文得根水利樞紐水輪機參數選擇

徐志軍，莊乾彪，任哲明，張科鵬

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130021）

1 電站概況

引綽濟遼工程文得根水利樞紐位于綽爾河干流中游，文得根水庫的工程任務是以調水、灌溉為主，結合發電。文得根水利樞紐具有多年調節性能，具有一定的調峰能力，下游還有已建成的綽勒樞紐對灌溉供水進行反調節。水庫多年泥沙平均淤積體積為26×104m3，多年總入庫沙量35.31×104t，懸移質中值粒徑0.022 2 mm，平均粒徑0.033 1 mm。樞紐的主要建筑物包括上水庫、引水發電系統、發電廠房等，引水系統采用一洞四機加灌溉管的布置方式。總裝機容量為36.0 MW，裝設3臺單機容量為11.4 MW及1臺單機容量為1.8 MW的混流式水輪發電機組。最大水頭41.9 m，額定水頭34.0 m，最小水頭21.0 m。

2 機組臺數和單機容量的選擇

電站總裝機容量為36.0 MW，利用調水、灌溉及生態流量進行發電。上游水庫對下游農業進行補償供水，灌溉期為4—8月，壩址斷面6—9月最小灌溉流量為17.68 m3/s，其他月份最小生態流量為5.20 m3/s，根據調度圖進行調節計算，水庫綜合供水目標見表1。

表1 水庫下游綜合供水目標表 m3/s

根據灌溉、生態流量要求，并綜合考慮電站在系統中的地位及運行方式，初步設計階段對裝機2臺17.1 MW機組+1臺1.8 MW機組方案（簡稱2+1方案）、3臺11.4 MW機組+1臺1.8 MW機組方案（簡稱3+1方案）、4臺8.55 MW機組+1臺1.8 MW機組方案（簡稱4+1方案）3個方案進行了比選，比選結果見表2。

表2 機組臺數方案比選結果

由表2中可以看出：2+1方案工程靜態總投資高于3+1方案，且多年平均發電量少53×104kW·h，3+1方案經濟性優于2+1方案；4+1方案與3+1方案相比，單位電能投資相差無幾，工程靜態總投資略高，綜合比較，3+1方案優于4+1方案；2+1方案在灌溉期間單機最小發電流量與灌溉流量匹配的適應性較差，而3+1方案單機容量適中，調度靈活，運行管理方便，可充分滿足下游灌溉、生態流量要求。

該電站采用引水發電式地面廠房，各方案發電引水系統均采用一洞多機方式布置。從樞紐布置上看，各方案的布置沒有制約性因素，均是可行的。各方案的機組在制造方面均不存在制約因素，國內的機組制造廠家的技術水平和加工能力能夠滿足各方案機組的要求。各方案的機組大、重件的運輸要求均不會對外交通形成制約因素。

綜合以上因素，初步設計階段推薦采用3+1方案。

3 水輪機型式及預期參數選擇

3.1 水輪機型式選擇

電站運行水頭范圍為21.0～41.9 m，適用該水頭段的水輪機型式有混流式和軸流式：

1）軸流式機組適應水頭范圍為3.0～80.0 m，軸流轉槳機組可在較大的水頭和出力范圍下穩定運行，平均效率較高。但隨著使用水頭的提高，其單位功率下降，氣蝕系數升高，水輪機安裝高程降低。在國內，軸流機一般在40.0 m以下水頭段應用較多，40.0 m以上水頭段內研發的轉輪較少，實際應用少，機組的部件結構相對復雜，運行維護量較大。

2）混流式水輪機在國內外應用最為廣泛，設計制造和運行均積累了豐富的經驗，適應水頭范圍為30.0～700.0 m，機組結構相對簡單，制造難度較低，設計制造技術成熟，運行維護方便，檢修工期短。

綜上所述，混流式水輪機設計制造水平和綜合性能優于軸流機，因此該電站選用混流式機組。

3.2 水輪機預期參數

1）水輪機比轉速

水輪機比轉速ns是水輪機的重要特征參數之一，它表征水輪機的綜合經濟技術水平，應結合電站的具體情況合理選擇。各類統計公式計算的文得根水利樞紐水輪機比轉速結果見表3。

表3 各類統計公式計算的水輪機比轉速結果

國內外與文得根水利樞紐水頭段相近的水輪機參數見表4。

表4 國內外與文得根水利樞紐水頭段相近的水輪機參數

根據當前國內外水輪機的實際設計制造水平和國內外已運行電站機組的統計資料，以及該電站的實際情況，可取比轉速ns=265～310 m·kW，比速系數K=1 545～1 808。

2）水輪機效率

根據當前國內外水輪機的實際設計制造水平，要求大機原型水輪機最高效率不低于93.5%；小機原型水輪機最高效率不低于91.0%。

3）水輪機單位轉速和單位流量

額定工況點確定以后，單位轉速n1′及單位流量Q1′的不同匹配將直接影響電站的技術經濟指標。單位轉速n1′按相關的統計公式計算，計算結果見表5。

根據推薦的比轉速值ns及相應的統計計算公式，由表5可見，n1′＝82.11～92.19 r/min。

表5 單位轉速的相關統計公式計算結果

根據比轉速計算公式ns=3.13n1（Q1′η）0.5估算，η＝1.063～1.154，Q1′=1.17～1.27 m3/s，根據該水頭段既有轉輪模型資料統計，限制工況下單位流量Q1′為1.30～1.37 m3/s。

綜上分析，取n1′＝82～92 r/min，Q1′=1.20～1.40 m3/s。

4）水輪機空蝕

水輪機裝置空蝕性能和水輪機比轉速有關，根據不同經驗公式計算出的電站水輪機裝置空蝕系數如表6。

表6 電站水輪機裝置空蝕系數表

由表6統計公式計算的水輪機裝置空蝕系數在0.19～0.41之間，考慮到電站的實際運行情況，并預留一定的安全裕量，電站的裝置空化系數σy暫取0.27左右。

綜上所述，取水輪機預期參數如下：水輪機比轉速265～310 m·kW；單位轉速82～92 r/min；單位流量1.20～1.40 m3/s；大機最高效率不低于93.5%；小機最高效率不低于91.0%；裝置空蝕系數0.27。

4 原型水輪機參數選擇

4.1 水輪機模型轉輪的選擇

通過咨詢國內主要水輪機制造廠家，適用于該電站的模型轉輪的主要參數見表7。

由表7可以看出，HLA551轉輪的能量指標較高，綜合指標較好，且應用廣泛，初步設計階段暫按HLA551機型展開工作。

表7 適用于電站的模型轉輪主要參數

4.2 原型水輪機主要參數

初步設計階段選用原型水輪機主要參數見表8。

表8 大機 小機初步設計階段選用水輪機主要參數表

4.3 水輪機安裝高程的確定

水輪機裝置空蝕系數的取用與多種因素有關，反映在統計值的分布規律很離散，因此各種統計公式僅供參考。根據HLA551轉輪空蝕特性計算的大機吸出高度為+0.1 m，小機吸出高度為+1.14 m。大機安裝高程按1臺機組發額定功率時的過流量所對應的尾水位確定，安裝高程為335.09 m；小機安裝高程按0.5臺機組發電時的過流量所對應的尾水位確定，并考慮到大機布置情況，取安裝高程為335.09 m。

5 結語

類似文得根水利樞紐的機組，一般不會重新設計新的轉輪，基本是套用已研發的水輪機轉輪。這就需要在設計過程中充分了解相近水頭機組的使用情況，在設計中盡量處理好效率、空蝕性能和穩定性的關系，以便電站在機組的采購招標過程中選用到合適的機組，為電站的安全穩定運行奠定良好的基礎。希望此文能為其他類似水電工程提供借鑒和參考。