廣西柳江紅花水電站燈泡貫流式水輪機(jī)主要參數(shù)選擇

1、 廣西柳江紅花水電站燈泡貫流式水輪機(jī)主要參數(shù)選擇翁映標(biāo) 楊類琪（中水珠江規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)公司 廣州 510610）摘要 紅花水電站于1998年3月完成初步設(shè)計(jì)工作，推薦采用6臺燈泡貫流機(jī)組，單機(jī)容量38.34MW，額定水頭12.80m，轉(zhuǎn)輪直徑D1=6.10m（轉(zhuǎn)輪槳葉4個(gè)），額定轉(zhuǎn)速100r/min，水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速816mkW。2003年7月重新編制初步設(shè)計(jì)報(bào)告，本文結(jié)合初設(shè)工作，參照現(xiàn)階段國內(nèi)外燈泡貫流機(jī)組的轉(zhuǎn)輪資料，對水輪機(jī)的主要參數(shù)進(jìn)行選擇。關(guān)鍵詞 燈泡貫流 水輪機(jī) 主要參數(shù) 選擇1 工程概況紅花水電站是柳江規(guī)劃的最后一梯級，是以發(fā)電、航運(yùn)為主兼顧灌溉、旅游、養(yǎng)殖的綜合利用工程。電站正常蓄水

2、位77.50m，裝機(jī)容量220MW，最大毛水頭17.0m，加權(quán)平均水頭14.48m，最小凈水頭10.42m，通航基流192m3/s，電站保證出力27.44MW。水庫具有日調(diào)節(jié)能力，電站枯水期可投入系統(tǒng)調(diào)峰運(yùn)行，調(diào)峰能力為220MW。紅花水電站于2003年1月重編可行性研究報(bào)告完成初步設(shè)計(jì)，機(jī)組整機(jī)設(shè)備擬采用國內(nèi)招標(biāo)，可采用進(jìn)口轉(zhuǎn)輪，機(jī)組參數(shù)按當(dāng)時(shí)國內(nèi)外具有的設(shè)計(jì)和制造燈泡機(jī)組能力的水平進(jìn)行選擇的。電站基本參數(shù)上游水位 校核洪水位 （P=0.1%） 91.52m 設(shè)計(jì)洪水位 （P=1%） 86.43m 正常蓄水位 77.5m下游水位 校核洪水位（P=0.1%） 90.95m 設(shè)計(jì)洪水位（P= 1

3、%） 86.05m 正常尾水位 63.94m（額定水頭對應(yīng)的下游水位） 最低尾水位 60.73m （相應(yīng)于最小通航流量192m3/s，已考慮下游下切影響）電站水頭 最大毛水頭 17.0m加權(quán)平均水頭 14.48m設(shè)計(jì)水頭 13.30m最小凈水頭 10.42m 廠房布置型式 河床式 裝機(jī)容量 220MW 多年平均發(fā)電量 88029萬kW·h 年利用小時(shí)數(shù) 4001h 2 水輪機(jī)主要參數(shù)選擇 初步設(shè)計(jì)階段，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果，本電站確定采用6臺機(jī)組方案，單機(jī)容量36.67MW，額定水頭為13.30m.2.1可采用的轉(zhuǎn)輪型號本電站的運(yùn)行水頭為17.0m10.42m，宜采用燈泡式貫流機(jī)組。適

4、用于本電站水頭段的燈泡機(jī)轉(zhuǎn)輪有國內(nèi)早期的GZTF07、GZSK111B、GZF02型轉(zhuǎn)輪；現(xiàn)階段國內(nèi)合資公司采用的國外轉(zhuǎn)輪GZ4BN31等、國內(nèi)廠家與國外廠家技術(shù)合作采用的國外轉(zhuǎn)輪GZ996、GZB14、GZD320等，這些轉(zhuǎn)輪的模型參數(shù)列于表1。GZTF07、GZSK111B、GZF02這三個(gè)型號的國產(chǎn)轉(zhuǎn)輪同源于馬跡塘電站引進(jìn)的K89/4a轉(zhuǎn)輪，其參數(shù)相當(dāng)于國外二十世紀(jì)七、八十年代的水平。以GZTF07轉(zhuǎn)輪與GZ996、GZB14、GZ4BN31、GZD320等轉(zhuǎn)輪相比，參數(shù)水平較低，主要表現(xiàn)在模型效率低，最優(yōu)工況模型效率約低11.5%，一般設(shè)計(jì)計(jì)算工況約低0.853.0%，而空化系數(shù)也高。

5、GZ996、GZB14、GZ4BN31、GZD320等轉(zhuǎn)輪已應(yīng)用于國內(nèi)大中型燈泡貫流式電站，可以作為初設(shè)階段本電站水輪機(jī)參數(shù)選擇的依據(jù)。2.2比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù) 水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K是衡量水輪機(jī)能量特性、經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性的綜合性指標(biāo)，反映了設(shè)計(jì)，制造技術(shù)水平。大容量機(jī)組為縮小機(jī)組及廠房尺寸，節(jié)省投資，提高電站的經(jīng)濟(jì)效益，在可能的條件下，傾向于選擇較高的比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K。因此，隨著水輪機(jī)設(shè)計(jì)制造水平的提高，水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)有所提高。但是比轉(zhuǎn)速ns的提高受到水輪機(jī)強(qiáng)度、空化性能、泥沙磨損、運(yùn)行穩(wěn)定性等因素的制約，不能單方面追求過高的指標(biāo)。所以需要針對電站的具體情況，對水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速n

6、s值及比轉(zhuǎn)速系數(shù)K進(jìn)行綜合分析比較，確定合適的指標(biāo)。表1 適用于紅花電站的部分燈泡機(jī)轉(zhuǎn)輪模型參數(shù) 轉(zhuǎn)輪型號項(xiàng) 目TF07GZB14GZ4BN31GZ996GZD320 推薦使用水頭(m)1818202018轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)4/164/164/164/164/16輪轂比0.400.380.380.380.38模型轉(zhuǎn)輪直徑(mm)300365350350340最優(yōu)工況n10 (r/min)157148160158154Q10(m3/s)1.801.781.701.761.70Tmo（%）92.694.094.0994.093.85om0.770.7表2列出國內(nèi)部分大型燈泡貫流機(jī)組的比轉(zhuǎn)速ns值和K值，其

7、中比轉(zhuǎn)速ns值在801m·kW995m·kW（其相應(yīng)機(jī)組額定水頭為14.0m9.70m），比速系數(shù)K值在27513099之間。機(jī)組額定水頭越高，比轉(zhuǎn)速越低，但隨著時(shí)間的推移有不斷增大的趨勢。表3 列出國內(nèi)部分制造廠家為紅花水電站提供的機(jī)組主要參數(shù)，其中比轉(zhuǎn)速ns值在776.9 m·kW 883.2 m·kW之間。按四葉片的經(jīng)驗(yàn)公式ns2500H-0.4,可得ns值為887.9 m·kW?？紤]到目前國內(nèi)引進(jìn)轉(zhuǎn)輪的比轉(zhuǎn)速約為858mkW996mkW，且本電站的額定水頭比較高，經(jīng)分析比較，本電站水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速ns值宜選定在890m·kW左右

8、，比速系數(shù)K值為3245左右。2.3單位轉(zhuǎn)速及單位流量根據(jù)確定的比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K，按公式ns=3.13n1，計(jì)算出水輪機(jī)的單位流量Q1和單位轉(zhuǎn)速n1。 為了減小發(fā)電機(jī)尺寸，宜加大單位轉(zhuǎn)速，為了減小轉(zhuǎn)輪直徑，應(yīng)提高Q1值，但Q1值較大將引起z值較大，從而引起較大的開挖量和土建投資，因此單位流量Q1和單位轉(zhuǎn)速n1應(yīng)進(jìn)行合理的匹配，使電站的投資節(jié)省，運(yùn)行安全穩(wěn)定。從表2列出的國內(nèi)部分已運(yùn)行或擬運(yùn)行的大型燈泡貫流機(jī)組的參數(shù)可以得出，單位轉(zhuǎn)速為171.7 r/min 199.6 r/min，單位流量為2.351m3/s3.305m3/s。從表3可以看出，國內(nèi)部分制造廠家為紅花水電站提出的單位轉(zhuǎn)速為

9、160r/min 177.2r/min，單位流量為2.554m3/s2.723m3/s。按國外專家推薦的計(jì)算公式n1=(620-10Hp)/3，Q1(n1-55)/50，可得n1為162.3 r/min， Q1為2.147 m3/s，計(jì)算結(jié)果，參數(shù)偏低。結(jié)合轉(zhuǎn)輪軸面流速Vm和轉(zhuǎn)輪輪轂比d的取值范圍（Vm取13m/s15m/s，d取0.38），Q1值可取2.394m3/s2.763m3/s 表2 國內(nèi)部分已投產(chǎn)或即將投產(chǎn)的大型燈泡式機(jī)組主要參數(shù) 電站名稱參 數(shù)百龍灘（廣西）京南（廣西）桐子壕（四川）尼那（青海）飛來峽（廣東）金銀臺轉(zhuǎn)輪型號GZB34GZD320GB4BN31GZKR4/20槳葉/

10、導(dǎo)葉（數(shù)）4/164/164/164/164/164/16水輪機(jī)額定出力（MW）33.035.4037.140.835.7340.8臺 數(shù)623443水頭最大水頭（m）18.014.5014.8018.114.0615.9額定水頭Hr（m）9.7011.010.0148.5313最小水頭（m）3.03.04.203.613.0轉(zhuǎn)輪直徑D1（m）6.406.306.806.07.06.3額定轉(zhuǎn)速nr(r/min)93.8088.2483.3107.183.3100額定流量Qr(m3/s)377.5351.1405316.7425341.35水輪機(jī)最高效率（%）95.2095.2096.0895.

11、7095.06飛逸轉(zhuǎn)速(r/min)310240 /250吸出高度Hs(m)-12.0 *-12.6-7.45額定點(diǎn)參數(shù)單位轉(zhuǎn)速(r/min)192.75167.61179.1171.7199.6174.7單位流量(m3/s)2.9592.6672.76972.3513.3052.385水輪機(jī)效率（%）91.8793.7593.3894.6090.5594.45模型空化系數(shù)2.60比轉(zhuǎn)速ns（m·kW）995829.69018011080820比轉(zhuǎn)速系數(shù)K值309927512849299731542957發(fā)電機(jī)單機(jī)額定容量(MW)3234.536403540額定效率（%）97.097

12、.098.098.19898.1額定功率因數(shù)0.950.920.920.900.92水輪機(jī)制造廠家日本富士/中國雙富伏依特（奧）Andritz/東方電機(jī)天津阿爾斯通奧鋼聯(lián)Andritz/東方電機(jī)投產(chǎn)時(shí)間1996年1997年正在制造正在制造1998年10月正在制造*- 計(jì)算至轉(zhuǎn)輪中心以上（D1/4）處 表3 國內(nèi)部分制造廠家為紅花水電站提供的機(jī)組主要參數(shù) 制造廠家參 數(shù)天津阿爾斯通東方電機(jī)雙富公司轉(zhuǎn)輪型號GZ4BNHHGZD320GZB14槳葉/導(dǎo)葉4/164/164/16水輪機(jī)額定出力(MW)42.738*37.642.607臺 數(shù)666水頭最大水頭（m）17.017.017.0額定

13、水頭（m）12.8012.8013.30最小水頭（m）14.4214.4214.42轉(zhuǎn)輪直徑(m)6.305.805.60額定轉(zhuǎn)速(r/min)90.91107.1115.4額定流量(m3/s)362.6319311.4水輪機(jī)最高效率(%)95.2895.7595.3飛逸轉(zhuǎn)速(r/min)268協(xié)聯(lián)破壞320353允許吸出高度（至主軸中心線）(m)-11.0-13.0-14.12額定點(diǎn)參 數(shù)單位轉(zhuǎn)速(r/min)160173.6177.2單位流量(m3/s)2.55352.6512.723水輪機(jī)效率(%)94.2494.193.13模型空化系數(shù)比轉(zhuǎn)速（m·kW）776.9858.28

14、83.2發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)型號SFWG41.7-66/6760SFWG36.7-56/6450SFWG36.67-52/5950單機(jī)容量(MW)41.6736.6736.67額定效率(%)97.5>9897.0發(fā)電機(jī)功率因數(shù)0.950.950.95*-天津阿爾斯通提供的資料為電站裝機(jī)容量250MW，裝機(jī)臺數(shù)6臺的機(jī)組主要參數(shù) 由于本電站的水文特點(diǎn)，機(jī)組在較高水頭運(yùn)行的時(shí)間較長，單位轉(zhuǎn)速n1的選擇應(yīng)使水輪機(jī)在較高水頭運(yùn)行時(shí)處于高效率區(qū)。同時(shí)，單位流量Q1的選擇應(yīng)使水輪機(jī)在額定工況點(diǎn)運(yùn)行時(shí)具有較高的效率，運(yùn)行穩(wěn)定，且空化性能好。根據(jù)選定的比轉(zhuǎn)速值890m·kW左右、以及現(xiàn)階段國內(nèi)相同水頭

15、段水輪機(jī)的使用情況，國內(nèi)水輪機(jī)的制造水平，國內(nèi)部分制造廠家為本電站提供的資料，結(jié)合本電站的水質(zhì)情況。經(jīng)分析比較，確定本電站水輪機(jī)額定工況的單位轉(zhuǎn)速為180 r/min左右，單位流量為2.70m3/s左右。2.4水輪機(jī)效率水平表2所列的國內(nèi)部分已投產(chǎn)或即將投產(chǎn)的大型燈泡式水輪機(jī)額定工況的原型效率為91.87%94.45%，最優(yōu)工況原型效率為95.06%96.08%。國內(nèi)部分制造廠家為本電站提出的水輪機(jī)額定工況原型效率為93.13%94.24%，最優(yōu)工況原型效率為95.28%95.75%。按國內(nèi)外研究制造水平，模型最優(yōu)效率均已超過93.5，因此，本水輪機(jī)模型預(yù)期最優(yōu)效率應(yīng)不低于94，模型水輪機(jī)額定

16、點(diǎn)效率不低于91.9。水輪機(jī)效率修按最優(yōu)點(diǎn)等值修正，暫取效率修正值為1.8%，相應(yīng)原型水輪機(jī)額定點(diǎn)效率為93.70，原型最高效率為95.8%。 發(fā)電機(jī)的額定點(diǎn)效率暫取為97.6。2.5轉(zhuǎn)輪直徑根據(jù)轉(zhuǎn)輪直徑的計(jì)算公式D1=，得D1=5.589m（其中，單機(jī)容量N 36670kW，單位流量Q1=2.70m3/s）取Dl=5.60m，相應(yīng)單位流量Q1=2.6896m3/s額定工況單位流量與最優(yōu)工況單位流量之比主要都集中在1.65左右，初選本電站模型水輪機(jī)的最優(yōu)單位流量Q10約為1.65m3/s左右。2.6額定轉(zhuǎn)速根據(jù)ns=890m.kW，ns=3.13n，則n1=179.1r/min，以此選擇機(jī)組轉(zhuǎn)

17、速n=116.6r/min，可供選用的額定轉(zhuǎn)速有115.4r/min和125r/min二檔，對應(yīng)的比轉(zhuǎn)速ns分別為880mkW和954mkW，K值分別為3209和3479。其中125r/min轉(zhuǎn)速對應(yīng)的參數(shù)偏高。為了進(jìn)一步驗(yàn)證機(jī)組額定轉(zhuǎn)速的合理性，本階段選擇107.1r/min、115.4r/min和125r/min三個(gè)轉(zhuǎn)速方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，結(jié)果列于表4。 表4 機(jī)組額定轉(zhuǎn)速比較 轉(zhuǎn)速方案項(xiàng)目107.1r/min115.4r/min125r/min安裝高程(m)49.5949.5949.29機(jī)電設(shè)備投資差值(萬元)+364-370金屬結(jié)構(gòu)投資差值(萬元)0+31靜態(tài)總投資差值(萬元)+36

18、4-339多年平均電量差值(萬kW·h)+58 -555備 注推薦方案一般的，隨著轉(zhuǎn)速的提高，允許的安裝高程也隨之降低，土建工程量和金屬結(jié)構(gòu)工程量略有增加，機(jī)電設(shè)備投資和年均電量略有減少。經(jīng)比較，本電站機(jī)組額定轉(zhuǎn)速對電站實(shí)際安裝高程沒有實(shí)質(zhì)性影響，土建投資基本相同。從比較結(jié)果可以看出，與115.4r/min方案相比，107.1r/min方案的年均電量雖能增加58萬kW·h，但發(fā)電機(jī)造價(jià)也約增加364萬元；而125r/min方案的電站靜態(tài)投資雖可減少339萬元，但相應(yīng)的電站年均電量也約減少555萬kW·h。因此取nr=115.4r/min，相應(yīng)的額定工況單位轉(zhuǎn)速n1

19、1=177.2r/min。對于燈泡貫流式機(jī)組，額定工況單位轉(zhuǎn)速宜高于最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速，一般取n1（1+k）n10，由于本電站最低水頭相對較高，大部分時(shí)間在高水頭段運(yùn)行，最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n10宜偏近最大水頭工況，最大凈水頭16.74m，對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速為157.9r/min。取k=0.10，則最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n10=161r/min。2.7 安裝高程的確定燈泡式貫流機(jī)組的安裝高程應(yīng)同時(shí)滿足在各種可能出現(xiàn)的運(yùn)行工況下避免空蝕的要求及尾水管出口最小淹沒深度的要求。由于本電站的水頭較高，機(jī)組安裝高程由避免空化的條件決定。結(jié)合紅花機(jī)組研討會各參會制造廠提供的資料，確定本電站水輪機(jī)吸出高度計(jì)算公式（Hs=10-/900

20、-Km H）中的K1.05，m1.5，水輪機(jī)空蝕應(yīng)考慮至轉(zhuǎn)輪頂點(diǎn)（D1/2），安裝高程AN下HsD1/2.對電站各種特征運(yùn)行工況的計(jì)算分析表明，以正常發(fā)電工況(上游水位為正常高77.5m，相應(yīng)下游尾水位63.94m) 6臺機(jī)組額定工況運(yùn)行對應(yīng)的吸出高度最小，允許安裝高程也是最低的，考慮到電站下游沖刷后水位下降，以及廠房地質(zhì)條件需要深挖回填等因素，安裝高程暫定為49.59m（機(jī)組軸線高程）。 為了進(jìn)一步論證安裝高程的合理性，本階段對安裝高程分別為49.59m、49.09m及48.59m三個(gè)方案的多年平均電量及相應(yīng)的廠房土建投資進(jìn)行比較，結(jié)果列于表5。 表5 安裝高程比較項(xiàng)目方案一方案二方案三安裝

21、高程(m)49.5949.0948.59年電量差值(萬kW.h)-105+103年均電量收入差值(萬元)-42+41.2廠房土建投資差值(萬元)-352+314降低安裝高程主要是汛期可以增大機(jī)組的過機(jī)流量，減少棄水，獲得更多的汛期電量。由于本電站低水頭大流量棄水發(fā)電工況的時(shí)間較短（凈水頭10.42m以下因水庫調(diào)度而棄水，水頭迅速減低，機(jī)組停止運(yùn)行），且降低安裝高程后水輪機(jī)的過流量受導(dǎo)葉開度的限制，能增加的電量有限，比較結(jié)果表明，隨著安裝高程的降低，年均電量和廠房土建投資均有增加，經(jīng)濟(jì)效益不明顯。同時(shí)，考慮到本電站下游洪水位較高，為減少機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)的軸向反推力，安裝高程又不宜定的太低。經(jīng)與相關(guān)專

22、業(yè)協(xié)商、綜合評比后，確定本電站的安裝高程為49.59m。2.7模型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪參數(shù)綜合以上分析，本電站預(yù)期的模型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪參數(shù)如下：最優(yōu)點(diǎn)工況： 轉(zhuǎn)輪槳葉數(shù)Z=4(個(gè))最優(yōu)單位流量Q1'=1.65m3/s最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n10=161r/min最高模型效率nax=93% (2)額定點(diǎn)工況：比轉(zhuǎn)速 ns=880m.kw比轉(zhuǎn)速系數(shù)K=3209單位流量Q1'=2.6896m3/s單位轉(zhuǎn)速n1=177.2r/min模型效率m=91.9裝置空蝕系數(shù)z1.60 2.8 初設(shè)階段選定的原型水輪機(jī)主要參數(shù)： 水輪機(jī)型號 GZ( 880)-WP-560轉(zhuǎn)輪槳葉數(shù) 4個(gè)轉(zhuǎn)輪直徑D1 5.60m水輪機(jī)額定出力Pt 37572kW水輪機(jī)臺數(shù) 6臺最大毛水頭Hmax 17.0m額定水頭Hr 13.30m 最小水頭Hmin 10.42m 額定流量Qr 307.3m3/s額定轉(zhuǎn)速nr 115.4r/min 水輪機(jī)最高效率tmax 95.80%水輪機(jī)額定效率tR 93.70%飛逸轉(zhuǎn)速nf 21