大藤峽大型軸流式水輪機(jī)參數(shù)選擇

李樹(shù)剛，李 濤，門 飛，任哲明

（1.中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，130021，長(zhǎng)春； 2.黃河小浪底水資源投資有限公司，450099，鄭州）

大藤峽水利樞紐2014 年10 月可行性研究獲得批復(fù)，2015 年2 月完成初步設(shè)計(jì)。工程規(guī)模經(jīng)過(guò)充分論證，逐步確定。 其間裝機(jī)容量考慮了800 MW、1 000 MW、1 200 MW、1 600 MW等幾個(gè)不同的階段成果。在不同階段，無(wú)論裝機(jī)容量大小， 大藤峽的大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的綜合難度均接近或超過(guò)與國(guó)內(nèi)不同時(shí)期的葛洲壩、水口、樂(lè)灘、銀盤、安谷等工程的同類機(jī)組。

水輪機(jī)的參數(shù)選擇決定了水輪發(fā)電機(jī)組的參數(shù)水平。 參數(shù)水平低，則水輪機(jī)效率稍低，但空化和穩(wěn)定性好，有利于機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。 參數(shù)水平高，則水輪機(jī)效率高，空化和穩(wěn)定性差一些，但有利于獲得更多的電能。 提高水輪機(jī)參數(shù)水平，可以減小機(jī)組尺寸和重量，同時(shí)減小廠房尺寸，節(jié)約土建工程投資，但受到機(jī)組穩(wěn)定性、設(shè)計(jì)制造能力的制約。

結(jié)合不同水電項(xiàng)目的具體條件，水輪機(jī)參數(shù)選擇研究一直在進(jìn)行，也積累了很多經(jīng)驗(yàn)。 大藤峽大型軸流式水輪機(jī)參數(shù)選擇，是尋求滿足大藤峽工程具體條件，兼顧技術(shù)先進(jìn)性和運(yùn)行穩(wěn)定性的合適水輪機(jī)方案。

一、工程概況

大藤峽水利樞紐工程是紅水河水電基地綜合利用規(guī)劃10 個(gè)梯級(jí)中最末一級(jí)，電站興建后，送電至廣西電網(wǎng)，主要承擔(dān)廣西電網(wǎng)的發(fā)電和調(diào)峰任務(wù)。 電站總裝機(jī)容量為1 600 MW， 多年平均年發(fā)電量60.55 億kWh。 電站水頭范圍為10.07～37.79 m，額定水頭25 m。 采用河床式廠房，分設(shè)于黔江主壩兩岸。 其中左岸廠房布置3 臺(tái)機(jī)組， 右岸廠房5 臺(tái)， 共8臺(tái)單機(jī)容量為200 MW 的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑10.4 m，額定轉(zhuǎn)速68.2 r/min。

電站基本參數(shù)見(jiàn)表1。

二、水輪機(jī)型式選擇

水庫(kù)為日調(diào)節(jié)水庫(kù)，發(fā)電水頭變化范圍為10.07～37.79 m，變幅較大且變化頻繁，要求水輪機(jī)既能在低水頭大流量工況下穩(wěn)定運(yùn)行，又能在非汛期擔(dān)任電網(wǎng)的調(diào)峰任務(wù)；而且為滿足航運(yùn)流量700 m3/s 的要求， 要求水輪機(jī)在高水頭部分負(fù)荷區(qū)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。 綜上，本電站選用對(duì)水頭、流量變化適應(yīng)性較強(qiáng)的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)。

表1 大藤峽水電站基本參數(shù)

三、水輪機(jī)預(yù)期參數(shù)的選擇

1.比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)

水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的提高是水輪機(jī)技術(shù)發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一，提高比轉(zhuǎn)速可減少機(jī)組尺寸，降低機(jī)組重量。 但比轉(zhuǎn)速的提高又受到水輪機(jī)空蝕、 磨損和運(yùn)行穩(wěn)定性要求限制，因此比轉(zhuǎn)速的選擇應(yīng)針對(duì)電站的具體情況進(jìn)行綜合分析比較。

為了選擇合適的比轉(zhuǎn)速， 統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)外容量相近或水頭相近的大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)，可以看出國(guó)內(nèi)外制造的大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)比速系數(shù)為2 357～3 065；國(guó)內(nèi)外制造廠為大藤峽提供的水輪機(jī)方案見(jiàn)表2，比速系數(shù)為2 525～3 030；根據(jù)常用的統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算的大藤峽水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)見(jiàn)表3，比速系數(shù)約為2 500～3 100。

從表2 所列數(shù)據(jù)來(lái)看，制造廠家為大藤峽提供的方案，比速系數(shù)多數(shù)大于2 700， 考慮到水輪機(jī)制造水平的不斷發(fā)展，并結(jié)合大藤峽電站所在河流中含有一定的泥沙， 選取ns值既要體現(xiàn)技術(shù)的進(jìn)步性又要考慮穩(wěn)定性要求，參數(shù)水平不宜過(guò)高，大藤峽水輪機(jī)比速系數(shù)宜為2 700 左右，相應(yīng)水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns宜為550 m·kW 左右。

2.水輪機(jī)效率

平班電站于2004 年投產(chǎn)運(yùn)行，其水輪機(jī)額定效率94.7%， 最高效率95.27%， 模型轉(zhuǎn)輪最優(yōu)效率92.85%；樂(lè)灘電站于2005 年投產(chǎn)運(yùn)行， 其水輪機(jī)額定效率93.28%， 最高效率95.66%， 模型轉(zhuǎn)輪最優(yōu)效率93.15%。根據(jù)目前技術(shù)水平并結(jié)合各個(gè)制造廠的咨詢意見(jiàn)，建議本電站水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪最優(yōu)效率不低于93.0%。

3.水輪機(jī)單位流量和單位轉(zhuǎn)速

比轉(zhuǎn)速確定之后，單位流量和單位轉(zhuǎn)速的匹配將直接影響電站的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 提高單位流量可以減小水輪機(jī)的尺寸和降低造價(jià)，同時(shí)減小廠房尺寸，節(jié)省土建投資。 提高單位轉(zhuǎn)速可以提高機(jī)組轉(zhuǎn)速，降低發(fā)電機(jī)重量和造價(jià)。 但隨著單位流量或單位轉(zhuǎn)速的提高，水輪機(jī)的效率和抗空蝕性能都會(huì)變差。 因此要取得較高的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，必須對(duì)單位流量（Q1′）和單位轉(zhuǎn)速（n1′）進(jìn)行優(yōu)化選擇。

根據(jù)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速與額定工況下單位流量（Q1′）和單位轉(zhuǎn)速（n1′） 統(tǒng)計(jì)關(guān)系曲線， 當(dāng)ns=550 m·kW時(shí)，Q1′=1.65m3/s，n1′=142.2r/min。 各主機(jī)廠推薦的大藤峽水輪機(jī)方案：Q1′=1.593～1.775 m3/s，n1′=132.5～153 r/min。

根據(jù)本電站的特點(diǎn)，并經(jīng)以上綜合分析比較，本階段水輪機(jī)額定工況點(diǎn)的單位流量宜控制在1.65 m3/s 左右，單位轉(zhuǎn)速宜控制在142.2r/min 左右。

4.水輪機(jī)空化系數(shù)

本電站水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns宜為550 m·kW 左右， 根據(jù)國(guó)內(nèi)外軸流式水輪機(jī)σy-ns關(guān)系曲線， 并參照國(guó)內(nèi)同水頭段性能優(yōu)良的水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪實(shí)際資料，本電站的電站裝置空化系數(shù)σy暫取0.72 左右。

綜合上述確定水輪機(jī)主要預(yù)期參數(shù)：水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速為550 m·kW，水輪機(jī)模型最高效率不低于93.0%，單位流量為1.65 m3/s， 單位轉(zhuǎn)速為142.2 r/min，裝置空蝕系數(shù)不大于0.72。

表2 國(guó)內(nèi)外廠家提供的比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)

四、結(jié)合樞紐布置進(jìn)行的機(jī)組臺(tái)數(shù)方案比選結(jié)論

初步設(shè)計(jì)階段，對(duì)于6、7、8、9 臺(tái)機(jī)組方案， 采用左岸布置3 臺(tái)機(jī)組或4 臺(tái)機(jī)組對(duì)應(yīng)的不同機(jī)組臺(tái)數(shù)組合， 共進(jìn)行了6 個(gè)方案的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。 主要從機(jī)組設(shè)計(jì)制造難度、對(duì)樞紐布置及水工建筑物的影響、對(duì)電氣主接線及電氣設(shè)備選擇的影響、施工組織設(shè)計(jì)、工程投資概算、多年平均發(fā)電量和初期發(fā)電量及經(jīng)濟(jì)計(jì)算等方面進(jìn)行了方案計(jì)算和綜合分析比較。 推薦采用8 臺(tái)機(jī)組，單機(jī)容量為200 MW，左岸3 臺(tái)、右岸5臺(tái)的布置方案。

表5 各廠商對(duì)大藤峽水輪機(jī)參數(shù)選擇方案復(fù)詢情況

表6 大藤峽水輪機(jī)主要參數(shù)

五、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪選擇

針對(duì)本電站水頭段，目前現(xiàn)有可供選 擇 轉(zhuǎn) 輪ZZ587a、ZZA833、ZZJK601、ZZJK609 等4 個(gè)轉(zhuǎn)輪。轉(zhuǎn)輪的模型主要參數(shù)見(jiàn)表4。

根據(jù)現(xiàn)有轉(zhuǎn)輪資料，ZZA833 轉(zhuǎn)輪、ZZ587a 轉(zhuǎn)輪單位流量均較大，前者效率較高，但空蝕性能稍差，后者效率偏低；ZZJK601 轉(zhuǎn)輪、ZZJK609 轉(zhuǎn)輪單位流量均較小，效率略低，空蝕性能稍好。 根據(jù)掌握的技術(shù)資料，并考慮ZZA833 轉(zhuǎn)輪的實(shí)際使用情況，經(jīng)綜合分析比較， 暫將ZZA833 型轉(zhuǎn)輪作為初步設(shè)計(jì)階段的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪。

為了進(jìn)一步優(yōu)化水輪機(jī)技術(shù)參數(shù)，本階段征詢了國(guó)內(nèi)的主要生產(chǎn)廠商，各廠商對(duì)水輪機(jī)設(shè)計(jì)方案和主要技術(shù)參數(shù)選擇復(fù)詢情況詳見(jiàn)表5。

六、水輪機(jī)主要參數(shù)

初步設(shè)計(jì)階段參考技術(shù)征詢成果, 在選定基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)分析計(jì)算， 提出了推薦水輪機(jī)主要參數(shù)（見(jiàn)表6）。目前，左岸3 臺(tái)機(jī)組已先期招標(biāo)并完成模型驗(yàn)收試驗(yàn)，第一臺(tái)機(jī)組的轉(zhuǎn)輪、座環(huán)、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、主軸等主要部件均已制造完成。

七、結(jié) 論

大藤峽電站裝機(jī)容量為1 600 MW， 采用8 臺(tái)機(jī)組， 單機(jī)容量達(dá)到200 MW， 轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)到10 m 以上。大藤峽水輪機(jī)制造難度系數(shù)很高，在同類同水頭段機(jī)組中為國(guó)內(nèi)外之最。通過(guò)對(duì)比了初步設(shè)計(jì)階段推薦的水輪機(jī)參數(shù)和左岸3 臺(tái)機(jī)組招標(biāo)定廠后通過(guò)水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)后核定的真機(jī)參數(shù)。 可以看到，大藤峽的大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)參數(shù)選擇是合適可行的，同時(shí)具備技術(shù)先進(jìn)性。 ■