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摘要：老挝南欧江四级水电站为目前在建水头最高的灯泡贯流式电站，水轮机参数的选择，既要把改善水轮机运行稳定性放在首位，又要使水轮机应具有良好的能量指标，在高水头区具有较宽广的高效区。因此，要紧密结合电站的具体情况，尽量参照和采用国内外先进技术，合理地选择确定水轮机主要参数。
关键词：南欧江四级水电站；灯泡贯流式；水轮机参数；选择研究；高水头
1工程基本特性
1.1电站概况
南欧江四级水电站是老挝南欧江干流梯级开发方案的第四个梯级电站（自下而上）。电站以发电为主，兼有防洪、旅游、库区航运等综合利用效率，带动当地社会、经济与环境协调发展。电站装机132MW，最大应用水头28m，安装三台目前国内水头最高的灯泡贯流式机组。
1.2电站基本参数
1）上游水位：上游校核洪水位（P=0.1%）389m，上游设计洪水位（P=1%）386m，水库正常蓄水位386m，死位384m。
2）下游水位：下游校核洪水位（P=0.1%）379.79m，下游设计洪水位（P=1%）375.17m，下游正常尾水位（3台机满发）360.14m。
3）装机容量：3×44MW=132MW（机组台数×单机容量=电站装机容量）。
4）特征水头：最大水头28m，加权平均水头24.61m，额定水头23.5m，正常运行最小水头20m，极限最小水头10.5m。
5）流量：电站额定引用流量633.31m3/s。
6）库容：总库容（正常蓄水位以下）1.145×108m3，死库容为0.981×108m3，调节库容为0.163×108m3。
7）泥沙：天然情况下多年平均含沙量0.30kg/m3，考虑上游梯级电站建成拦沙后多年平均含沙量0.071kg/m3。
8）水温：河水水温≤32℃。
9）出线方式：电站暂按2回115kV出线考虑；发电机电压侧采用发电机-变压器单元接线，发电机出口侧装设发电机断路器，115kV侧采用单母线接线。
10）电站特性：年平均发电量4.87×108kWh，年利用小时数3688h。
2水轮机参数选择原则
1）技术适用原则。水轮机选择时应充分考虑电站特性和条件，结合国内机组制造水平和技术水平，不盲目追求高参数，选用适应电站实际运行工况的机组。
2）方案比较的原则。选型设计最重要的原则是要对技术上成立的方案进行详细的技术经济比较，通过比较选择推荐技术经济上最优的方案。
3）本电站额定水头23.5m、单机容量44MW，属低水头大流量水轮发电机组，机组参数选择时，应重点考虑机组在运行中安全、可靠、稳定，并把改善水轮机稳定性，放在水轮机选择中诸多因素的首位。
4）根据本电站水轮机出力加权因子，电站96%以上在额定水头以上运行，为取得最大的发电效益，水轮机应具有良好的能量指标，要求水轮机在高水头区应具有较宽广的高效区。
5）在电站投产初期和下游尾水位较高的汛期，水轮机有可能较长时间在低水位条件下运行，这将要求水轮机在低水头下运行时有必要的稳定性。
3水轮机参数选择
3.1水轮机型式选择
本电站的水头变化范围为10.5m～28m，在本水头段可供选择的水轮机有灯泡贯流式和轴流转桨式两种机型。
一般来讲，灯泡机组具有明显的技术经济优势，与立式轴流机组相比，既可节省电站建设投资，而且运行稳定、空蚀轻微，每年尚可多发3%左右的发电量，具有很强的竞争能力。在国外，灯泡贯流机组已经是一种技术成熟的机型，已经得到广泛的应用，且单机容量愈来愈大，使用水头也不断提高。在国内，灯泡贯流机组虽然起步较晚，但经过二十多年的努力，已有了一定的规模和水平。目前国内已投产的湖南洪江水电站为水头最高的灯泡机组，装机容量5×45MW，最大水头为27.3m，该工程已于2003年全部投产，机组运行正常；单机容量最大的是四川乐山沙坪二级水电站，装机6×58MW，最大水头24.6m，2010年投产；单机容量排名第二的广西桥巩水电站，装机容量8×57MW，最大水头24.3m，2008年投产。这标志着国内的灯泡贯流机组的设计制造已逐步成熟。
灯泡贯流式机组与轴流式机组相比，具有以下明显的优势：
1）流道形式好、尺寸小。灯泡贯流式机组顺水流水平布置，取消了平面上的180°拐弯的蜗壳和立面上90°拐弯的肘形尾水管，采用直轴式引水室，流道顺畅，水力损失较小。由于取消了蜗壳和弯肘型尾水管，使机组流道尺寸减小，土建工程量相对减少。
2）能量指标高。灯泡贯流式水轮机组具有良好的水力特性，机组的单位流量及单位转速均比轴流转桨式机组高（单位流量比轴流机组增加5％左右，单位转速比轴流机组高10％左右），机组最优效率比轴流转桨式机组高1％以上。
3）机组尺寸小、重量轻。灯泡贯流式机组由于参数指标高且机组结构紧凑、体积小等特点，与轴流转浆式机组相比，在相同的水头和单机容量时，灯泡贯流式机组转轮直径小，重量轻；发电机转速高一档，重量相对轻，机组投资省。三台机组总重量减少约120吨。
4）运行性能好。灯泡贯流式机组由于流道平直，转轮桨叶与导叶协联关系好、结构刚度大，因此机组运行稳定、机组振动与摆度值小等特点。其次，由于卧式机组仅当其叶片旋转至顶部位置时，才有可能发生空蚀，其他部位空蚀可能性较小，因而在空蚀工况下的历时概率较小，故而空蚀轻微，提高了机组运行可靠性。加之电站装机所占电网比例不大，机组运行对电网稳定性的影响非常小。
5）经济性能高。根据计算，采用灯泡贯流式机组比采用轴流式机组相比，工程静态投资减少4474.02万元，灯泡贯流式机组具有明显的经济优势
本电站最大水头为28m，已经超过国内已建、在建所有灯泡贯流式机组的最大应用水头，但增大的幅度不大，仅比湖南洪江水电站最大水头27.3m高出0.7m，选择灯泡贯流式水轮发电机组在技术上是可行的，经济性能也较优。
3.2 参数选择
3.2.1比转速ns及比速系数K的选择
比转速ns和比速系数K是衡量水轮机能量特性、经济性和先进性的一个重要综合性能指标，同时亦反映了水轮机的设计制造水平。提高水轮机的比转速ns可以减小机组和厂房尺寸，降低工程投资，因此在可能的条件下，倾向于选择较高的比转速ns和比速系数K。但水轮机比转速ns的提高往往受到水轮机刚度、强度、空化、泥沙磨损、运行稳定性以及平均效率等方面的制约。所以，必须根据电站的具体实际情况，针对本电站的特殊技术要求，对水轮机的各项性能指标进行综合分析比较，择优合理选择比转速ns和比速系数K值。
表1为与南欧江四级类似的部分高水头大容量灯泡贯流式水轮机的参数统计表，表中电站的平均比转速系数为2882.3，最小值为洪江电站比速系数2793，最大值为东电制造的巴西杰瑞电站比速系数3075；且随着电站额定水头的提高，比速系数呈现出明显下降的趋势。图1为一些典型的灯泡贯流式水轮机额定水头与比速系数关系统计图，显而易见各电站比转速具有很大的离散度，即使额定水头相近的灯泡贯流式水轮机，比转速相差亦很大。根据曲线计算所得南欧江四级比转速为613.2m?kW，对应的比速系数为2972.6。南欧江四级电站Hmax与Hmin的比值和差值均较大，额定水头较之目前所有已建在建电站中额定水头最大的桑和二级电站亦高出1.8m，且大部分时间在额定水头以上区域运行，这就要求水轮机的高效区和稳定运行区尽可能宽，并控制最高水头对应的单位转速处于最优单位转速附近，以免在高水头进入背面空化脱流严重区域。为降低机组造价，提高比转速，可以考虑选择最高水头对应的单位转速大于最优单位转速，但最低水头下单位转速不宜低于最优单位转速太远。
因此，综合考虑电站水头变化范围、水轮机运行特点、空蚀空化性能、运行稳定性等各方面因素的影响，南欧江四级水电站比转速的选择尽量不偏离统计规律，既保证水轮机参数的先进性、又不至于冒险超出统计曲线范畴，推荐比速系数范围为2700～2980，相应的比转速范围为557m?kW～615m?kW。
比转速范围557m?kW～615m?kW对应的额定转速有136.4rpm、142.9rpm两个方案，对应的比转速分别为561.5 m?kW、588.2 m?kW。表2为两个方案的详细技术经济参数对比。
综合上述技术分析，经技术经济比较，推荐南欧江四级水电站水轮机比转速为561.5 m?kW，相应的比速系数为2722，额定转速为136.4rpm。
表1部分高水头大容量灯泡贯流式水轮机的参数统计表
表2同步转速方案参数比较表
图1贯流式水轮机额定水头与比转速关系曲线
3.2.2叶片数的选择
灯泡式水轮机合理的使用水头受机组安装高程以及轮毂比的影响。转轮体和叶片根部的应力限制了轮毂比的进一步缩小。转轮叶片数大体有3叶片、4叶片、5叶片三种形式，3叶片的最高使用水头约为10m，4叶片的最高使用水头约为20m，5叶片的最高使用水头为30m左右。选择叶片数一般根据电站最大水头、转轮叶片扭矩以及水轮机最小开挖量的安装高程，同时尽量选择较小的轮毂比，以得到较大的单位流量、较低的转轮出口相对流速和减少表面空蚀。根据南欧江四级水头及实际情况，转轮叶片数可以选择5叶片或6叶片，考虑到5叶片转轮目前技术比较成熟，并且有多个电站已经运行，技术风险较小，因此优先推荐选择5叶片转轮。
3.2.3轮毂比的选择
转轮体是灯泡贯流式水轮机的一个重要部件，转轮体内布置有转桨机构和油压操作系统。使用水头愈高，转轮叶片数增多，转桨机构的零件随之增加，这就要求有较大的轮毂直径。为了有效地转换能量和尽可能改善转轮空化特性，转轮体又应具有最小的截面。所以在转桨机构布置和转轮体强度允许情况之下要尽量减小轮毂直径。由于近年来水力技术发展很快，新近开发的转轮已经能够满足水力性能的要求，同时通过改善转桨机构结构型式以及不断完善的强度计算方法使减小轮毂直径成为可能，水轮机的轮毂比经不断优化后呈现降低的趋势。
洪江电站转轮轮毂比为0.41，最大使用水头为27.3m，其转轮的应力分布控制在150MPa以下；南欧江四级水轮机最大水头较洪江电站略高，推荐选用转轮的轮毂比不小于0.41。
3.2.4 n11、Q11和η的选择
同一ns值，可由不同的n11、Q11和η组合来实现，提高n11、Q11都可达到提高ns的目的。但国内外水电站的实际运行经验表明，水轮机的综合性能（如效率、空化系数、压力脉动值）的优劣，在很大程度上与模型转轮的单位转速和单位流量的匹配好坏关系极大，只有在单位转速和单位流量处于最优匹配时，才能获得最优的水轮机综合性能。因此，在确定了比转速ns和比速系数K的水平后，结合工程特点，应合理选择水轮机的单位转速和单位流量，探求最佳匹配方案，以期达到综合性能最优。
1）单位转速n11和单位流量Q11的选择
一方面，选择较大而合理的单位流量，可减小机组尺寸，减轻机组重量，降低设备投资，同时使电站多发季节性电能，获得更大的经济利益，另一方面，由于本电站的水头较高，不宜选取较大的单位流量，因较大的单位流量对应较大的空化系数，必将增加机组的挖深，使电站的投资增加。
从表1中可以看出，与南欧江四级类似的最大水头在20m以上的机组额定点单位转速为147.66～165.9rpm，额定点单位流量为1.792～2.334m3/s，且统计规律显示随电站额定水头和最大水头的提高，单位流量和单位转速有降低的趋势。故推荐本电站单位转速145～165rpm，单位流量为1.75～2.25m3/s。
2）水轮机效率η的选择
水轮机效率是水轮机能量参数的重要指标，提高水轮机效率一直是科研、设计和制造部门追求的目标之一。国内目前生产的灯泡贯流式水轮机，模型最高效率已接近94.5%，真机最高效率已达到96%左右，如南欧江二级电站，真机最高效率为95.71%；广东飞来峡电站，真机最高效率为95.70%；青海尼那电站，真机最高效率为96.08%。
根据已建电站的工程实践经验，过高效率的转轮在偏离最优工况时，其水力稳定性往往迅速恶化。综合考虑各方面因素，做到既要有先进性，又要留有一定裕度。经分析，推荐南欧江四级电站水轮机效率如下：
模型最高效率ηMmax≥94%
模型额定点效率ηMr≥91.5%
高效率区应包含在20m以上高水头区域内。
但高效率区运行范围的选择，应注意其与一般混流式水轮机运行范围选择之间的差异：即贯流式水轮机最高效率区不能将模型曲线中的最优高效区全部包含在机组运行范围内，一般不宜超过模型曲线最优效率点中心鸭蛋形区域的二分之一处，且最大水头对应的单位转速应大于转轮最优单位转速的0.95倍，否则转轮叶片进口头部可能因负撞击进口而产生脱流，导致转轮叶片空蚀、机组运行稳定性降低等等不利因素出现；若结合电站实际，选择的水轮机运行范围确需突破此一般原则，则应采取必要的应对措施，确保水轮机运行稳定性。如某厂家在南欧江四级主机技术咨询交流会上提供的模型水轮机综合特性曲线（见下图）中所示的水轮机运行范围，其最大水头和额定水头发出额定出力和最大出力的工况点均处于最优工况点中心鸭蛋形区域的左上方，超出灯泡贯流式水轮机运行范围选择的一般原则。此时应高度重视转轮叶片进口头部脱流问题，以保证水轮机在高效运行的同时具有良好的稳定性，故与会专家要求该咨询厂家确认是否会出现叶片头部脱流，并要求提供模型试验工况点的流态观察图片。咨询厂家答复确认，南欧江四级水电站28m最大水头无对应试验工况点，但在28.8m水头对应的试验工况点叶片头部有轻微脱流。与会专家经充分讨论基本认可该咨询厂家的水轮机参数及运行范围选择方案。
3.2.5灯泡比的选择
从水力的角度考虑，希望尽量采用较小的灯泡直径，以缩小进水管的尺寸，使流道趋于平直；但是过小的灯泡直径会使发电机布置困难甚至成为不可能。灯泡比一般选择1.1～1.3，对高水头大容量机组，一般不宜选取太小的数值。建议本电站灯泡比选取在1.15～1.32之间。
3.3空蚀性能
水轮机空蚀性能通常用空化系数σ来衡量。空化系数σ的大小，关系到水轮机的安装高程（电站的开挖深度）和水轮机的使用寿命。空蚀性能与水轮机比转速ns有关，一般来说，随着ns的提高，σ也将增大。
为提高水轮机运行稳定性和抗泥沙磨损，尽可能使水轮机在无空蚀工况运行。考虑本电站实际情况，参考已有的与本电站水头范围比较接近的洪江模型转轮参数和电站可能运行工况进行分析计算，各工况吸出高度计算见下表（参考平面为机组中心线以上1/4D1处）：
综合考虑电站各种可能运行工况及淹没深度要求，经计算，选择电站安装高程为345.00m时均能满足要求，并留有少量裕度。
3.4水力稳定性
目前，水力稳定性已和能量、空蚀被作为水轮机的三大性能指标统一加以考核。水轮机尾水管压力脉动值的大小，直接影响机组的安全稳定运行，尤其是对大型水轮机更加突出。水轮机水力稳定性指标，目前尚没有统一的标准可循，通常采用尾水管内压力脉动值的双振幅值△H与运行水头H的比值A=△H/H来衡量。对于低水头水轮机，一般选用较大的压力脉动相对值；对于灯泡贯流式水轮机，转轮桨叶和导叶协联关系好、结构刚强度大、流道平直，因此机组振动与摆度小、运行稳定性好。故南欧江四级电站水轮机尾水压力脉动推荐：主要工况（水头23.5m以上，35%Pr～100%Pr）：A≤5%；整个运行范围：Amax≤8%。
4水轮机参数
4.1水轮机模型目标参数
通过以上分析，南欧江四级水电站推荐的水轮机模型目标参数为：
比转速ns：557～615m?kW
比速系数K：2700～2980
额定工况点单位转速n11：145～165rpm
额定工况点单位流量Q11：1.75～2.25m3/s
模型最高效率ηMmax：≥94%
模型额定点效率ηMr：≥91.5%
装置空化系数σy：<0.88
尾水管压力脉动A：主要工况≤5%，整个运行范围≤8%。
4.2初定的原型水轮机参数
型号：GL561.5-WP-520
额定出力Pr：45.36MW
最大水头Hmax：28m
加权平均水头Hv：24.61m
额定水头Hr：23.5m
正常运行最小水头：20m
极限最小水头Hmin：10.5m
转轮直径D1：5.2m
叶片数：5
轮毂比：0.41
灯泡比：1.3
额定流量Qr：211.6m3/s
额定效率ηr：93%
最高效率ηmax：94.5%
额定转速nr：136.4r/min
吸出高度（机组中心线以上1/4D1处）Hs：-13.84m
安装高程（导叶中心高程）：345m（暂定）
比转速ns：561.5m?kW
比速系数K：2722
4.3招标确定的参数
南欧江四级水轮发电机组于2016年4月27日发布招标公告，经开标、评标，最终确定东芝水电设备（杭州）有限公司为中标单位，其投标的水轮机参数为：
型号：TB5012-WP-480
额定出力Pr：45.36MW
最大水头Hmax：28m
加权平均水头Hv：24.61m
额定水头Hr：23.5m
正常运行最小水头：20m
极限最小水头Hmin：10.5m
转轮直径D1：4.8m
叶片数：5
轮毂比：0.41
灯泡比：1.31
额定流量Qr：207.77m3/s
额定效率ηr：95.2%
最高效率ηmax：95.7%
额定转速nr：136.4r/min
临界空化系数：0.76
吸出高度（机组中心线以上1/4D1处）Hs：-13.15m
安装高程（导叶中心高程）：345m（暂定）
比转速ns：561.5m?kW
比速系数K：2722
参考文献：
[1]贯流式水电站/沙锡林主编，—北京：中国水利水电出版社出版，1999.12；
[2]贯流式水轮发电机组的技术优势与关键技术/田树堂撰写，《水电与新能源》，2013年03期。
论文作者:杨加明,沈孝杰,姚建中
论文发表刊物:《电力设备》2016年第24期
论文发表时间:2017/1/18
标签：水轮机论文; 水头论文; 机组论文; 电站论文; 转速论文; 南欧论文; 转轮论文; 《电力设备》2016年第24期论文;