西藏扎拉水電站沖擊式水輪機選型設計探討

何 峰，胡定輝，何志鋒，何昌炎

（長江勘測規(guī)劃設計研究有限責任公司，湖北武漢 430010）

1 工程背景

扎拉水電站是西藏自治區(qū)玉曲河干流下游河段七級開發(fā)方案中的第六級，其主要任務是發(fā)電。電站采用混合式開發(fā)方式，引水線路長約5 km，引水系統(tǒng)采用1洞1室2管4機布置。電站裝機規(guī)模（不含生態(tài)電站）為1 000 MW，采用4×250 MW 沖擊式水輪機組的裝機方案，水輪機額定功率為254.84 MW，單機容量居于國內(nèi)沖擊式機組電站的首位。

2 水輪機選型設計

2.1 基本參數(shù)

2.1.1 水位

扎拉水電站校核洪水位（P=0.1%）為2 816.25 m，設計洪水位（P=1%）為2 815.00 m，正常蓄水位為2 815.00 m，死水位為2 811.50 m，廠房處設計洪水位（P=1%）為2 120.92 m。

2.1.2 主要動能指標

扎拉水電站裝機容量為1 000 MW，最大水頭為690.55 m，加權(quán)平均水頭為675.67 m，額定水頭為667.40 m，最小水頭為677.35 m，保證出力為129 MW。

2.1.3 泥沙

多年平均過機泥沙含量為0.2 kg/m3。

2.2 水輪機選型設計特點和難點

扎拉水電站最大水頭690.55 m，水頭較高，多年平均過機泥沙含量0.2 kg/m3，泥沙含量較高，容易造成噴嘴、轉(zhuǎn)輪等過流部件嚴重磨損，水輪機性能參數(shù)不宜過高［1］。

扎拉水電站單臺水輪機的額定功率為254.84MW，單機容量大。考慮到電站以發(fā)電為主，水輪機性能參數(shù)亦不能偏低。

此外，扎拉水電站單機容量超過了國內(nèi)制造廠商已有的沖擊式水輪機制造難度系數(shù)，對于國內(nèi)制造廠商的生產(chǎn)能力是一次挑戰(zhàn)。

3 水輪機參數(shù)選擇

（1）比轉(zhuǎn)速［2-3］。沖擊式水輪機的比轉(zhuǎn)速ns與噴嘴數(shù)的平方根成正比，增加噴嘴數(shù)可提高比轉(zhuǎn)速，大型沖擊式水輪機的噴嘴數(shù)大多為4～6 個?？紤]比轉(zhuǎn)速、運行平衡性、負荷調(diào)節(jié)靈活性和穩(wěn)定性等因素，扎拉水電站推薦選擇6噴嘴水輪機。

根據(jù)理論分析和資料統(tǒng)計，單個噴嘴的比轉(zhuǎn)速在11.5～23 之間。通過統(tǒng)計公式ns1=284.2Hr-0.4388和ns1=85.49Hr-0.243的計算結(jié)果，其中Hr 為額定水頭，同時結(jié)合電站汛期含沙量較大的特性，初步確定扎拉水電站水輪機單噴嘴比轉(zhuǎn)速在15.0～19.5之間。

（2）單位轉(zhuǎn)速。沖擊式水輪機的單位轉(zhuǎn)速取決于噴嘴的速度系數(shù)和轉(zhuǎn)輪節(jié)圓線速度與射流速度的比值，一般為（38.0～41.0）r/min。水斗式水輪機基本原理模型最優(yōu)速度比為0.5，則最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速應約為41.66 r/min。近年國內(nèi)廠商制造的大容量沖擊式水輪機的單位轉(zhuǎn)速較高，如金窩電站為40.89 r/min，厄瓜多爾科卡科多-辛克雷電站為40.87 r/min。

實際水輪機在運行中會產(chǎn)生各種能量損失，按照目前的技術水平，扎拉水電站水輪機最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速在40 r/min左右。

（3）相對直徑D1/d0。D1/d0與水輪機效率、單位流量、比轉(zhuǎn)速、水力性能、水輪機結(jié)構(gòu)和機械強度等密切相關，減小相對直徑可以提高比轉(zhuǎn)速，但過多減小相對直徑，將會帶來結(jié)構(gòu)布置上的困難，水斗數(shù)少，水斗根部強度差，容易產(chǎn)生裂紋或斷斗，而且水輪機效率偏低。增加相對直徑可以提高水輪機效率，但過多增加相對直徑，將導致水輪機轉(zhuǎn)輪較薄，水斗數(shù)多，水斗尺寸小，制造困難。轉(zhuǎn)輪斗葉的應力水平與水頭成正比，而與D1/d0的平方成反比，為使斗葉應力保持在允許水平，高水頭水輪機應選擇合適的D1/d0值。

根據(jù)統(tǒng)計公式D1/d0=248.55ns1-1.055，計算得D1/d0的范圍為10～18，且真機的相對直徑應盡量與模型一致。根據(jù)已開發(fā)的轉(zhuǎn)輪資料，扎拉水電站水輪機的相對直徑在11.0～16.5之間。

（4）水輪機效率。水輪機效率是表征水輪機能量特性的重要指標，直接影響電站的發(fā)電效益。

水斗式水輪機的效率隨D1/d0的增大而提高。目前，水斗式水輪機制造水平不斷提升（D1/d0增大），水輪機模型效率不斷在提高，其平均效率在91.5%以上。本階段推薦扎拉水電站水輪機額定點效率取值不低于91.5%。

（5）排出高度。沖擊式水輪機的排出高度應考慮以下幾個方面：①尾水渠中的渦流及濺起的水花不能對轉(zhuǎn)輪起制動作用；②保證水霧消散的空間，不增加水輪機的風損；③保證必須的通氣高度，所需通氣量約為機組額定流量的70%。

排出高度對水輪機效率影響較大，如果排出高度不足，尾水位逐漸接近轉(zhuǎn)輪，水輪機效率將逐漸下降，本階段初步確定扎拉水電站水輪機排出高度為4.8 m。

（6）水輪機參數(shù)。經(jīng)分析計算，扎拉水電站水輪機主要技術參數(shù)見表1。

4 大容量沖擊式水輪機制造可行性

4.1 水輪機制造難點分析

（1）水輪機轉(zhuǎn)輪。扎拉水電站轉(zhuǎn)輪節(jié)圓直徑3.49 m，外圓直徑4.45 m，其尺寸較大，制造加工難度較高。水輪機轉(zhuǎn)輪加工工藝主要有整體鍛造+數(shù)控加工和鍛焊+數(shù)控加工成型兩種方式。

整體鍛造+數(shù)控加工成型方式，其材料致密度及綜合性能較好，內(nèi)部幾乎沒有缺陷，轉(zhuǎn)輪質(zhì)量較好。目前，鍛件最大尺寸可達5 m，滿足扎拉水電站轉(zhuǎn)輪的加工尺寸要求。

鍛焊+數(shù)控加工成型方式鍛件尺寸較小，鍛件性能容易得到保證，轉(zhuǎn)輪組裝時需要高質(zhì)量焊接，轉(zhuǎn)輪機械性能相對較低，轉(zhuǎn)輪形狀相對難控制。如果制造廠采用數(shù)控加工+無損探傷的加工手段并且能強化質(zhì)量控制，可以保證沖擊式轉(zhuǎn)輪的強度、轉(zhuǎn)輪水斗型線和精度。

扎拉水電站轉(zhuǎn)輪采用整體鍛造+數(shù)控加工或鍛焊+數(shù)控加工成型方式均是可行的。國內(nèi)廠家在厄瓜多爾美納斯項目的轉(zhuǎn)輪制造（轉(zhuǎn)輪節(jié)圓直徑2.46 m，外徑3.17 m）中成功采用了整體鍛造+數(shù)控加工工藝，轉(zhuǎn)輪已加工完成并交付業(yè)主，并形成了一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的工藝技術。鍛焊+數(shù)控加工方式對焊接質(zhì)量要求非常高，國內(nèi)制造廠尚未有大容量沖擊式水輪機應用實例。扎拉水電站轉(zhuǎn)輪推薦采用整體鍛造+數(shù)控加工的制造方式。

（2）水輪機噴嘴。前些年，國內(nèi)對沖擊式水輪機噴嘴的研究不足，大容量水輪機噴嘴的設計制造均需依靠國外技術。近年來，哈電、東電與安德里茨等水電公司合作，通過將關鍵部件分包給國外公司，學習并吸收了許多關鍵技術。

在直流噴管的設計上，由國內(nèi)設計并制造的吉牛電站的直流噴管已經(jīng)在2013 年成功投運。扎拉水電站水輪機噴嘴在國內(nèi)進行設計制造加工是可行的。

（3）配水環(huán)管。配水環(huán)管制造難度系數(shù)通常用配水環(huán)管進口斷面的最大設計（工作）水壓P（m）與進口直徑D（m）的乘積來表征。隨著機組的容量和水頭增加，配水環(huán)管制造難度系數(shù)增大，鋼板的應力水平及厚度選擇都需要慎重考慮。

表1 扎拉水電站水輪機主要技術參數(shù)

近年來，國內(nèi)廠家已具備在厄瓜多爾科卡科多-辛克雷沖擊式電站（額定功率為188.3 MW，額定水頭為604 m）中采用屈服強度為500 MPa級的鋼板進行配水環(huán)管設計制造的能力［4］。在混流式抽水蓄能電站如仙居、敦化（制造難度系數(shù)為2415）等項目上，鋼岔管采用800 MPa級鋼板，國內(nèi)廠家也擁有成熟的焊接工藝及制造能力。

扎拉水電站配水環(huán)管制造難度系數(shù)為1920，在國內(nèi)生產(chǎn)的沖擊式機組中最大，但相較于混流式機組，其制造難度不大，國內(nèi)廠家已經(jīng)具備成熟的設計和制造能力。

4.2 水輪機國內(nèi)制造可行性分析

經(jīng)過調(diào)研，國內(nèi)外已投產(chǎn)單機功率100 MW 以上沖擊式機組統(tǒng)計情況見表2。

從上述統(tǒng)計表可以看出，目前世界上使用水頭最高、容量最大的沖擊式水輪機以瑞士畢奧德隆水電站為代表，該電站水輪機額定容量為423 MW，額定水頭1 869 m。

我國沖擊式水輪發(fā)電機組起步較晚，但近年發(fā)展迅速，與國外公司合作生產(chǎn)的田灣河大發(fā)電站單機功率120 MW、四川仁宗海電站單機功率120 MW、四川金窩電站單機最大功率160 MW，為厄瓜多爾辛克雷水電站生產(chǎn)的8 臺單機功率187.5 MW 的沖擊式機組均已投入運行。與沖擊式水輪機配套的發(fā)電機在國內(nèi)具有成熟的設計制造經(jīng)驗。

扎拉水電站單機功率250MW，相關設置與設計和制造在國際上具有成熟的經(jīng)驗，對于國內(nèi)廠家來說，這是一次對其制造和生產(chǎn)能力的挑戰(zhàn)。目前，國內(nèi)廠家在大容量水輪機轉(zhuǎn)輪、噴嘴和配水環(huán)管制造等關鍵技術上已經(jīng)積累了大量經(jīng)驗，因此，扎拉水電站水輪機立足于國內(nèi)完成設計制造，技術上是可行的。

5 結(jié) 語

（1）在考慮經(jīng)濟效益最大化和保證電站安全穩(wěn)定運行的基礎上，確定了扎拉水電站沖擊式水輪機主要參數(shù)，其方法和思路可為類似高水頭大容量沖擊式水輪機的選型設計提供參考。

（2）經(jīng)過調(diào)研，國外具備大容量沖擊式機組設計能力，但國內(nèi)廠家通過在多個項目中與國外廠家的合作，引進、消化沖擊式水輪機設計制造關鍵技術，積累了一定的沖擊式機組結(jié)構(gòu)設計經(jīng)驗。國內(nèi)廠家的機加工設備種類齊全，并均已建有沖擊式水輪機模型試驗臺，積累了一定的沖擊式水輪機模型水力設計經(jīng)驗。扎拉水電站254.84MW沖擊式水輪機可以立足于國內(nèi)完成設計制造，提高我國在沖擊式水輪機方面設計制造水平，進而加強我國裝備制造能力。

表2 單機功率100 MW以上沖擊式機組統(tǒng)計