基于龍虎山水電站水輪機選型設(shè)計

姜宏君，苑慶山

( 黑河辰能西溝水電有限責(zé)任公司，黑龍江 黑河164300)

0 概 述

龍虎山水電站( 原二道溝水電站) 位于牡丹江下游，黑龍江省林口縣境內(nèi)，距上游蓮花水電站29 km，是牡丹江梯級電站之一。電站廠房為河床式，廠房壩段位于左岸。樞紐主要建筑物包括混凝土重力擋水壩段、泄洪閘、河床式廠房，大壩全長574 m。電站總裝機容量為65 MW。電站最大水頭11 m，設(shè)計水頭7.9 m，最小水頭4.6 m，極端最小水頭3.6 m。電站以發(fā)電為主、兼有灌溉、養(yǎng)殖等綜合利用功能。

1 電站基本參數(shù)

電站基本參數(shù)包括8個方面:

1) 電站布置型式:河床式布置。

2) 裝機容量:65 MW。

3) 機組年利用小時數(shù):1 926 h。

4) 多年平均發(fā)電量:1.2524 ×108kW·h。

5) 水庫調(diào)節(jié)性能:日調(diào)節(jié)。

6) 上游水位: 校核洪水位為155.67 m( P =0.2%) ; 設(shè)計洪水位為154.11 m( P =1%) ; 正常高水位為154.00 m; 水庫死水位為153.00 m;極限最低水位為146.68 m。

7) 下游水位: 校核洪水位為155.04 m( P =0.5%) ; 設(shè)計洪水位為153.68 m ( P = 2%) ; 5 臺機發(fā)電水位為145.33 m;1 臺機發(fā)電水位為143.64 m;1 臺小機發(fā)電水位為142.88 m。

8) 電站水頭: 最大水頭為11.0 m; 額定水頭為7.90 m;最小水頭為4.60 m;極端最小水頭為3.60 m。

2 過機含沙量指標(biāo)的確定

本電站位于黑龍江省內(nèi)牡丹江干流下游，其上游有蓮花等幾座電站水庫調(diào)節(jié)，泥沙含量很小，河水多年平均含砂量0.12 kg/m3，屬少泥沙河流，故在機組選擇及參數(shù)確定上不考慮泥沙的影響。

3 電站機組臺數(shù)的確定

本電站總裝機容量為65 MW，考慮電站下游農(nóng)業(yè)用水50 m3/s全年不中斷供水要求，結(jié)合電站運行方式和經(jīng)濟性，經(jīng)綜合分析全廠設(shè)1 臺(3.5 MW) 小機組，以滿足下游農(nóng)業(yè)供水要求。

為合理確定龍虎山水電站機組臺數(shù)和單機容量，確保電站的可靠性、靈活性及綜合經(jīng)濟效益，我們對電站裝機臺數(shù)3 +1 臺、4 +1 臺和5 +1 臺機組3個方案進行了比較，結(jié)果詳見表1。

通過對各方案的綜合分析比較，可以看出，3 大+1 小方案靜態(tài)投資高、單位電能投資較高;5 大+1 小方案多年平均電能少、單位電能投資高。故推薦選用4 大+1 小機組方案。

表1 機組臺數(shù)比較表

4 水輪機型式和參數(shù)選擇

4.1 水輪機型式選擇

本電站運行水頭范圍為3.6 ～11.0 m，按《DL/T5186—2004》水力發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范4.1.1 條規(guī)定，對于最大水頭20 m及以下的徑流水電廠，宜優(yōu)先選用貫流式水輪機。

燈泡貫流轉(zhuǎn)槳式機組具有適應(yīng)水頭和出力變幅大、流道簡單、過流能力大、能量指標(biāo)高的優(yōu)勢，又因其單位流量大、單位轉(zhuǎn)速高，故水輪機、發(fā)電機的尺寸較小，重量較輕，土建工程量少。故推薦龍虎山水電站采用燈泡貫流式水輪發(fā)電機組。

4.2 水輪機參數(shù)的選擇

4.2.1 比轉(zhuǎn)速

比轉(zhuǎn)速ns及比速系數(shù)K 是水輪機的重要特征參數(shù)之一，它表征水輪機的綜合經(jīng)濟技術(shù)水平。選用較高比轉(zhuǎn)速的水輪機會帶來很大的經(jīng)濟效益，但比轉(zhuǎn)速的提高往往又受水輪機的平均效率、穩(wěn)定性、空化、磨蝕以及剛度和強度等性能的制約。所以，需針對電站的具體情況，對比轉(zhuǎn)速ns及比速系數(shù)K 進行綜合比較分析，擇優(yōu)選取。

為了分析龍虎山水電站水輪機比轉(zhuǎn)速水平，我們根據(jù)國內(nèi)外不同統(tǒng)計公式，并結(jié)合電站的具體參數(shù)進行了計算，計算的水輪機比轉(zhuǎn)速ns及比速系數(shù)K 結(jié)果見表2。

表2 不同統(tǒng)計公式計算ns值匯總表

為了更加合理的確定龍虎山水電站水輪機的比轉(zhuǎn)速nS，我們又收集和統(tǒng)計了國內(nèi)與龍虎山水電站水頭段相近的水輪機參數(shù)見表3。

表3 國內(nèi)部分大中型燈泡貫流式水輪機主要參數(shù)(1980年以后投產(chǎn))

根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)外水輪機的實際設(shè)計制造水平和國內(nèi)外已運行電站機組的統(tǒng)計資料，本電站額定水頭Hr=7.9 m，根據(jù)不同統(tǒng)計公式( 見表2) 計算取比轉(zhuǎn)速ns= 850 ～1 000 m·kW，比速系數(shù)K=2470 ～3000。

從表3 可以看出，該水頭段水輪機比轉(zhuǎn)速范圍在ns=850 ～1 100 m·kW。根據(jù)本電站水頭變幅情況和結(jié)合機組在電力系統(tǒng)中的運行特點，并考慮梯級電站的運行方式和電站裝機容量情況，水輪機比轉(zhuǎn)速不宜選擇過高。因此，本設(shè)計階段我們?nèi)∷啓C比轉(zhuǎn)速ns=850 ～900 m·kW作為預(yù)期值。相應(yīng)的比速系數(shù)K=2390 ～2530。

4.2.2 水輪機效率

根據(jù)當(dāng)前國內(nèi)外水輪機的實際設(shè)計制造水平，并考慮到國外幾個著名水輪機制造商在中國合資建廠的情況，要求水輪機額定點效率≥93.8%，最高效率≥94.6%。

4.2.3 水輪機單位流量和單位轉(zhuǎn)速

比轉(zhuǎn)速ns確定后，單位轉(zhuǎn)速n1'及單位流量Q1'的不同匹配將直接影響電站的技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)。提高單位流量可以得到較小的轉(zhuǎn)輪直徑，減小機組尺寸，縮小廠房尺寸，但同時機組的裝置空蝕系數(shù)增大，導(dǎo)致機組安裝高程降低，增加了水下部分的開挖量; 提高單位轉(zhuǎn)速可以提高機組的同步轉(zhuǎn)速，降低機組造價，但受到葉片強度、空蝕和磨損等因素的制約。所以單位轉(zhuǎn)速n1'和單位流量Q1'的合理搭配是一個較為復(fù)雜的技術(shù)經(jīng)濟比較問題。

根據(jù)瑞典專家推薦公式:( n1' =(620 ～10Hp) /3，Q1' =( n1'－ 55) /50) 計 算，n1' 值 為180.33 r/min，Q1' 值 為2.51 m3/s。

根據(jù)西北院推薦公式: ( n1' =78.95 +0.1144ns，Q1' =5.3178ns0.918/1000) 計算，n1'值在170.5 ～193.4 r/min，Q1'值在2.46 ～3.02 m3/s。

根據(jù)以上統(tǒng)計分析，初步確定龍虎山電站水輪機的單位流量Q1'值應(yīng)在2.50 ～2.90 m3/s，單位轉(zhuǎn)速n1'值在175 ～190 r/min。

4.2.4 水輪機空蝕

電站使用的裝置空蝕系數(shù)與水輪機的比轉(zhuǎn)速ns 和單位流量Q1'有關(guān)，根據(jù)西北院推薦公式( σy =1.5154ns1.712×10－5) 計算，σy 值在1.41 ～2.1。

綜上所述，水輪機預(yù)期主要參數(shù)如下:

水輪機比轉(zhuǎn)速ns:850 ～900 m·kW

水輪機額定效率:≮93.8%

水輪機最高效率:≮94.6%

單位流量Q1':2.50 ～2.90 m3/s

單位轉(zhuǎn)速n1':175 ～190 r/min

裝置氣蝕系數(shù)σy:1.41 ～2.1

4.3 水輪機模型比較選擇

本電站的水頭范圍3.6 ～11 m，根據(jù)現(xiàn)有公開的模型資料，并征詢了有關(guān)制造廠商建議，可供本電站選用的模型轉(zhuǎn)輪有GZ( B14) 、GZ995、GZTF07。本階段設(shè)計按這3個轉(zhuǎn)輪進行比選，各轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)見表4。

表4 適合于本電站的轉(zhuǎn)輪模型參數(shù)

從表4 可以看出GZB14 和GZTF07 的水輪機額定工況點比轉(zhuǎn)速較高，GZ995 較低，3個模型轉(zhuǎn)輪能量指標(biāo)及氣蝕指標(biāo)較為接近，而GZ( B14) 已應(yīng)用于廣西百龍灘、福建竹洲、浙江趙山渡等電站，運行效果較好，故推薦選用GZB14 轉(zhuǎn)輪。

小水輪機與大水輪機采用相同的轉(zhuǎn)輪，在設(shè)計水頭時小機組發(fā)出額定功率為3.5 MW，額定流量為50.12 m3/s。最大水頭時小機組發(fā)出額定功率 3.5 MW 過流量為35.67 m3/s，滿足下游供水要求。

4.4 水輪機型號確定

經(jīng)綜合考慮，層層比選，龍虎山水電站最終選定水輪機型號及主要參數(shù)如下:( 括號內(nèi)為小機組)

1) 水輪機型號:GZB14－WP－575(274) 。

2) 轉(zhuǎn)輪直徑:5.75(2.74) m。

3) 額定功率:15.968(3.636) MW。

4) 額定流量:219.66(50.12) m3/s。

5) 額定轉(zhuǎn)速:88.20(187.5) r/min。

6) 設(shè)計點單位流量:2.51(2.52) m3/s。

7) 設(shè)計點單位轉(zhuǎn)速:175.10(177.45) r/min。

8) 額定效率:93.8(93.6) %。

9) 最高效率:94.6(94.6) %。

10) 允許吸出高度:－6.76m( 至主軸中心線高程) ;－3.61m( 小機) 。

11) 額定比轉(zhuǎn)速:( 大機)841 m.kW;( 小機)853m.kW。

GZB14－WP－575( 274) 水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線分別見圖1、圖2。

圖1 GZB14－575 水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線圖

圖2 GZB14－274 水輪機運轉(zhuǎn)特性曲線圖

5 結(jié)束語

龍虎山水電站采用的GZB14－WP－575(274) 型水輪機是在綜合考慮龍虎山水電站類型、裝機容量、水頭、流量等因素后，嚴格按照國家設(shè)計規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求，借鑒國內(nèi)外機組選型經(jīng)驗數(shù)據(jù)，經(jīng)過多方案多次比選做出的正確選擇，符合設(shè)計要求，也完全滿足該電站安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行需求。

［1］柴偉，周立軍. 龍虎山水電站施工導(dǎo)流方案優(yōu)化［J］. 黑龍江水利科技，2011，39(1) :105－106.

［2］尼瑪，張巧麗. 淺談小型水電站水輪機選型設(shè)計要求［J］. 西藏科技，2009(6) :12－14.