摘要：古瓦水电站的开发任务主要为发电，并兼顾下游生态环境用水要求。本文根据水电站的特征参数，充分考虑高海拔地区高水头电站在空化等方面的影响，对古瓦水电站水轮机模型及真机参数进行研究，保证水轮机运行的稳定性，为类似电站提供参考和借鉴。
关键词：古瓦水电站；高水头；混流式水轮机；选型设计
1工程概况
古瓦水电站位于四川省甘孜州乡城县境内，采用混合式开发。古瓦水电站水库正常蓄水位3398m，库容2.396亿m3，调节库容2.2276亿m3，具有年调节能力。电站引用流量87.8m3/s；电站装机容量205.4MW：其中主体电站装机容量201MW，生态机组4.4MW。
2电站基本参数
水库正常蓄水位3398.00m，为年调节。多年平均发电量7.784亿kW•h，年利用小时数3873h。
电站特征水头
最大水头 314.9m
加权平均水头 279.5m
额定水头 266.0m
最小水头 212.7m
泥沙特性
多年平均过机含沙量 水库运用20年为26g/m3
水库运用60年为66g/m3
水库运用100年为301g/m3
3水轮机型式
古瓦电站水头范围212.7m～314.9m，采用水轮机型式为混流式机型。
目前，国内中、高水头采用混流式水轮机的电站见表1。
表1 国内中、高水头混流式水轮机应用简况表
4比转速ns和比速系数K
本电站运行水头212.7m～314.9m，属中偏高水头电站，单机容量67MW，机组型式为混流式水轮发电机组。为使本电站装设的水轮机能发挥最大经济效益，在投产时具有一定先进性，采用统计法预估水轮机基本参数。
水轮机比转速ns和比速系数K是衡量水轮机能量特性、经济性和先进性的综合性指标，因此提高水轮机的比转速也一直是国内外水轮机制造业的发展趋势。近年来，比转速的提高逐步趋缓，因其受到水轮机平均效率、强度、刚度、空蚀、泥沙磨损、运行稳定性等方面的制约，片面地追求过高的比转速值，虽然能降低机组造价，但会导致水轮机的抗空蚀、泥沙磨损及压力脉动等指标的恶化，反而达不到提高水轮机综合性能的目的，因此，只有结合电站的具体参数条件和技术要求，在水力设计、机械结构和刚强度设计上不断提高和改进，在水轮机稳定运行的前提下提高比转速，才能真正达到提高水轮机综合性能和经济指标的目的。本电站的水轮机运行水头变幅较大，需要重视水轮发电机组的运行稳定性，控制水轮机比转速ns和比速系数K在合理可行的范围之内是必要的。
为了初选适合本电站水轮机比转速ns和比速系数K，对国内已建、在建的200m以上水头段混流式水轮机的比转速及比速系数进行统计分析，详见表2。根据国内及国际上一些比转速的经验公式计算本电站的比转速及比速系数见表3。
表2 国内200m以上水头段混流式水轮机比转速统计表
从表3可以看出，本电站水轮机的ns为99.93～147.15m•kW，K值为1630～2400左右。
从表2和表3可看出，随着时代的发展，以及单机容量的加大，同水头段转轮的比转速呈增大趋势。由于本电站具有年调节水库，总体来说过机泥沙含量轻微，但汛期也还是有一定的过机泥沙，水轮机水力设计中要全面满足较高的能量特性、稳定性、经济性和抗空蚀性能，不宜追求过高的ns和K值。因此，综合考虑现今水轮机设计、科研、试验及制造技术的发展趋势、水轮发电机组的运行经验、高海拔、抗空蚀、泥沙磨损以及本电站单机容量等因数，参考国内目前的实际应用情况，本电站K值宜在1650～2200之间选取，相应额定点的ns为101.2～134.9m•kW。
从机组参数选择、运行稳定性、电站投资和转轮运输等方面分析，推荐本电站水轮发电机组同步转速为nr=428.6r/min。对应的额定比转速nsr=104.59m•kW，额定比速系数Kr=1705.79。
5模型机参数初选
5.1.1单位转速n11和单位流量Q11
在初步确定了比转速和比速系数后，应选择合理的单位转速n11和单位流量Q11，以取得水轮机安全稳定和高效率运行。
较高的单位转速n11值有利于机组同步转速的提高，能够降低机组造价，但单位转速n11的提高受到叶片强度、空蚀和磨损等因素的制约；同时由公式ns=3.13n11 (Q11η)1/2可知，在选定的比转速条件下，效率变化的幅度有限；而单位转速和单位流量之间也有一定的配合比例关系，才能有较高的效率和较好的综合性能。所以可以确定单位转速n11和单位流量Q11的范围。
表4为本电站Hr=266m，ns=104.59m•kW用统计公式计算出的单位转速n11和单位流量Q11的值。
表4 各单位转速或单位流量统计公式计算值
由表4可知，本电站水轮机的单位转速n11范围为58.8～62.2r/min，单位流量Q11范围为327.9～349.4L/s。由表6可知，400m水头段模型水轮机最优单位转速n10为61～63.9r/min，限制工况单位流量Q11为297～323L/s。
根据比转速、比速系数和同步转速的选择成果，参考统计公式计算成果、同水头段模型水轮机参数，初选限制工况单位流量Q11max不大于327.9L/s，最优工况单位流量Q10约181～212L/s，由此初步计算水轮机转轮进口直径D1为2.55m。结合设计水头、同步转速和效率选择，可得出最优工况点单位转速n10约63r/min左右，额定工况单位转速n11r为67.01r/min左右，额定工况单位流量Q11r为268L/s左右。
5.1.2模型转轮效率
水轮机效率是评估水轮机能量特性的重要指标，直接影响电站的发电效益。目前国外混流式水轮机模型最优效率达94%以上，通常混流式水轮机在ns=180m•kW左右时，模型效率呈最大值，在ns<180m•kW时，模型效率随比转速的下降而下降，本电站水轮机比转速为107.10m•kW，模型的最优效率应大于92.5%。
5.1.3空蚀性能
水轮机的空蚀性能通常用空化系数σ表征，σ值亦是衡量水轮机性能的一个重要指标，σ值的大小关系到水轮机的安装高程，亦与水轮机的使用寿命和稳定性能相关连。空化系数可由比转速推导而出，世界各国根据众多的转轮用统计法得出一些经验公式，用于本电站的计算值见表5。
表5 不同经验公式的水轮机模型空化系数计算值
由表5可得，本电站水轮机的初生空化系数σi可选择在0.034～0.037之间，电站空化系数σp可选择在0.038～0.053之间，考虑到电站在汛期有一定数量的过机泥沙，电站空化系数不宜取得过小。
5.1.4模型水轮机参数
综上所述，考虑到当今水轮机设计、制造水平和今后发展趋势，预期的模型水轮机基本参数如下：
1) 综合指标：
ns=104.59m•kW
K=1705.79
2) 最优工况：
n10=63r/min
Q10=181～212L/s
opt≥92.5%
3) 额定点工况：
Q11r=～268L/s
n11r=～67.01r/min
ηr=～92.5
σi=0.034～0.037
σp=0.038～0.053
6 水轮机真机参数初选
根据上述初定的参数，选几个现有的模型转轮作初步的计算比较，以确定机组设备的主要外形尺寸。
表6为古瓦水电站适用的～400m水头段混流式机型的主要模型参数。
表6 混流式机型的主要模型参数
插图1 古瓦电站HLA351-LJ-255转轮运转特性曲线
由表6可知，这三个长短叶片的转轮参数水平相当，转轮采用长短叶片结构，与采用普通结构的转轮相比，在水电站水头变幅比较大时，有更好的流态和运行稳定性。其中HL(F)转轮为GE公司提供的参数，效率较高，经计算 HLA351和HL(F)转轮直径相当，同步转速相同，因此两方案的设备和土建投资基本相当。暂以HLA351转轮参数作为计算依据。
对于古瓦水电站而言，采用(Hmax-Hmin)/Hr表征水头与运行工况关系，(Hmax-Hmin)/Hr=0.384，根据国内部分大型混流式机组电站调查统计显示，(Hmax-Hmin)/Hr=0.329～0.664，古瓦水电站为0.384，在统计范围之内，选用长短叶片的模型转轮可以更好地适应水头的变幅，是合适的。
经分析计算后，HLA351的原型参数为：
水轮机型号 HLA351-LJ-255
转轮直径D1 2.55m
最大水头Hmax 314.9m
加权平均水头Hw 279.5m
额定水头Hr 266.0m
最小水头Hmin 212.7m
额定流量Qr 28.5m3/s
额定出力Pr 68.72MW
额定转速nr 428.6r/min
飞逸转速nrun 741r/min
额定工况点效率ηr 92.84%
最高效率ηopt(△η=1.15%) 94.05%
额定比转速nsr(m•kW) 104.59
额定比速系数Kr 1705.79
允许吸出高度Hs -9.02m
运转特性曲线见插图1。
7安装高程
水轮机安装高程与吸出高度Hs有关，吸出高度Hs又与转轮参数水平、过机水流泥沙情况、转轮材质的抗磨蚀性能、制造加工质量等条件有关。
根据Hs≤10－/900－Kσ•σi•H，分别对最大水头工况和额定水头工况的吸出高度进行计算，详见表7。
表7 吸出高度计算表
按一台机额定流量对应的尾水位3085.33m作为设计尾水位。
水轮机安装高程Z计算如下：
即：Z =3085.33－9.02=3076.31m
考虑为设计留有余地，机组安装高程为3075.80m，相应的Hs为-9.53m。
8结束语
本文针对古瓦水电站的特征参数，对水轮机的选型进行了较详细的研究，确定了水轮机的基本参数。本电站机型属于中高水头混流式机组，且在高海拔地区，应充分考虑空化方面的影响，优化水轮机参数，使机组在整个运行范围内能够长期稳定的运行，最终达到整个电站收益的最大化。
论文作者:陈大明
论文发表刊物:《电力设备》2019年第17期
论文发表时间:2019/12/19
标签：水轮机论文; 转速论文; 水头论文; 电站论文; 转轮论文; 单位论文; 系数论文; 《电力设备》2019年第17期论文;