公格尔水电站水斗式水轮机选型及参数设计

公格尔水电站水斗式水轮机选型及参数设计

安 刚

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

摘 要：针对公格尔水电站600 m高水头落差的特点，结合国内外水轮机最新发展趋势，通过对水轮机形式进行技术和经济综合分析，最终选定水斗式水轮机；并进一步对水轮机参数进行优化设计，为电站长期安全稳定运行提供了可靠的技术保障，同时也为国内外类似电站的设计提供一定借鉴。表4个。

关键词：高水头水电站；水轮机选型；水斗式水轮机；参数设计

1 工程概况

公格尔水电站是盖孜河流域梯级开发的第一级电站，是盖孜河梯级开发的龙头水库工程。电站位于新疆维吾尔自治区克孜勒苏柯尔克孜州阿克陶县境内，采用坝后引水式开发，装机容量为200 MW，工程开发任务是灌溉、发电和防洪。电站在系统中担任调峰、调频、事故备用和部分基荷运行任务，主要由大坝、溢洪道、导流兼泄洪冲沙洞、发电引水系统(设置调压井)、压力管道(一管三机，约18 km)和地面电站厂房等建筑物组成。

2 电站基本参数

水库正常蓄水位3 290.0 m，死水位3 280.0 m，调节性能为不完全多年调节。最高尾水位2 627.34 m，正常尾水位(3台机满发)2 625.49 m，最大水头(毛水头)665 m，加权平均水头(净水头)632.6 m，额定水头(净水头)607.0 m，最小水头(净水头)607.0 m，多年平均悬移质含沙量(天然河道)1.181 9 kg/m3。

电站装机容量200 MW，多年平均年发电量6.7亿kW·h，年利用小时数3 350 h，保证出力71.5 MW。

3 机组机型的选择

公格尔水电站水头范围为607～665 m，在该水头段可供选择的水轮机有混流式与水斗式两种。

现阶段，国内水头在500 m以上的大中型水轮机设计和制造缺乏经验和技术支持，因此本电站水轮机将借鉴和引进国外知名厂家的设计制造技术。

3.1 两种机型的应用概况及分析

世界上最早出现水头在500 m以上的高水头混流式水轮机是20世纪60年代初装在挪威Hemsil Ⅰ电站，至今已运行40多年。之后在挪威、美国、英国、奥地利、瑞士等许多国家相继安装了高水头混流式水轮发电机组，到80年代这类水电站已非常普遍。

在国外，具有设计、制造水头500 m以上较大容量水轮发电机组的厂家有克瓦纳(挪威)、安德列兹—维奥(奥地利)、阿尔斯通(法国)和日本等国的一些著名水电公司。目前，混流式机组有奥地利的Hausling电站，最大水头Hmax=734.2 m，出力Nr=180 MW，额定转速n=600 r/min(1984年)；水斗式机组有瑞典的Bieudron水电站，最大水头Hmax=1 869 m，出力Nr=423 MW(1998年)，堪称世界之最。

目前在国内，应用在400 m以上高水头的大容量水斗式水轮机和混流式水轮机统计如下所示(见表1、表2)。

表1 国内大型水斗式水轮机统计

电站额定水头/m单机容量/MW喷嘴数制造厂家备注冶勒5801206法国阿尔斯通已建吉沙485606法国阿尔斯通已建大发4821206安德列兹—维奥(奥地利)已建仁宗海5601206安德列兹—维奥(奥地利)已建金窝5951406安德列兹—维奥(奥地利)已建鸭嘴河600606安德列兹—维奥(奥地利)已建吉牛4571206安德列兹—维奥(奥地利)已建

表2 国内大中型高水头(400 m以上)混流式水轮机统计

电站额定水头/m单机容量/MW转轮直径/m转速/(r·min-1)制造厂家备注硗碛490802 3600东芝已建周宁4001252 928428 6克瓦纳已建自一里445652 15600克瓦纳已建踏卡412552 08600杭州力源已建金平411 5502 08500杭州力源已建金元411 5602 15600杭州力源已建金康458752 15600GE亚洲水电已建联补416 9652 15600GE亚洲水电已建

3.2 机型选择

水斗式机型与混流式机型相比，具有以下特点：

(1)最高效率比混流式水轮机低2%～3%，但其效率曲线较平缓，当负荷仅为额定负荷的20%时仍可以运行；而混流式水轮机要求运行在额定出力50%以上。

(2)水斗式转轮露出水面，不存在因气蚀要求而增加开挖问题。水斗式转轮在1个大气压下工作，其气蚀磨损较混流式轻，转轮材质要求较低，同时转轮检修工作量小。水斗式转轮的气蚀磨损与运行负荷变化关系不大，而混流式水轮机在某些工况运行时，气蚀磨损破坏加剧较明显。

(3)对于水斗式水轮机，机组甩负荷时，可利用折向器迅速遮开水流，从而控制压力和转速上升，解决了大波动稳定性问题，提高了机组的可靠性。

(4)由于在小负荷区运行时，水斗式水轮机的效率反而比混流式水轮机高。这一点对于在孤立、容量小的喀克电网中担任调峰、调频、事故备用和部分基荷运行任务的公格尔水电站机组非常重要。

(5)混流式水轮机结构复杂，易损部件较水斗式水轮机多，检修、更换和维护工作量大，运行维护费用较高。

(6)混流式水轮机过流部件多，迷宫及导叶端面间隙小，受泥沙磨损影响后更换不方便，检修工作量大。

(7)水斗式水轮机在含沙水流下运行，喷针头、喷嘴口环及水斗分水刃的磨损也非常剧烈；但这些部件相对独立，更换方便(在有备件的情况下，1～2 d即可完成)。

(8)混流式机组发生振动、噪音及不稳定的机率较高。

鉴于以上原因，因此本阶段推荐选用立轴水斗式水轮机。

4 机组台数的选择

本电站建成后联入喀克电网,为电网中最大电站，在系统中担任调峰、调频、事故备用和部分基荷任务。机组台数及单机容量选择提出2台机(2×100 MW)、3台机(3×67 MW)、4台机(4×50 MW) 共3个方案进行技术经济比较(见表3)。2台机方案发电系统总造价低，但电站在喀克电网中所占比重较大，运行不够灵活，且电力系统事故备用容量小；根据电力系统事故备用容量不应小于该系统中最大单机容量的原则，显然2台机方案单机容量为100 MW过大是不合适的。4台机检修运行灵活方便，但其单机容量偏小，额定转速偏高，机组振动可能给机组的稳定运行留下隐患，而且在初期投资和年维护费用方面也比其他方案多，故4台机方案不宜推荐。采用3台机(3×67 MW)方案运行较灵活，运行调度和机组检修比较方便。经初步技术经济比较，推荐采用3×67 MW方案。

表3 机组台数比较

项目(4×50MW)(3×67MW)(2×100MW)水轮机型号CJ∗∗∗—L—168/6×13 9CJ∗∗∗—L—205/6×16 6CJ∗∗∗—L—237/6×19 6单台水轮机价格/万元160020002500发电机型号SF50—10/3800SF67—12/4450SF100—14/5400单台发电机价格/万元6158401200进水阀型号QF800—WY—110QF800—WY—140QF800—WY—180单台进水阀价格/万元250300400调速器型号CJT6/6—6 3CJT6/6—6 3CJT6/6—6 3单台调速器价格/万元8090100起重机型号125/32/5t，Lk=14 5m160/32/5t，Lk=16 5m250/50/10t，Lk=18 5m起重机价格/万元200300440机电设备总投资/万元282852641625424厂房土建总投资/万元511449834904投资差额/万元+20000-1071

5 水斗式水轮机参数的选择

水轮机参数的选择不仅与水头有关，还与单机容量、额定转速、过机泥沙含量、出力变化要求等因素有关。

5.1 单喷嘴比转速选择

哈尔滨电机厂统计公式ns1=284.2H-0.4388=17.1 m·kW。

挪威“免气蚀曲线”ns1=20 m·kW。

若比转速取在21.5 m·kW左右，则机组转速为600 r/min，转轮节圆直径D1=2 050 mm，水轮机在额定工况下的射流直径d0=166 mm，故D1/d0=12.35。实践中D1/d0的取值范围为10～18，转轮斗叶的应力水平与水头成正比；而与D1/d0的平方成反比。为使斗叶应力保持在允许的水平，高水头水轮机应选择相对较大的D1/d0值。采用21.5 m·kW左右的比转速已经使D1/d0值处于下限范围。技术交流时国外厂商认为对于水头范围为607～665 m的公格尔水电站水轮机来说，比转速21.5 m·kW(转速600 r/min)过高，主要因为斗叶工作应力太高，已经达到要保证斗叶寿命而必须采取特殊措施的程度。根据他们的经验，为保证水电站长期稳定运行，不推荐21.5 m·kW的比转速。

因此，推荐水轮机单喷嘴比转速为17.76 m·kW，机组转速为500 r/min。

5.2 喷嘴数选择

根据计算，本电站水轮机可以选择5或6个喷嘴数，按水轮机68.72 MW出力进行分析比较(见表4)。

表4 5喷嘴和6喷嘴方案机组参数比较

Nr/MW喷嘴数nr/(r·min-1)Qr/(m3·s-1)d0/mmD1/mmD1/d0ns/m·kWns1/m·kW68 725428 612 66176212312 0637 5216 7868 72650012 66166205012 3543 7517 76

由表4可知，5喷嘴水轮机的转轮节圆直径大、转速低，同时由于转速降低将导致发电机尺寸增加，一方面增大了机组投资，另一方面将增加厂房尺寸和开挖量。另外，根据制造厂提供的资料，6喷嘴水斗式水轮机的效率要高于5喷嘴水斗式水轮机，并且6喷嘴水斗式水轮机在调节负荷时可对称切除喷嘴，从而不给轴承造成附加载荷。

基于以上原因，故水斗式水轮机暂按6个喷嘴进行参数计算。

5.3 水斗式水轮机型式和主要参数

水轮机型号为CJ***—L—205/6×16.6，转轮节圆直径2 050 mm，射流直径166 mm，喷嘴数6个，水斗数22个，额定流量12.66 m3/s，额定转速500 r/min，飞逸转速935 r/min，额定功率68.72 MW，额定工况点效率91.42%，最高效率91.99%，排出高度+3.0 m。

6 安装高程的确定

水斗式水轮机的安装高程由排出高度hp和最高尾水位确定，确定安装高程时应保证在任何工况下尾水渠保持足够的通气高度，hp一般为(1.0～1.5)D1，暂定hp为3.0 m(1.5D1)；下游最高尾水位为2 627.34 m，故水轮机安装高程为(2 627.34+3)m=2 630.34 m。

7 结 语

公格尔水电站属高水头电站，通过对机型的比选，并结合电站自身特点，对水轮机参数进行了优化，为该电站今后长期安全稳定运行奠定了基础。

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责任编辑 吴 昊

收稿日期：2017-05-03

作者简介：安 刚(1975-)， 男，高级工程师，主要从事水电站水力机械设计工作。 E_mail：[e-mail]