孤山航電樞紐工程電站機組選型設計研究

陳笙 鄭濤平 彭志遠 王豪

摘要：

為選擇合理的孤山水電站水輪發電機組參數，通過研究孤山水電站水頭分布特點及運行方式，以及丹江口水庫水位變化對孤山電站頂托影響，確定了電站運行水頭范圍。根據電站水頭分布頻率以及電站電量分布特點，選取合適的額定水頭，并選定機組比轉速與各項單位參數等主要性能參數。電站實際運行結果表明：機組參數選擇合理，機組運行效率、運行穩定性等各類指標均達到或優于合同要求，保證了水輪發電機組安全穩定運行及梯級電站調度要求，為大中型貫流式水輪發電機組選型提供借鑒與參考。

關鍵詞：燈泡貫流式機組； 運行水頭； 機組參數； 選型設計； 孤山航電樞紐工程

中圖法分類號：TV737

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.06.004

文章編號：1006-0081（2023）06-0023-05

本文結合孤山水電站運行特性以及水文特性，綜合考慮電站水頭分段、電量分布特點以及技術經濟性指標，確定了本電站工作水頭，并分析選定了孤山電站水輪發電機組各項參數，為同類型中低水頭梯級電站選型設計提供了思路。

1 工程概況

孤山航電樞紐工程位于漢江干流夾河至丹江口樞紐回水末端河段內，上距白河梯級壩址35 km，下距丹江口樞紐壩址179 km，是一座具有發電、航運等綜合效益的水電樞紐工程。壩址流域面積60 440 km2，多年平均流量783 m3/s，平均年徑流量247億m3。電站正常蓄水位為177.23 m，死水位為175.0 m，總庫容為2.08億m3，總裝機容量180 MW，工程等級為Ⅱ等大（2）型工程。水電站主要特點為豐枯期流量變化較大，河段兼有航運任務，需下泄一定航運基流，下游尾水位受丹江口水庫頂托作用影響較大，電站水頭范圍選擇需綜合考慮水文條件以及水輪機性能。

2 水輪發電機組設計

2.1 電站水頭特性及運行方式

（1） 最大發電水頭。孤山水電站最大發電水頭按兩種工況考慮：庫水位為正常蓄水位、下泄航運基流為120 m3/s時，計算得到最大水頭為18.66 m；壩址枯期，流量較小時，據長系列旬徑流資料統計，壩址最小入庫流量僅31 m3/s，本工況按庫水位為正常蓄水位、下游水位按水輪機空載流量（約40 m3/s）考慮，經計算，最大發電水頭為19.16 m。

（2） 最小發電水頭。參照同類型水電站統計資料，轉槳式水輪機使用最小發電水頭約為設計水頭的35%。機組制造廠推薦孤山水電站機組安全穩定運行最小發電水頭范圍為4.5～5.5 m。在洪水期不同工況下，水庫上下游水位差為0.29～2.19 m；在上庫死水位、電站滿發工況下，考慮丹江口水庫的頂托作用，水庫上下游水位差為6.56～12.92 m。參照同類型電站統計資料及國內主流制造廠家技術參數，綜合水輪機安全穩定運行性能及電站水頭條件，孤山電站最小發電水頭定為5.5 m。

（3） 加權平均水頭。經長系列徑流調節計算，孤山水電站全年加權平均水頭為14.25 m，汛期加權平均水頭為14.21 m，非汛期加權平均水頭為14.35 m。電站汛期、非汛期及全年加權平均水頭變化不大，與常規低水頭電站水頭特性有明顯不同，呈現出孤山水電站水頭汛期受流量頂托、非汛期受丹江口水庫庫水位頂托影響的特點。

綜上，確定水輪機的運行水頭范圍為5.5～19.16 m，極限最大毛水頭為19.16 m。

2.2 機組型式選擇

2.2.1 水輪機型式

基于水電站水頭范圍，適用的水輪機型式有貫流式和軸流式。在超低水頭范圍內，同容量貫流式機組相比軸流式機組有以下優點：① 機組額定效率比軸流式水輪機高約2%～3%；② 機組外形尺寸小于軸流式，機組間距小；雖然安裝高程低，但由于無尾水肘管等立式過水流道，土建開挖總量小于軸流式機組；③ 貫流式機組采用全對稱的流道，取消了蝸殼，有利于減少轉輪的水力不平衡，提高機組的運行穩定性；④ 貫流式水輪機單位轉速高、單位過流量大，真機轉速高、體積小，機組重量減輕，有效降低了設備投資［1-3］。⑤ 燈泡貫流式水輪機設計的單位流量、單位轉速值的選擇范圍較寬，適用水頭更廣；限制工況的出力不受限于水輪機的出力限制線，而是取決于水電站允許的空化裝置系數［4-5］。

根據DL/T 5186—2018《水力發電廠機電設計規范》，對于最大水頭20 m及以下的徑流式水電廠，宜優先選用貫流式水輪機。綜合考慮孤山電站水頭特性和裝機容量，選用燈泡貫流式水輪發電機組。

2.2.2 葉片數

水輪機轉輪葉片數隨著最大水頭的提高而增加，較少的葉片有利于減小轉輪直徑，提高發電機轉速，但其對轉輪的力學性能以及空蝕性能要求較高，因此選擇合適葉片數對于機組安全高效運行極為重要。對于燈泡貫流式機組，最大水頭在10～20 m范圍內，本水電站最大水頭為19.16 m，宜采用4葉片轉輪。4葉片燈泡貫流式機組轉輪參數范圍見表1。

2.3 額定水頭選擇

孤山水電站裝機容量180 MW，正常蓄水位177.23 m，死水位175 m。水電站正常蓄水位受上游白河電站銜接尾水位控制，尾水位受丹江口水庫回水頂托影響。

2.3.1 水頭分布特點

考慮丹江口水庫頂托影響，孤山電站發電水頭

分布規律如下：發電水頭在11 m以下出現的次數較少，占長系列比例約10%，16～17 m出現次數最多，占長系列的比例為21.55%，18 m以上出現的次數較少，占長系列的比例為2.55%。

總體來看，水頭分段占比呈正態分布，即低水頭段（小于11 m）和高水頭段（大于18m）出現概率低，中間水頭段（12～18 m）出現概率較高，尤以16～17 m水頭段出現概率最高，13 m以上水頭出現的概率為76%，14 m以上水頭出現的概率為67%，15 m以上水頭出現的概率為54%。孤山水電站水頭分布情況見圖1。

2.3.2 電量分布特點

從各水頭段的發電量分布來看，發電量主要集中在12～17 m水頭段，占總電量的比例為77.28%；低水頭段（＜12 m）和高水頭段（＞17 m）的電量占總電量的比例較少，分別為14.86%和7.86%；14～15 m水頭段電量占總電量的比例最高，為19.44%；電量次高水頭段為16～17 m，占總電量的比例約為16.37%。根據長系列徑流調節計算結果，孤山水電站各水頭段發電量所占比重見圖2。

2.3.3 額定水頭比較

（1） 水頭保證率分析。

綜合考慮孤山水電站水頭變化特性、電量分布情況與上游白河電站的流量匹配以及下游丹江口水庫的頂托分析，初選13.0，13.3，13.6，13.9 m和14.2 m共5個方案進行技術經濟比選。相應的水頭保證率分別為75.66%，

72.7%，70.0%，67.3%及64.0%。額定水頭13.0 m水頭保證率最高，額定水頭13.3 m和13.6 m水頭保證率居中，額定水頭14.2 m水頭保證率最低，見圖3。

（2） 機組參數分析。

額定水頭13.0，13.3，13.6，13.9 m和14.2 m方案對應的水輪機轉輪直徑分別為6.9，6.8，6.7，6.6 m和6.5 m，均在國內現有已投運燈泡貫流式機組轉輪直徑范圍內，對應的額定比轉速分別為816.4，793.4，771.6，750.8，731.0 m·kW，額定比速系數分別為2 943，2 893，2 845，2 799和2 755，參數水平相近。通過調查統計，國內外已建同類型電站額定水頭與最大水頭的比值為0.692～0.889。孤山水電站各額定水頭方案比值見表2。從機組的運行穩定性來看，高額定水頭方案13.9 m和14.2 m方案較好，額定水頭13.0 m機組運行穩定性稍差。

（3） 動能指標分析。

隨著額定水頭抬高，電站受阻的時間和受阻容量相應增多，額定水頭13.0，13.3，13.6，13.9 m和14.2 m方案年平均受阻概率分別為7.4%，9.0%，10.0%，11.3%，12.6%。額定水頭14.2 m方案受阻概率最大，額定水頭13.0 m和13.3 m受阻概率較小。根據能量指標分析，隨著額定水頭提高，多年平均發電量隨之減少。額定水頭14.2 m多年平均發電量最少，額定水頭13.0 m和13.3 m多年平均發電量較多。

（4） 梯級電站調度匹配。

孤山水電站上游為白河水電站，各額定水頭方案機組滿發流量分別為1 576.7，1 541.2，1 507.2，1 474.8，1 443.6 m3/s。額定水頭13.0，13.3 m與上游白河電站流量匹配關系較好，額定水頭14.2 m則較差。綜合考慮水頭保證率、受阻容量、多年平均發電量、工程投資以及與上游白河電站的流量匹配等因素，推薦額定水頭為13.3 m。

2.4 水輪機參數選擇

2.4.1 比轉速

水輪機比轉速ns及比速系數K值是體現水輪機綜合技術經濟水平的重要特征參數，選擇合適的水輪機比轉速以及比速系數有助于提高水輪機的效率，減小機組尺寸，減少空蝕現象［6-7］。表3為統計公式計算的額定水頭為13.3 m情況下比轉速與比速系數，表4為國內外已投運的15～20 m水頭段的燈泡貫流式水輪機主要參數。

綜合分析表3以及表4數據可知：① 與本電站同等水頭段的燈泡貫流式水輪機的比速系數一般在2 600～3 100范圍內，平均值為2 958.8。比轉速一般為670～890 m·kW，平均值為792.8 m·kW；② 根據統計公式計算，孤山水電站水輪機比轉速范圍為685.5～850.0 m·kW，比速系數為2 500～3 100［8］。根據本電站水輪機運行水頭范圍，結合已投運水電站的應用情況和制造廠推薦的技術參數以及統計公式的計算值，擬定本電站水輪機比速系數K值為2 700～3 000，相應比轉速為740.4～822.6 m·kW。

2.4.2 單位參數

4葉片轉輪（轉輪輪轂比取0.38）的軸面流速

Vm=1.489×Q11×H0.5r。按Vm=12～13 m/s考慮，水輪機出力/MW額定水頭/m額定流量/（m3·s-1）額定轉速/（r·min-1）轉輪直徑/m額定點效率/%額定點比轉速/（m·kW）比速系數水輪機安裝高程/m水輪機總重量/t

46.1513.3385.393.86.892793.42893147.3750單位流量Q11=2.21～2.39 m3/s；按Vm=12.5 m/s考慮，單位流量Q11=2.3 m3/s。根據統計公式計算的孤山水電站水輪機單位參數見表5。

根據上述比轉速水平及單位參數的匹配要求，結合電站水輪機的運行水頭范圍，考慮已開發的模型水輪機單位參數水平、國內外同水頭段貫流式水輪機現狀、制造廠推薦的技術參數、統計公式的計算值等因素，推薦水輪機額定工況下的使用單位流量在2.3 m3/s左右、單位轉速在170 r/min左右。

2.4.3 效 率

國內外部分已運行的燈泡貫流式水輪機額定效率大部分為90.5％～93.0%，最高效率為94.5％～96％，部分制造廠為本電站提出的機組方案中，額定效率為92.5%～94.6%，最優工況原型效率為94.0%～95.6%。

根據國內外轉輪研發水平，4葉片轉輪模型最優效率大多已超過93.0％。因此，本電站4葉片水輪機模型預期最優效率應不低于93.0％，模型水輪機額定點效率不低于90.5％，水輪機效率修正值暫取1.5%，相應原型水輪機額定點效率為92.0％，原型最高效率為94.5%。

2.4.4 空化系數

水輪機空化系數越小，空化性能越好，水輪機裝機高程也越高，有利于減小廠房土建開挖量、降低水電站的土建費用。水輪機空化系數應盡可能小，根據同水頭段水輪機的實際應用情況，水輪機額定點臨界空化系數在1.26左右，相應的裝置空化系數不小于1.7。

3 機組選型結果

綜合上述參數選擇原則，對水輪機進行選型計算，結合電站經濟技術指標及上游白河水電站、下游丹江口水庫調度等因素，選定孤山水電站水輪機組主要參數，詳見表6。電站實際運行結果表明，機組主要技術參數選擇合適，電站運行穩定性好，機組效率滿足要求。

4 結 語

本文針對孤山水電站運行特性，結合上游白河水電站機組調度運行情況，以及下游丹江口水庫水位頂托作用，對孤山水電站水輪機組參數選擇進行分析討論。水電站實際運行數據與結果表明：機組參數選擇合理，機組運行效率、運行穩定性等各類指標均達到或優于合同要求，選擇參數水平合適，可為同類型貫流式水電站設計提供借鑒。

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（編輯：唐湘莤，張 爽）

Research on unit selection design of Gushan Navigation and Hydropower Project

CHEN Sheng，ZHENG Taoping，PENG Zhiyuan，WANG Hao

（Changjiang Survey，Planning，Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract：

In order to select the reasonable parameters of the turbine generator set of Gushan Hydropower Station，the head distribution characteristics and operation mode of the station were studied，and the influence of Danjiangkou Reservoir water level change on the jacking of Gushan Hydropower Station was determined.According to the distribution frequency of water head and the distribution characteristics of electricity quantity in the power station，the rated water head and the main performance parameters such as unit specific speed and various unit parameters was selected.The actual operation results of the power station indicate that the selection of unit parameters is reasonable，and various indicators such as unit operation efficiency and stability meet or exceed the contract requirements，ensuring the safe and stable operation of hydraulic turbine generator units and the dispatching requirements of cascade power stations，providing reference for the selection of large and medium-sized tubular turbine generator units．

Key words：

bulb tubular turbine units； rated head； unit parameter； unit selection and design； Gushan Navigation and Hydropower Project