。

2 電站基本設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)上游水位。

正常蓄水位高程 398 m

發(fā)電限制水位高程 397 m

設(shè)計(jì)洪水位高程 395.35 m

校核洪水位高程 397.55 m

(2)電站水頭。

最大水頭 36.23 m

最小水頭 31.14 m

額定水頭 33 m

年加權(quán)平均水頭 34.27 m

(3)下游水位。

最低尾水位高程 361.18 m(Q=644 m3/s)

正常尾水位高程 363.82 m(Q=4×644 m3/s)

設(shè)計(jì)洪水位高程 380.84 m

校核洪水位高程 381.65 m

(4)動(dòng)能參數(shù)。

多年平均發(fā)電量 31.98億kW·h

年利用小時(shí) 4 023 h

保證出力 193 MW

(5)泥 沙。

多年平均含沙量 0.25 kg/m3

汛期多年平均含沙量 0.726 kg/m3

泥沙級(jí)配見表1。

平均粒徑為0.012 9 mm。

莫氏硬度大于、等于5的硬礦物主要為石英、長石、角閃石，各粒徑組硬礦物含量為33%～72%。各粒徑組硬礦物組成情況見表2。

(6)水 質(zhì)。

表1 泥沙級(jí)配表

pH值 8.23～8.49

表2 各粒徑組硬礦物組成情況表

懸浮物 8.23～8.49 g/L

硫化物 0.008～0.45 mg/L

有機(jī)物 0.063～0.105 mg/L

(7)氣 溫。

多年平均氣溫 17.1 ℃

極端最高氣溫 36.8 ℃(1988年5月3日)

極端最低氣溫 -2.9 ℃

3 機(jī)組臺(tái)數(shù)和單機(jī)容量選擇

擬定裝機(jī)3臺(tái)、4臺(tái)、5臺(tái)機(jī)三個(gè)方案進(jìn)行機(jī)組臺(tái)數(shù)比較，單機(jī)容量分別為253 MW、190 MW、152 MW。機(jī)組臺(tái)數(shù)采用ZZD345E轉(zhuǎn)輪進(jìn)行比較。從機(jī)組臺(tái)數(shù)初步比較表(表3)中可以看出：三個(gè)方案中的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑分別為10 m、8.8 m、7.8 m，技術(shù)上三個(gè)方案均可行，水輪機(jī)制造難度相當(dāng)；3臺(tái)機(jī)方案，發(fā)電機(jī)單機(jī)容量達(dá)到253 MW。目前國內(nèi)軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組中最大單機(jī)容量的電站為水口電站，單機(jī)容量為200 MW，3臺(tái)機(jī)方案發(fā)電機(jī)推力軸承的負(fù)荷較大，推力軸承和發(fā)電機(jī)制造具有一定難度，故不推薦3臺(tái)機(jī)方案。從經(jīng)濟(jì)上考慮，4臺(tái)機(jī)方案機(jī)組總重量比3臺(tái)機(jī)方案機(jī)組總重量增加了1 195 t，5臺(tái)機(jī)機(jī)組總重量比4臺(tái)機(jī)方案機(jī)組總重量增加了584 t，工程總投資4臺(tái)機(jī)方案比3臺(tái)機(jī)方案多5 904萬元，5臺(tái)機(jī)方案比4臺(tái)機(jī)方案多8 067萬元，多年平均發(fā)電量4臺(tái)機(jī)方案比3臺(tái)機(jī)方案多1 167萬kW·h，5臺(tái)機(jī)方案比4臺(tái)機(jī)方案多432萬kW·h。從技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較看，4臺(tái)機(jī)方案明顯優(yōu)于5臺(tái)機(jī)方案，同時(shí)，考慮到安谷水電站上游的沙灣、銅街子水電站的裝機(jī)臺(tái)數(shù)均為4臺(tái)，按照上下游梯級(jí)電站協(xié)調(diào)同步運(yùn)行要求，安谷水電站推薦4臺(tái)機(jī)方案。

4 額定水頭的選擇

根據(jù)水能計(jì)算成果，尾水渠機(jī)組最大水頭為36.23 m，最小水頭為31.14 m，年加權(quán)平均水頭為34.27 m，汛期加權(quán)平均水頭為33.6 m。

該電站受阻主要在7～10月四個(gè)月。結(jié)合汛期水頭分布情況，本著控制電站受阻時(shí)間、減少電站引用流量，從而節(jié)約尾水渠工程量和投資的原則，按水頭保證率在75%～95%之間擬定了32 m、33 m、34 m三個(gè)額定水頭方案進(jìn)行比較(表4)。

表3 機(jī)組臺(tái)數(shù)比較表

表4 額定水頭比較表

由表4可見，額定水頭由34 m降到33 m，電站年發(fā)電量增加1 057萬kW·h，投資增加1 584萬元，增加單位電能投資1.499元/ kW·h，低于基本方案的單位電能投資，說明額定水頭由34 m降到33 m是經(jīng)濟(jì)的；額定水頭由33 m降到32 m，電站年發(fā)電量僅增加718萬kW·h，投資增加2 453萬元，增加單位電能投資達(dá)3.416元/ kW·h,高于基本方案的單位電能投資，說明額定水頭不宜再降低。因此，安谷水電站額定水頭選定為33 m。

5 機(jī)組機(jī)型的選擇

根據(jù)安谷水電站的運(yùn)行水頭范圍，安谷水電站可以選擇軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)和混流式水輪機(jī)。目前，50 m水頭段比較典型的混流式水輪機(jī)A551C轉(zhuǎn)輪(用于柘林電站)限制工況單位流量為1 420 L/s，最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速為83.5 r/min，而軸流轉(zhuǎn)槳式D345E水輪機(jī)(用于萬安擴(kuò)機(jī)和沙灣電站)限制工況單位流量為1 800 L/s，最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速為125 r/min。兩模型轉(zhuǎn)輪比較情況見表5，真機(jī)比較情況見表6。從表中可以看出：A551C混流式水輪機(jī)相比軸流轉(zhuǎn)槳式D345E水輪機(jī)過機(jī)單位流量偏小，最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速偏低，4臺(tái)機(jī)組總重量比轉(zhuǎn)槳式重6 592 t，機(jī)組造價(jià)和土建投資偏大，故該電站推薦選用軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)。

表5 模型轉(zhuǎn)輪比較表

表6 真機(jī)機(jī)型比較表

6 水輪機(jī)主要參數(shù)的確定

表7為上海伏伊特西門子水電設(shè)備有限公司(以下簡稱VOITH)、東方電氣集團(tuán)東方電機(jī)有限公司(以下簡稱東方電機(jī))、哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司(以下簡稱哈電)及浙江富春江水電設(shè)備有限公司(以下簡稱浙富)設(shè)計(jì)的安谷水電站水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)制造技術(shù)交流方案。

(1)額定轉(zhuǎn)速的選擇。

從各制造廠的方案看，所推薦的安谷水電站水輪發(fā)電機(jī)組的同步轉(zhuǎn)速均為88.2 r/min。東方電機(jī)、哈電和浙富認(rèn)為同步轉(zhuǎn)速88.2 r/min是穩(wěn)妥、先進(jìn)的；VOITH認(rèn)為安谷水電站水輪發(fā)電機(jī)組的同步轉(zhuǎn)速可以適當(dāng)提高，結(jié)合發(fā)電機(jī)出口電壓的選取，發(fā)電機(jī)出口電壓如選取15.75 kV，同步轉(zhuǎn)速將提高到90.9 r/min較優(yōu)，比轉(zhuǎn)速ns=506 m·kW，比速系數(shù)K=2 907。

推薦安谷水電站水輪發(fā)電機(jī)組的同步轉(zhuǎn)速為88.2 r/min，則比轉(zhuǎn)速ns=491 m·kW，比速系數(shù)K=2 821。

(2)額定點(diǎn)單位流量和最優(yōu)單位流量的合理范圍。

表7 安谷水電站主機(jī)廠方案比較表

額定點(diǎn)單位流量的選擇應(yīng)考慮水輪機(jī)空化性能及泥沙磨損性能，由于額定水頭較高，空化安全系數(shù)對(duì)吸出高度影響較大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，空化安全系數(shù)應(yīng)取1.1左右，故暫定安谷水電站水輪機(jī)安裝高程(槳葉中心)為351.38 m，額定點(diǎn)吸出高度為-9.8 m，電站空化系數(shù)約為0.588，故額定點(diǎn)臨界空化系數(shù)應(yīng)為0.535左右，相應(yīng)額定點(diǎn)單位流量應(yīng)為1.5 m3/s量級(jí)，兼顧各種負(fù)荷的性能，最優(yōu)單位流量應(yīng)為1 m3/s量級(jí)。從水輪機(jī)額定單位轉(zhuǎn)速的選擇觀點(diǎn)看，對(duì)于各個(gè)水頭段的可使用轉(zhuǎn)輪，其模型最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速變化不大，5葉片轉(zhuǎn)輪最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速一般為130 r/min左右，6葉片轉(zhuǎn)輪最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速一般為120 r/min左右。在模型水力參數(shù)一定的情況下，可以通過選擇不同的真機(jī)轉(zhuǎn)速來獲得不同的比轉(zhuǎn)速，從對(duì)穩(wěn)定性要求出發(fā)，要控制最高水頭對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速不小于0.9倍最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速，如需要使用高比轉(zhuǎn)速，可以選擇最高水頭對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速大于最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速(這種方式已經(jīng)在許多電站采用)，但要注意最低水頭下單位轉(zhuǎn)速不要偏離最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速太遠(yuǎn)，一般認(rèn)為，1.5倍最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速以下的區(qū)域尾水管壓力脈動(dòng)指標(biāo)較好，單位轉(zhuǎn)速過高的運(yùn)行區(qū)尾水管壓力脈動(dòng)急劇增大。

(3)轉(zhuǎn)輪槳葉數(shù)的選擇。

近十年來，已投運(yùn)的或正在建設(shè)的軸流轉(zhuǎn)槳式電站的實(shí)際情況表明：槳葉數(shù)為5片的轉(zhuǎn)輪可以應(yīng)用到40 m水頭范圍，根據(jù)水頭的高低配以不同的輪轂比，完全能夠滿足強(qiáng)度、空化和穩(wěn)定性的要求。已設(shè)計(jì)制造的、與安谷水電站機(jī)組水頭接近的機(jī)組有高壩洲(Hmax=40 m)、銅街子(Hmax=39.5 m)均采用5葉片，運(yùn)行良好。安谷水電站Hmax=36.23 m，采用5葉片轉(zhuǎn)輪是完全可行的。

對(duì)于37 m水頭段軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，采用5葉片或6葉片軸流轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪，水輪機(jī)的效率、空化、單位轉(zhuǎn)速及單位流量均可獲得較好水平。

從各制造廠推薦的方案看：VOITH、東方電機(jī)和哈電推薦5葉片轉(zhuǎn)輪，浙富推薦6葉片轉(zhuǎn)輪。對(duì)于37 m水頭段軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，采用5葉片或6葉片軸流轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪，水輪機(jī)的效率、空化、單位轉(zhuǎn)速及單位流量均可獲得較好水平。

筆者建議在招標(biāo)文件中對(duì)安谷水電站水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪使用5葉片或6葉片不作限制。

(4)水輪機(jī)安裝高程的確定。

水輪機(jī)的安裝高程將直接影響土建的開挖量、混凝土工程量和運(yùn)行水輪機(jī)的汽蝕。特別是對(duì)于大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)，合理確定水輪機(jī)的吸出高度Hs和設(shè)計(jì)尾水位尤其重要。

吸出高度Hs=10-363.18/900-KσσcH。取臨界空化系數(shù)σc=0.47，Ko=1.3，Hr=33，Hs=-10.56 m。從各制造廠推薦的方案看，要求Ko=σp/σc大于1.3，水輪機(jī)額定工況點(diǎn)的吸出高度要大于各主機(jī)廠提出的-9.8 m，推薦水輪機(jī)額定工況點(diǎn)的吸出高度Hs為-10.8 m。

按照水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)，裝設(shè)四臺(tái)機(jī)的電站按一臺(tái)機(jī)的水輪機(jī)過機(jī)流量確定設(shè)計(jì)尾水位。安谷水電站一臺(tái)機(jī)的水輪機(jī)額定流量為644 m3/s ，對(duì)應(yīng)下游水位高程為361.18 m，以該水位確定的機(jī)組安裝高程為350.38 m。對(duì)于低水頭軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組，以此水位作為確定安裝高程的設(shè)計(jì)尾水位過于保守。

安谷水電站機(jī)組空蝕最不利的工況為額定工況。機(jī)組額定水頭33 m，電站上游發(fā)電限制水位高程397 m，電站水頭損失為0.82 m，確定安裝高程的設(shè)計(jì)尾水位為高程397-0.82-33=363.18(m)(相當(dāng)于四臺(tái)機(jī)滿發(fā)時(shí)的尾水位)，將水輪機(jī)安裝高程(槳葉中心)最終確定為352.38 m，較按水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)確定的安裝高程提高了2 m，因此而減少了大量的土建工程量。

(5)蝸殼形式的選擇。

推薦采用蝸殼包角在210°～220°范圍內(nèi)可以使蝸形部分流速分布均勻并具有合理的流速系數(shù)。蝸殼斷面采用T型，可以使蝸殼斷面中的流速分布比較均勻。如果采用Г型蝸殼，則由于蝸殼斷面下伸太大，使斷面中、上部流速大，下部流速小，存在很大的流速差，水力損失大。

7 結(jié) 語

合理選擇水輪機(jī)參數(shù)對(duì)機(jī)組和電站的安全運(yùn)行至關(guān)重要。筆者對(duì)水輪機(jī)的參數(shù)選擇進(jìn)行了綜合論證，提出了較為合理的水輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)，為安谷水電站水輪發(fā)電機(jī)組安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。現(xiàn)安谷水電站機(jī)組已全部投產(chǎn)發(fā)電，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定、可靠。其水輪機(jī)安裝高程的確定方法對(duì)低水頭軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組具有廣泛的借鑒意義。