新疆ZG水電站水輪機(jī)選型及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

黎宗亮

（湖南云箭集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410000）

1 工程概況

新疆ZG水電站是新疆葉爾羌河干流阿爾塔什以下河段水電規(guī)劃梯級開發(fā)中的第1級電站，為引水式開發(fā)。電站攔河引水樞紐正常引水位1 611.00 m，壓力前池正常水位1 608.00 m，引水系統(tǒng)為引水明渠+引水隧洞發(fā)電，發(fā)電流量375.6 m3/s。電站總裝機(jī)容量180 MW，裝機(jī)年利用小時數(shù)3 054 h，多年平均年發(fā)電量5.253億kW·h；電站建成后在電力系統(tǒng)基荷運(yùn)行。本電站按“無人值班”與“少人值守”的自動化相結(jié)合原則設(shè)計(jì)，采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)。

2 電站基本參數(shù)

（1）水頭參數(shù)

表1 水頭參數(shù)表

（2）泥沙特性

多年平均懸移質(zhì)含沙量（閘址處）：1.29 kg/m3。

3 水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)

3.1 比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)的選擇

水輪機(jī)的單位轉(zhuǎn)速、單位流量和出力只能分別從不同的方面反映水輪機(jī)的性能。而比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K則衡量水輪機(jī)能量特性、運(yùn)行綜合性能和電站投資經(jīng)濟(jì)性。對水輪機(jī)而言，隨著比轉(zhuǎn)速的提高，在相同水頭與出力下，能縮減水輪機(jī)的尺寸，這樣能降低水輪機(jī)的成本及節(jié)約動力廠房的投資。而對于發(fā)電機(jī)，由于可以用較小的磁極數(shù)，也縮小了發(fā)電機(jī)尺寸和制造成本，所以提高比轉(zhuǎn)速能對水輪發(fā)電機(jī)組的經(jīng)濟(jì)性十分有利。但是比轉(zhuǎn)速提高要充分考慮機(jī)組空化性能、泥沙磨損、運(yùn)行穩(wěn)定性等因素，綜上分析在水輪機(jī)選型時，應(yīng)針對電站的具體情況，對比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析。

根據(jù)新疆ZG水電站的基本技術(shù)參數(shù)，經(jīng)初步設(shè)計(jì)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較計(jì)算，考慮本電站泥沙含量較大的特殊性，充分利用水資源，減少停機(jī)時間，在經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)安全性比較后，最終選用水輪機(jī)型號：HLY251-LJ-350（曲線見圖1），額定轉(zhuǎn)速166.7 r/min，比轉(zhuǎn)速為244.7 m·kW，比速系數(shù)為1 798。

圖1 HLY251-LJ-350水輪機(jī)真機(jī)運(yùn)行圖

3.2 轉(zhuǎn)輪模型的選擇

新疆ZG水電站水頭范圍51.22～59 m，經(jīng)過數(shù)十年的水輪機(jī)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究，目前我國擁有許多個優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)輪庫。特別是近年來在引進(jìn)、吸收國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，將設(shè)計(jì)與試驗(yàn)相結(jié)合，不斷地總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，擁有大批性能優(yōu)良的模型轉(zhuǎn)輪。新疆ZG水電站屬于100 m水頭段范圍，該水頭段積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)并取得了很好的成果，經(jīng)過機(jī)組技術(shù)性能參數(shù)的比較分析，最終選用的HLY251轉(zhuǎn)輪。

表2 HLY251模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)表

表3 HLY251-LJ-350真機(jī)工況參數(shù)表

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

新疆ZG水電站主機(jī)設(shè)備為單機(jī)容量45 MW，60 m以下水頭段的立式混流式水輪機(jī)組。ZG水電站水輪機(jī)設(shè)計(jì)過程中，為了解決一些常見的難題，針對這一類型的水輪機(jī)常規(guī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1 轉(zhuǎn)輪

為使轉(zhuǎn)輪有較好的抗裂紋和抗泥沙磨損性能，在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材質(zhì)和制造工藝等方面都應(yīng)采取措施。

（1）在轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，影響轉(zhuǎn)輪疲勞強(qiáng)度的因素：應(yīng)力集中的影響；轉(zhuǎn)輪靜應(yīng)力水平的影響；動態(tài)應(yīng)力的影響等。其中，轉(zhuǎn)輪過渡圓角處的應(yīng)力集中，轉(zhuǎn)輪的動、靜態(tài)應(yīng)力水平是設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)輪時可以調(diào)節(jié)的因素，因此想辦法降低應(yīng)力是轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一環(huán)。

（2）轉(zhuǎn)輪選用優(yōu)質(zhì)的耐磨蝕材料，根據(jù)多種試驗(yàn)表明，葉片常用材料中，馬氏體不銹鋼耐磨蝕性能最好。本電站轉(zhuǎn)輪整體上冠和下環(huán)應(yīng)采用04Cr13Ni5Mo不銹鋼鑄造,葉片采用04Cr13Ni5Mo鋼板模壓，轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)均采用AOD精煉；轉(zhuǎn)輪葉片、上冠、下環(huán)經(jīng)數(shù)控加工，保證葉片表面粗糙度，減少磨損。

（3）優(yōu)化轉(zhuǎn)輪的結(jié)構(gòu)尺寸、適當(dāng)加厚局部區(qū)域的尺寸、必要時在出水邊加三角塊。采用高精度靜平衡裝置進(jìn)行整體轉(zhuǎn)輪的靜平衡，以減少由于翼型和重量偏差引起的水力和機(jī)械不平衡；盡量減少殘余應(yīng)力的幅值；葉片按鑄件質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)CCH 70-3進(jìn)行PT/UT探傷，對于焊接區(qū)域采用更高一級的探傷驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢查，以確保焊接質(zhì)量；制定嚴(yán)格控制焊接過程中殘余應(yīng)力和變形的焊接工藝規(guī)范。

4.2 頂蓋排水管路

頂蓋排水管路常采用焊接和法蘭連接的方式進(jìn)行制造。為了使其能夠?qū)崿F(xiàn)制造簡便且能夠快速裝拆，新疆ZG電站采用了柔性溝槽式管接頭（見圖2）和管道拼接方式，使頂蓋排水管的安裝和制作過程大大簡化。結(jié)構(gòu)示意見圖3。

圖2 管接頭

圖3 頂蓋排水管路

4.3 補(bǔ)氣裝置

水輪機(jī)尾水管水壓力脈動引起水輪機(jī)的強(qiáng)烈振動，常用補(bǔ)氣的方法減振?；炝魇剿啓C(jī)一般在30%～60%額定出力時容易在尾水管內(nèi)發(fā)生水流渦帶，引起空腔汽蝕和機(jī)組振動。補(bǔ)氣裝置的作用，就是在機(jī)組出現(xiàn)不穩(wěn)定工況時，補(bǔ)入空氣，可增加水的彈性，改善機(jī)組的運(yùn)行條件，同時，由于補(bǔ)氣破壞了真空，還能防止機(jī)組突然甩負(fù)荷導(dǎo)水機(jī)構(gòu)緊急關(guān)閉時，由于尾水管內(nèi)產(chǎn)生負(fù)水擊，下游尾水反沖所產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊力或抬機(jī)現(xiàn)象。新疆ZG水電站屬于大中型機(jī)組，為了避免對流道的影響，尾水補(bǔ)氣方式采用主軸中心孔補(bǔ)氣裝置。此補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)將傳統(tǒng)的補(bǔ)氣裝置的弊端進(jìn)行優(yōu)化，取消了傳統(tǒng)的補(bǔ)氣閥結(jié)構(gòu)，采用簡單可靠地密封組件保證主軸中心補(bǔ)氣的安全穩(wěn)定運(yùn)行，優(yōu)化后的補(bǔ)氣裝置（見圖4）具有下列優(yōu)勢：

（1）成本低，取消了專用補(bǔ)氣閥。

（2）補(bǔ)氣裝置內(nèi)部取消補(bǔ)氣閥之后，可實(shí)現(xiàn)外形尺寸大大縮小，結(jié)構(gòu)更簡單，有利于機(jī)組的布置及安裝。

（3）克服了補(bǔ)氣閥易壞的缺點(diǎn)，有利于機(jī)組長期穩(wěn)定地運(yùn)行，有效的保障了電站的經(jīng)濟(jì)利益。

（4）補(bǔ)氣量效果好，無噪音。

圖4 中心孔補(bǔ)氣裝置

4.4 盤形排水閥

在水輪機(jī)盤形排水閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，一般來說，采用成熟可靠、檢修方便的平板密封結(jié)構(gòu)，同時也可以根據(jù)用戶要求，設(shè)計(jì)所需要的各種排水閥結(jié)構(gòu)，以滿足不同電站的需求。水輪機(jī)盤形排水閥是機(jī)組流道與集水井的一道主密封，是為了機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時減小密封漏水量和機(jī)組檢修時正常啟閉設(shè)置的。新疆ZG水電站屬于泥沙雜質(zhì)含量大的電站，盤形排水閥結(jié)構(gòu)是否能夠正常的密封和啟閉顯得尤為重要。盤形排水閥工作正常與否，將直接影響到機(jī)組正常運(yùn)行和檢修的安全性。為保證ZG水電站的安全生產(chǎn)和檢修工作的順利進(jìn)行，盤形排水閥設(shè)計(jì)制造出液壓控制的錐形排水閥，使其具有較好的可操作性和密封性，此裝置稱為液控錐形盤形排水閥（見圖5、圖6），優(yōu)化后的盤形排水閥采用關(guān)節(jié)球軸承，允許少許的安裝誤差，提高了閥體密封的穩(wěn)定性；設(shè)計(jì)了導(dǎo)向架，使密封板具有良好的導(dǎo)向性能，有較高的可操作性。

通過此次對盤形排水閥采用液控錐形盤形排水閥優(yōu)化結(jié)構(gòu)，大大的優(yōu)化了檢修排水閥門的控制、水平調(diào)節(jié)定位和導(dǎo)向過程；其結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，制造方便；排水閥啟閉效果好，可減少電站檢修工期，提高電站經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 盤形閥液控機(jī)構(gòu)

圖6 錐形密封機(jī)構(gòu)

5 結(jié)束語

通過了對新疆ZG電站技術(shù)參數(shù)和水力情況的分析，從比轉(zhuǎn)速、比速系數(shù)、轉(zhuǎn)輪模型參數(shù)及真機(jī)參數(shù)的綜合比較，并且結(jié)合了類似電站已經(jīng)成功運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，最后確定ZG水電站水輪機(jī)的型號。針對新疆環(huán)境的特殊性，對水輪機(jī)主要部件進(jìn)行優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分考慮發(fā)電公司其他電站運(yùn)行過程中遇到的難題，此次ZG水電站水輪機(jī)選型和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期的效果。