规划设计 ＳＭＡＩＪＴＪ ＨＹＤＲ０ ＰＯＷＥＲ ２０１４，ｖｏ３．］ｂｔａｌ Ｎｏ１７７ 生态水电站水轮机的选型 陈前荣（杭州长河发电设备有限公司 浙江杭州 ３１００５１） 【摘要】通过在流量恒定条件下卧式混流水轮机不同选型方案的比较，对某生态水电站由于水头变幅较大而对选型 产生的影响进行了分析，在满足国家规范的前提下确定了适合此水电站最佳的选型方案。图４幅，表３个。 【关键词】生态水电站选型方案 比较 １概述 某电站为１座生态水电站（小机），是依赖其 母电站（大机）的生态放水进行发电的水电站，与 母电站同步施工建设，已正常运行近２ ａｏ该项目有 别于一般水电站，主要表现在２个方面：一是其流 量恒定（为５．２ｍ３／ｓ），不受季节等其他因素的影 响；二是水头变幅较大，其最大水头为１３４．０１ ｍ， 最小水头为６３．６８ ｉｎ。因而此水电站水轮机的选型存 在一定的特殊性。 ２发电机稳定运行分析 由水电站根据电量所确定的装机容量，再结合 水电站的水头及流量数据，初步确定发电机的型号 为ＳＦＷ６０００－－－８／２１５０。根据电磁方案计算的结果， 发电机在额定功率时的效率计算值约为９７．７％， 取９７％计算。由水轮机规范可知，混流式水轮机 长期稳定运行的最小功率不低于额定功率的４５％， 相应发电机最小输出功率在此电站中为２ ７００ ｋＷ。 出于分析方便的需要，假设发电机在额定功率及最 小功率的效率皆为９７％，则水轮机对应的额定功 率及最小功率为６ １８６、２ ７８４ ｋＷ。然后，验证发电 机在２ ７００—６ ０００ ｋＷ功率范围内效率是否在高效 区，从而确定发电机在此区间是否稳定运行。 由图１发电机效率曲线可以看出（见图１）， 发电机４０％额定负荷（２ ４０Ｏ ｋＷ）以上都是高效运 行区（效率都高于９６％），相比２ ７００～６ ０００ ｋＷ 范围更广，因此发电机在整个区间（最小功率到额 定功率）稳定运行是没有问题的。 收稿日期：２０１３—１２—１９ 作者简介：陈前荣（１９７５一），男，工程师，主要从事水轮 发电机设计工作。Ｅｍａｉｌ：ｃｈｅｎｑｉａｎｍｎｇ＠１６３．ｅｏｍ ・３０・ ３水轮机选型方案比较 首先，由于水电站流量恒定，而且电站没有较 大库容，调节能力较差，发电所需的流量由母电站 提供，有别一般水电站所强调的那样对汛期转轮过 流量有较大要求，因此没有对转轮在额定点高效区 到出力限制线的距离有一定要求。其次，水头变幅 很大，这样对加权平均水头的测定就显得较为重 要，其直接影响到设计水头的选取。最后，所选择 的转轮需要在最大和最小水头范围内都能稳定 运行。 ３．１ 方案一 此方案的特点是根据运行水头范围，水轮机配 ２个不同型号的转轮，一个型号适用在高水头情 况，另一个型号适用在低水头情况，每一个运行周 期更换转轮，以满足在不同水头段效率又高、稳定 性又好的工况。根据电站所提供的水文资料以及水 库水位变化的特点，可以发现电站在１月中旬到７ 月中旬，水头变化范围为６３．６８～１０２ ｍ；７月中旬 到次年１月中旬，水头变化范围为１０２～１３４．０１ ｎｌ。 因此可按照这２种不同的水头段，分别选择２个不 同的转轮，在低水头段的转轮最大使用水头高于 １０２ Ｉｌｌ，同时在１０２ ｍ和６３．６８ ｍ效率较高；在高水头 段的转轮最大使用水头高于１３４．０１ ｍ，在１０２ １１１和 １３４．０１ ｍ效率较高。经计算选型，在高水头段采用 ＨｌＪＡ５７５ｃ—ＷＪ一９８，低水头段采用ＨｌＪＡ７８８一ＷＪ一 ８３，保证水轮机能够在不同水头段都有较高的效率 及良好的稳定性。水轮机的结构设计制造应按高水 头段转轮进行，低水头段转轮和流道的设计应适应 高水头水轮机的结构和参数，低水头段运行时仅更 换转轮和补气接管（见表１）。 该方案设想电站在每年７月中旬以ＨＩＪＡ５７５ｃ— ＷＪ－＿９８转轮运行发电，次年１月中旬更换成 ＨＬＡ７８８一ｗ卜一８３转轮继续发电。由于是卧式机 小水电２０１４年第３期（总第１７７期） 规划设计 ＿ 一 — ｌ／ ／ ｊ／ ｆ ／ ｊ｜ ， ／ Ｉ／ 【 ７ ｌ ／ Ｉ／ ｌ图１ 发电机效率及空载曲线 比较困难，不同的转轮采用不同的流道对大机组而 表１ 方案一机型及运行方式 言更显得不太合适。而更换转轮一般对卧式机组来 说较具有优势，卧式机组由于一般装机容量不大， 普遍采用基荷运行方式，电站也为径流式电站，所 以调节能力相对来说比较差些，转轮更换也极为方 便。如果电站不是恒定流量，而且水头变幅比较 大，那选型相对来说就更麻烦些，因为还需要考虑 低水头时转轮能过较大的流量等一系列问题，这里 就不过多讨论。 组，更换转轮较为方便（只需拆下补气接管），运 ３．２方案二 用转轮拆卸工具，只需要半天时间即可完成转轮更 此方案的特点是采用１个转轮的选型方式，经 换；补气接管更换更为方便，其余部件都可通用， 过分析遴选，采用了高效转轮ＨＬＡ６８５一ＷＪ一９２。 不需要增加其他配套费用。鉴于需要增加１个 根据该电站水库水位变化的特点，在水头低于７２ ｍ ＨＬＡ７８８一Ｗ卜＿一８３转轮和补气接管，经核算所增加 最低水位时间段为４月中旬到５月中旬，即每年的 的费用约为１２万左右（转轮为全不锈钢），但每年 ５月中旬到次年的４月中旬水头变化范围为７２～ 增加了约１个半月的发电时间，总体经济效益要高 １３４．０１ ｍ。６３．６８～７２ ｍ由于已超出模型转轮综合特 了许多。同时，２个转轮都在最优效率区范围内运 性曲线范围（见图４），无法进行分析，但由于电 行，由于空蚀以及非优区工况运行对转轮叶片的损 站流量恒定，其功率估算也在额定值４５％～１００％ 害自然也就小很多，减少了对转轮的检修时间，间 范围内，故所有范围内水轮机应能够稳定运行（见 接提高了机组的运行时间。 表２）。 在恒定流量５．２ ｍ３／ｓ不变的条件下，由图２及 此方案要求转轮能够在较大水头范围内工作， 图３模型转轮综合特性曲线上所标注的运行区域可 ＨＬＡ６８５为哈尔滨大电机研究所研制，笔者所在公 以看出（见图２、图３），ＨＬＡ７８８一Ｗ卜一８３及 司也有多个项目使用过该转轮的成功经验，实践证 ＨＬＡ５７５Ｃ—ＷＪ一９８都处于比较理想的运行区域。 表２方案二机型及运行方式 虽然在低水头时的工况点离出力限制线比较近，但 由于机组流量恒定，所以就不需要按常规选型所要 求的那样，需要转轮在汛期低水头时能有较大的过 流能力，以减少弃水。一般采用这２种转轮互换运 行方案的电站不太适合立式机组，除了拆装比较麻 烦外，立式机组水轮机的机坑里衬是无法更换的， 要达到２个转轮与顶盖、底环及机坑里衬同时匹配 ・ ３１ ・ 小水电２０１４年第３期（总第１７７期） 规划设计 １．５×ｌｌ＝一６．９ ＩＴＩ 结合各厂家提出的吸出高度，要求满足水轮机 ３水轮机主要参数的确定 对孔氏吸出高度及调保计算要求，并为下阶段的设 本电站为日调节电站，且水头较低，所以应该 计留有余量，暂定水轮机的吸出高度为一７．９ ｍ。 选择转桨式转轮。由于板桥水电站的最大水头为 ２．５水轮机飞逸转速 ｌ３．８ ｍ，确定转轮叶片数为４个。对装机台数２、３、 水轮机的飞逸转速与它的转轮形式和运行水头 ４台３个方案分别从机电设备选择、土建和机电设 有关，灯泡式水轮机的飞逸转速可由统计值确定： 备投资、动能经济、厂房布置和重大件运输方案等 ， （２．５—３．５）ｎ ，飞逸转速范围在２３４．５～ 方面进行技术经济综合比较，最终确定装机台数为 ３２８．３ ｒ／ｒａｉｎ之间，参考厂家复询书以及相近电站， ３台（见表２）。 确定飞逸转速为２８５ ｒ／ｍｉｎ。 表２板桥水电站转轮参数 ４结论 ［２］沙锡林，贯流式水轮机［Ｍ］．北京：中国水利水电出版 社，１９９９． 正确的选型设计可为水利水电工程的安全投 ［３］ 朱绍臣，双岭水电站灯泡贯流式水轮机参数的选择 ［Ｊ］．人民珠江，２００８，（２）：５６—５８． 产、运行提供了巨大保障作用。通过以上方法，正 ［４］施彬，金银台水电站贯流式水轮机参数的选择［Ｊ］．水 确得出了板桥水电站水轮机的主要参数，为灯泡贯 电站设计，２００１，（１）：３７．３８． 流式水轮发电机组的选型设计提供了指导。 ［５］哈尔滨大电机研究所．水轮机设计者手册［Ｍ］．北京： 机械工业出版社，１９７６． ［６］水电站机电设计手册编写组，水电站机电设计手册：水 参考文献： 力机械［Ｍ］．北京：水利电力出版社，１９８３． ■ ［１］宋文武，水力机械及工程设计［Ｍ］．重庆：重庆大学出 版社，２００５ 责任编辑吴昊 ．址 ．址 ．址 上． 上．舢 ．址 ．址．址 ． ｊｔｊ屯Ｊ 土． ＬｊｌＬｊ 舢 Ｌ ．址．ｓｌＬ ． ． 舢．址 ．址． （上接第３３页）９ｏ％，因此水轮机导叶开度值减少 得并不多，对机组运行稳定性的影响并不大。而水 ５结语 头大于６３．６８ ｍ时，其过流能力也要大于４．７３ ｍ３／ｓ， 作为１座小型生态水电站，在水头变幅很大、 导叶开度值在整个水头范围内不会小于９０％，属 流量恒定的条件下进行的水轮机选型，有许多灵活 于稳定运行范围，这也说明电站流量恒定对机组的 方式。本文只介绍了２种方案进行比较，比较复杂 运行是十分有利的。同时，最小水头６３．６８ ｍ时的 的双挑机组方式这里就没有介绍，一般业主也难以 水轮机最小功率为２ ４０８ ｋＷ，所对应的模型工况点不 接受 如果在水头变幅较大的条件下，流量也有较 在模型曲线的左下角易振动区域。 大变化，那么上述２个方案可能就不一定够了，也 由此可以发现，方案一粗看较有特点，但没有 许需要将单机容量减小、增加机组台数或者机组采 充分考虑到电站流量恒定这一有利条件；虽然加权 用一大一小的方式来平衡流量的变化，这些都要进 平均效率可提高些，但使得结构麻烦、投资加大， 行综合经济比较后才能最终确定出一个比较理想的 设备管理也复杂些。方案二在水头变幅较大的条件 方案。 下似乎难以稳定运行，但由于流量恒定使得这一顾 一 虑得以解决。综合比较笔者认为方案二更好些，电 站成功运行后也说明了此方案的合理性。 责任编辑吴昊 ・２９・