平寨水庫電站水輪機選型設計及結構特點分析

楊 超，葛 曦

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002)

1 工程概況

惠水縣平寨水庫所在河流壩王河，屬珠江流域紅水河水系蒙江的一級支流。水庫工程位于壩王河中上游河段，壩址位于惠水縣雅水鎮打白寨附近。工程規模為中型，正常蓄水位1067m，相應庫容7170萬m3，校核洪水位1070.2m，死水位1021m，水庫有效庫容6557萬m3，總庫容0.7978億m3。工程主要任務是解決惠水、平塘、羅甸3縣7個鄉鎮共13.63萬集鎮人口、9.28萬農村人口及9.28萬頭大小牲畜的人畜飲水問題，并提供136733畝灌溉面積的灌溉用水及邊陽工業園區的供水，同時兼顧發電。

電站所有建筑物均布置于右岸，總布置形式為：取水口→引水隧洞→壓力鋼管→發電廠房。電站最大凈水頭75.99m，加權平均凈水頭74.3m，最小凈水頭33.9m，裝機容量3200kW，多年平均發電量974萬kW·h。

2 水輪機選型設計

2.1 機組臺數選擇

機組臺數的選擇原則主要考慮機組的運行穩定性和運行維護管理、機電設備和廠房土建工程量等因素。電站裝機容量為3200kW，保證出力為304kW，電站引用流量為5.53m3/s，水庫下放環境水流量為0.591m3/s。綜合考慮電站機組的運行維護管理、機電設備和廠房土建工程量等因素[1- 2]，可選用2臺或3臺的裝機方案進行技術經濟比較，見表1。

表1 不同機組臺數方案設備投資比較表

從表1可知，方案1比方案2投資節省382.8萬元。雖然方案2裝機臺數多，有750kW小機組，便于機組日常靈活組合和枯水期發電[3]。但據水文專業統計分析，電站在出力為304～720kW(方案1單機保證出力)之間發電的幾率僅占年平均發電量的5.7%，即方案1比方案2每年少發約60萬kW·h，折合人民幣13萬元，僅占方案1比方案2投資節省額的4.1%。此外，方案2比方案1的檢修、運行維護工作量大[4]。因此推薦方案1，即裝機方案為2×1600kW。

2.2 水輪機額定水頭選擇

平寨水庫附屬電站水庫校核水位為1070.2m，正常蓄水位為1067m，死水位為1021m，電站水頭運行范圍33.90～75.99m，水頭變幅42.09m。按規范要求，對于中高水頭的水輪機，其額定水頭宜在加權平均水頭的0.95～1倍范圍內選定[5- 6]。電站水頭幾率，見表2。

表2 電站水頭幾率統計表

從表2可以看出，電站最大水頭為75.99m，加權平均水頭為74.30m，最小水頭為33.90m，水頭變幅很大為Hmax/Hmin=75.99/33.90=2.24，水輪機的運行很難兼顧整個水頭段[7]。根據目前國內外已運行的穩定性較好的水電站水輪機運行水頭統計規律：最大水頭與最小水頭的比值小于1.5，另最大水頭與設計水頭的比值在1.07～1.1之間，最小水頭與設計水頭的比值大于或等于0.65。因此，確定水輪機最小運行水頭為51.0m，從平寨水庫附屬電站實際情況可以看出，當水頭在51.0～75.99m之間時，出現幾率為97.7%，此水頭段能保證機組正常穩定運行。

電站出力和水頭關系幾率統計成果表明：電站出力集中在60%額定出力及以下，占到了74.5%，且該項數據中，50m水頭以上能發足60%額定出力及以下為72.2%，全出力段為97.7%。33.9～51.0m之間占的出力比例較小，如另裝低水頭機組發電不經濟。從工程任務來說，雖然主要功能供水與灌溉，但庫容較大，具有一定發電調蓄能力[8]。因此，在實際運行過程中，可對電站運行方式進行合理調節，以適應合適的水頭段與出力段。

因此，水輪機額定運行水頭設置為71.0m，最小運行水頭設置為51.0m。即水頭在51.0～75.99m之間時，機組正常發電，而水頭在33.9～51.0m之間時，機組停機不發電，通過水庫把低水頭段的能量蓄積起來，待水量充足時且機組在運行水頭范圍內才開機發電，確保能量不流失。

2.3 水輪機機型選擇

水庫正常蓄水位為1065m，水頭運行范圍為51.0～75.99m，水頭變幅為24.99m，此水頭段適合的水輪機型式為混流式。電站可選機型有HLA678、HLA696、HLA384等幾種模型轉輪，其模型轉輪主要技術參數，見表3。

在機組選型計算過程中，選擇HLA678-WJ-74(方案1)、HLA696-WJ-61(方案2)和HLA384-WJ-63(方案3)，3種方案從機組穩定性、能量指標、氣蝕性能、運行工況、額定轉速以及廠房尺寸等方面進行優化比選[9]，計算成果為：

(1)效率：HLA696機型的模型最高效率93.79%、原型最高效率91.79%。水輪機額定效率91.2%、最大水頭時效率91.5%、最小水頭時效率90%。在3個選型方案中HLA696機型效率是最高；HLA678機型效率次之；HLA384機型效率較低。

(2)空蝕性能：HL696和HL678空化系數均為0.08，吸出高度均為+2.2m，抗空蝕性能較好。HLA384最大空化系數高0.096，吸出高度為+1.5m，抗空蝕性能較差。

表3 水輪機模型轉輪技術參數比較表

圖1 HLA696-WJ-61水輪機模型特性曲線及運行范圍圖

(3)能量指標方面：3個方案中HLA696轉輪直徑最小為0.61m、額定轉速1000r/min；HLA384轉輪直徑次之為0.63m、額定轉速1000r/min；HLA678轉輪直徑最大為0.74m、額定轉速750r/min。

此外，綜合考慮到電站設備及土建工程量、電站運行維護管理等因素。方案1機組尺寸較大，增加廠房土建投資。方案2造價和方案3基本相當，但方案2比方案3水輪機抗空蝕性能和運行范圍均較好。因此，推薦HLA696-WJ-61為代表機型，其真機參數為：轉輪直徑0.61m，額定出力1633kW，額定水頭71.0m，額定流量2.6m3/s，額定轉速1000r/min，額定工況效率92.5%，吸出高度+2m。HLA696運行工況處于高效率區的范圍較廣，如圖1所示。

3 水輪機結構特點

水輪機轉輪采用鑄焊結構，上冠、葉片、下環材料為ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼。為了減少機組容積損失和軸向力，在轉輪的上冠設有梳齒型密封，下環設有間隙式密封。在轉輪上冠上平面與前蓋之間設置有足夠的間隙，以滿足機組軸向串動，轉輪和主軸采用法蘭聯接鍵傳遞扭矩。轉輪表面粗糙度滿足Ra3.2的要求，流道尺寸型線及流道表面粗糙度應符合GB/T10969《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機通流部件技術條件》的要求，過流表面應光滑，呈流線型，無裂紋或凹凸不平等缺陷。

水輪機導水機構設有16個導葉，材料為ZG230- 450鑄鋼，導葉軸套采用鋼背復合自潤滑軸承，有自潤滑功能，軸套前設有O型密封圈。導葉漏水量在額定水頭下，新導葉漏水量不大于額定流量的3‰。導葉的設計應使從全開度位置至空載附近開度位置范圍內，導葉的水力矩特性具有自關閉趨勢。最大開口留有一定的裕量，當剪斷銷剪斷，導葉應不會碰撞轉輪。導葉裝有剪斷銷信號裝置，當剪斷銷破斷時，能自動報警。導葉裝有保護裝置，該裝置應能在導葉剪斷銷剪斷后不產生擺動和不穩定運動，不碰撞相鄰導葉。導葉限位保護裝置裝于導葉拐臂處。

蝸殼采用345°的金屬蝸殼，蝸殼采用Q235鋼板焊制，具有足夠的剛度和強度能承受106.5m水壓力。全部焊縫按GB8564《水輪發電機組安裝技術規范》的要求進行無損探傷檢查，探傷按國家標準執行。座環采用ZG230-450焊接結構。蝸殼底部設有Φ50排水閥。上部設有放氣閥。蝸殼進口應裝有測量進口水壓的壓力表及壓力變送器。

尾水管為彎后直錐形尾水管，尾水管內設有補氣管。尾水管材質應能適應當地氣溫變化，尾水管厚度不能低于10mm。水輪機主軸密封采用甩水環等密封方式進行密封。前、后蓋板采用鑄件ZG230-450，應具有足夠強度和剛度。前、后蓋板上塞焊厚度不小于6mm的不銹鋼抗磨板。水輪機主要部件上設有吊環螺栓、吊耳、吊環等以便吊裝。導葉接力器采用容器鋼。

4 結語

平寨水庫電站由于水頭變幅較大為Hmax/Hmin=2.24，常規水輪機運行很難兼顧整個水頭段。如按照大小機組合防滲，以滿足高低水頭段發電需求，則會大大增加工程投資，不經濟。結合水庫具有多年調節特性，合理舍棄部分低水頭段，優選合理運行水頭和水輪機機型尤為重要。經詳細技術結構、綜合投資、調控運行等因素的論證分析，最終確定水輪機額定的運行水頭為71m，同時選擇高效且結構穩定的HLA696機型，能減少土建開挖工程量，減少水庫棄水提高水能利用率，增加發電量，最大限度發揮工程灌溉供水和引水發電效益。