高水頭電站水輪機主要參數及材料選擇

高普新

（中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津300222）

1 工程概況

本電站主要任務是發電，裝機容量100MW。電站在系統中的運行方式為調峰運行。電站廠房為岸邊式半地下廠房，引水方式為一管二機引水，引水隧洞長約16km。尾水管出口后接尾水池、溢流堰和出水渠，沿地形直線通往下游水庫。

2 電站基本參數

2.1 特征水位

（1）上游水位

水庫調節方式年調節；

正常蓄水位2018.00m；

汛期排沙限制水位2016.00m；

死水位1985.00m。

（2）下游水位

正常尾水位1619.00m；

設計洪水尾水位1622.31m；

校核洪水尾水位1622.38m；

尾水池水位與流量關系曲線見表1。

表1 尾水池水位～流量關系表

2.2 電站引水系統水頭損失

引水系統總水頭損失（進水口至蝸殼進口斷面的局部損失和沿程損失，包括尾水門槽）按公式計算：Δh=0.0204Q2。

2.3 電站凈水頭

最大水頭398.4m；

最小水頭346.4m；

加權平均水頭386.5m。

2.4 泥沙特性

（1）電站過機含沙量

預計建庫后多年月平均過機水流含沙量見表2。

表2 電站過機水流含沙量/kg/m3

（2）礦物組成

對懸移質泥沙進行了礦物組成分析，結果為：

石英62.1%，長石12.2%，方解石5.7%，粘土19.9%。

2.5 河水水質

河水和地下水水質均良好，壩線附近河水pH值為7.82，工江口附近河水pH值為8.31，地下水pH值為8.31。

3 水輪機主要參數選擇

3.1 水輪機額定水頭

根據規范要求，中、高水頭水輪機的額定水頭宜在加權平均水頭 0.95～1（即 367.2～386.5m）范圍內選取，同時參考最大凈水頭與額定水頭的比值。因此初步確定本電站額定水頭在367m、376m、385m三個水頭內選擇。不同額定水頭的比較結果見表3。

表3 額定水頭方案比較表

通過表3比較分析：①方案I、方案II、方案Ⅲ轉輪直徑、機組投資及土建投資相差不大，但隨著額定水頭的提高，年發電效益相差明顯，發電量下降；②相對于本電站的水頭和轉輪直徑范圍，其轉輪的制造難度隨著直徑的變小而增大；③本電站屬于高水頭、高轉速的電站，395.0m段水頭權重為47.29%，所以其額定水頭的選擇應滿足高水頭下穩定運行的要求；④方案II，額定水頭376m，既能滿足低水頭條件下多發電，又能使水輪機在高水頭條件下穩定運行。因此，選定水輪機的額定水頭為376m。

3.2 機型和裝機臺數

電站的水頭范圍為398.4～346.4m，目前國內該水頭段大、中型水電站基本都采用混流式水輪機。混流式水輪機是中、高水頭段應用最成熟和最廣泛的一種機型，其最高效率和額定工況點效率高，有較高的比轉速。因此本電站選用混流式水輪機。

電站發電最終送往省電網，由云南省調直接調度。本電站單機容量在大電網中并不算大，單臺機組跳閘不會對電網產生沖擊。同時，作為調峰電站，電站臺數不宜過多，所以本裝機臺數選擇2臺機組方案。

3.3 水輪機參數選擇

（1）比轉速和比速系數

根據國內、外不同比轉速計算公式計算出本電站水輪機比轉速ns大體在80～117m·kW之間，相應的比速系數K的范圍大致為1561～2281。同時參考國內已應用中高水頭混流式水輪機參數統計，與本電站水頭相近電站水輪機比轉速大都在78.53～97.11m·kW之間，比速系數K在1494～1737之間。經計算分析比較，推薦本電站水輪機比轉速ns=78～95m·kW，比速系數K=1512～1842。

（2）單位流量及單位轉速

根據統計公式，同時參考類似電站并結合現有的水輪機模型參數，推薦本電站轉輪最優單位轉速及限制工況單位流量范圍：

（3）水輪發電機組同步轉速

從上面的分析可以看出，相對于本電站水輪機比轉速78～95m·kW的選擇范圍，可選擇的同步轉速范圍為570～695r/min，對應的常用的轉速為600r/min。

（4）水輪機效率

隨著國內魯布革、周寧、獅子坪等中高水頭電站引進的水輪機設計制造先進技術工藝，水輪機的效率得到不斷的提高。這些電站的最高效率都在93.67%～95.05%之間，額定點的效率在92.0%～94.64%附近。因此，水輪機模型的最高效率不應小于93.2%，額定點的效率不應小于92%。

（5）空化系數選擇

根據統計公式并參考現有水輪機轉輪模型參數，得出推薦范圍為：σm＝ 0.024～0.033，σz＝0.029～0.047。取額定工況下模型空化系數σm不大于0.035，電站空化系數σz不大于0.047。

（6）推薦模型轉輪參數

比轉速ns：78～95m·kW

比速系數：1512～1842

最優單位轉速n110：58.6～60.9r/min

單位流量Q11：0.18～0.22m3/s

額定點效率ηm：≥92%

空化系數：≤0.035

（7）根據上述分析，并考慮到本電站的特點，推薦預測水輪機真機參數如下：

水輪機額定水頭：376m

水輪機直徑D1：2.0m

額定轉速nr：600r/min

額定流量Qr：15.1m3/s

額定出力：51.28MW

最高效率ηtmax：≥93.5%

額定工況點效率ηtr：≥92.5%

額定點比轉速ns：82.9m·kW

額定點比速系數K：1592

3.4 安裝高程確定

本電站為高水頭電站，在確定機組安裝高程時，分別計算最高水頭和額定水頭的Hs，設計尾水位按1臺水輪機50%額定流量時對應的尾水位1619.34m確定，空蝕安全系數K按不小于1.35考慮。經計算，安裝高程為1609.30m。

4 水輪機主要結構型式及材料選擇

水輪機為立軸混流式，帶有金屬蝸殼和彎肘形尾水管（帶鋼襯），水輪機主軸與發電機軸直接聯接，水輪機旋轉方向為俯視順時針。

4.1 轉輪

轉輪材料性能指標不低于ZGOCr16Ni5Mo，采用焊接結構，葉片采用精鑄成型數控加工或不銹鋼鋼板模壓成型。表面拋光，模壓后應進行必要的定形處理。上冠和下環采用VOD精煉鑄造工藝。轉輪表面粗糙度、流道尺寸型線和模型轉輪相似偏差均應滿足相關規范規定。轉輪上冠和下環外緣應設有止漏環。止漏環直接在轉輪上加工成型，其硬度應高于相對應的頂蓋和底環部位止漏環的硬度。轉輪上止漏環設計應滿足水輪機頂蓋取水要求。在額定工況下，轉輪葉片出口平均相對流速W2宜小于38m/s。

4.2 導水機構

導水機構主要包括頂蓋、底環、導葉及導葉調節裝置。

頂蓋：頂蓋采用性能指標不低于Q345C的鋼板焊接制造，應具有足夠的強度和剛度，能安全可靠地承受最大水壓力（包括水錘壓力）、徑向推力、最大水壓脈動和在最大飛逸轉速下連續運行所產生的振動，以及在工作水頭下導葉端面間隙在規范允許范圍內。在頂蓋上應設置機組冷卻用水的取水孔及其配管系統。

底環：底環宜做成單獨件，可以從座環和基礎環上拆下，采用性能指標不低于Q345C的鑄鋼或鋼板焊接制造，并進行應力釋放。底環上應帶有不銹鋼抗磨板。

導葉：導葉的型線尺寸、數量和位置應和模型水輪機相似。導葉從全開到接近空載開度位置的范圍內，應具有自關閉趨勢的水力矩特性。導葉采用抗空蝕磨損性能和焊接性能良好的低碳鎳鉻優質不銹鋼材料制造。

4.3 主軸

主軸采用經熱處理的優質合金鋼鍛制，材料性能指標不低于20SiMn。兩端有法蘭與轉輪及發電機主軸連接。主軸采用中空結構。水輪機和發電機連接起來的旋轉部分的第一臨界轉速至少比最大飛逸轉速高25%。表面粗糙度達到0.4μm。軸心通孔應加工到足夠光潔，以便從孔內檢查軸的質量，或取其孔內材料用其他合適的方法進行檢驗。

4.4 主軸密封

主軸密封采用無接觸間隙式密封結構，不需要外部提供清潔密封水。若制造廠家認為還需設置自動補償型密封，則軸封應嚴密、耐磨、結構簡單、便于檢修和更換。密封元件為自補償型。固定部分為摩擦系數小且抗磨的材料。轉動部分及組合螺栓為不銹鋼材料。

主軸還應設有一套充氣圍帶式檢修密封，以便在水壓下更換主軸密封，防止漏水。

4.5 水導軸承

（1）水導軸承應是稀油潤滑的自潤滑軸承，宜采用分塊瓦或可拆卸的分瓣軸承。潤滑油型號為：L-TSA32。軸承潤滑采用自潤滑循環方式。在連續運轉條件下，當冷卻水進口最高溫度25℃時，軸瓦的最高溫度應不超過70℃。軸承油溫應不超過65℃。油冷卻器應設置在油槽內，其換熱管應采用紫銅管制成。

4.6 座環

座環采用無蝶形邊的箱式結構，材質為Q345R/Z35抗層狀撕裂鋼板。

4.7 蝸殼

蝸殼的材料應選用可焊性好的低合金壓力容器鋼板制作，材料的各項性能指標應不低于Q345R，設計時應考慮有不少于2mm的腐蝕裕量。蝸殼為焊接結構，并應根據運輸條件，采用盡量少的分瓣數運至工地。

4.8 接力器

水輪機應裝有二個直缸搖擺液壓活塞式接力器。其額定操作油壓為6.3MPa。

4.9 尾水管和尾水管里襯

尾水管：尾水管的型式應與驗收后的模型水輪機尾水管相似。

尾水管里襯：尾水管鋼里襯要延伸到額定工況下平均流速小于或等于5m/s的位置；其錐管鋼板的厚度應不小于25mm，肘管段厚度應不小于20mm；材料的各項性能指標應不低于Q235B。

5 水輪機附屬設備

5.1 進水球閥

本電站水頭范圍為346.4～398.4m，為長引水高水頭、“一洞二管”電站，為保證每臺機組能分流發電、停機檢修和事故時斷水保護，故在每臺水輪機蝸殼進口處設置一個進水球閥。根據水輪機蝸殼進口尺寸，進水球閥直徑初定為1.3m。根據電站的上、下游水位，進水球閥的最大凈水壓為410m，考慮水擊壓力時的最大升壓水頭約為495.74m水頭，因此進水球閥的公稱壓力為5.0MPa。球閥中心線到機組中心線距離為6200mm。

型式：液動球閥

數量：2套

接力器操作油壓：16MPa

閥軸的布置方式：臥軸

操作機構型式和操作方式：接力器型式

閥門公稱直徑DN：1300mm

閥門公稱壓力：5.0MPa

旁通閥直徑DN：150mm

閥門的開啟時間：30～90s（可調）

閥門的關閉時間：90～200s（可調）

5.2 調速系統

（1）型式及基本配置

調速器應是微機控制的具有PID調節規律的電液調速器。

調速系統的控制部分采用雙處理器、雙電源的微機系統，當其中1個微機系統出現故障時，系統自動無擾動切換到備用控制系統；當2套系統同時故障時應能平滑無擾動地自動切換到手動運行。

調速系統由數字式控制單元、功率放大單元、電液執行機構、反饋裝置、壓力油罐、回油箱、油泵、自動控制元件等設備組成。

（2）油壓裝置

調速器為油壓操作，每臺調速器配一套獨立的操作供油系統。操作油壓的額定工作壓力為6.3MPa。

操作供油系統應包括油泵、壓力油罐、回油箱和全部操作及自動控制所需要的各種閥門、管路、變送器、指示表計、控制裝置和電纜等。

6 結束語

從電站水輪機運行水頭段和機組容量分析，其制造技術較為成熟，難度不大。但應充分考慮高水頭電站在泥沙、空化等方面的影響，優化水輪機參數，使機組在整個運行范圍內能夠長期、連續、安全、穩定運行。同時盡量減少過機含沙量和減輕泥沙磨損危害，延長水輪機通流部件使用壽命，進而延長水輪機大修周期，達到提高設備利用率，增加發電量的目的。