定曲河梯级古学水电站水轮机参数选择探究(共8页)

1、 定曲河梯级(tj)古学水电站水轮机参数(cnsh)选择探究 付心春(中南(zhn nn)勘测设计院有限公司宜昌设计院 湖北 宜昌 443002)摘 要 根据水头范围选择水轮机模型转轮， 合理选择水轮机参数对机组的运行至关重要， 文章对所选择的水轮机参数进行综合论证，以确保所选的水轮机对本电站来说是合适的。关键词 水轮机 水头 模型转轮 比转速 气蚀工程概述古学水电站位于四川省甘孜藏族自治州得荣县境内，是金沙江左岸一级支流定曲河乡城、得荣段梯级开发的第八级，亦为定曲河干流梯级开发的最后一级。电站采用引水式开发，坝址位于四川省得荣县奔都乡藏色桥上游1.52km处，上距得荣县城12.8km；厂址位

2、于四川省得荣县古学乡卡日共村上游350m处，上距得荣县城28.4km。古学水电站的开发任务为发电，兼顾下游生态环境用水要求。水库正常蓄水位2270.00m，校核洪水位2271.86m，总库容32.28万m3，死水位2269.00m，调节库容4.88万m3，无调节能力。电站装机两台，总装机容量90MW，为三等中型工程。年利用小时为4289/4445h(单独/联合)，多年平均年发电量3.87/4.00亿kWh(单独/联合)。电站基本参数水库水位 正常蓄水位 2270.00m 设计洪水位(P=2%) 2269.72m 校核洪水位(P=0.2%) 2271.86m 死水位 2269.00m电站尾水位

3、正常尾水位 2116.214m 最低尾水位 2115.331m 设计(shj)尾水位(P=2%) 2119.970m 校核(xio h)尾水位(P=0.5%) 2120.880m电站(din zhn)水头最大水头 153.12m加权平均水头 140.31m额定水头 131.00m最小水头 127.79m电站动能指标装机容量 45MW2台多年平均年发电量(联合/单独) 40001/38603万kWh年利用小时数(联合/单独) 4445/4289h泥沙特性坝址多年平均含沙量 0.439kg/m3坝址多年平均悬移质输沙量 83.6万t坝址多年平均推移质输沙量 16.7万t过机多年平均含沙量 0.40

4、4kg/m3过机多年平均粗粒径(d0.25mm)含沙量 0.0023kg/m3厂区气象条件多年平均气温 14.6极端最高气温 36.3极端最低气温 -8.9多年平均相对湿度 45%水轮机机型选择本电站采用引水式开发，电站水头范围为127.79m153.12m，Hmax/Hmin =153.09/127.16 # 0.00 1.20，Hr/Hw =130.5/140.74 # 0.000 0.936，Hmin/Hr =127.16/130.5 # 0.000 0.975，Hmax/Hr1.161。根据电站水头运行范围、水头变幅以及设计水头与加权平均水头的比值，水轮机可选择混流式水轮机。混流式机组

5、具有效率高、尺寸小、结构简单等特点，在国内外应用最为广泛，并有成熟的设计和运行经验。因此，本电站采用立轴混流式水轮机。水轮机预想目标参数的选择4.1比转速(zhun s)和比速系数 水轮机比转速(zhun s)ns和比速系数(xsh)K值是衡量水轮机能量特性、空蚀性能、经济性和先进性等的综合性指标，也反映了水轮机的设计制造水平。为了缩小机组及厂房尺寸，节约投资，提高电站效益，在可能的情况下，倾向于选择较高的水轮机比转速和比速系数。但是比转速的提高受到水轮机强度、空蚀性能、泥沙磨损、负荷特性及稳定运行等因素的制约，因此，为了水轮机能安全稳定运行，要综合考虑各方面的因素，确定合理的比转速和比速系数

6、，是选择水轮机的最重要的一步。表1 与古学水电站水头相近的部分已建电站水轮机比转速统计表 参 数电 站出 力Nr(MW)额定水头Hr(m)转轮直径D1(m)额定转速nr(r/min)比转速ns(m.kW)比速系数k=nsHr1/2投 产年 份天生桥二级2311764.520014819631998二 滩6121655.85142.818123241998李家峡4081226.0312519721751997天生桥一级3061115.775136.421122231998小浪底3061126.36107.117518521999涌溪三级20.831851.45600126.917262001竹格

7、多41.241332.2333.3149.917282012黑河塘44.31782.05428.6138.818522006表2 按统计公式计算的古学水电站水轮机比转速和比速系数统计公式水 头m比转速ns(mkW)比速系数K备 注ns=2357/Hr0.5381311711957统计回归方法ns=47406/(Hr+108.5)1311982266哈厂1991年建议值ns=2250 /Hr0.5131196.62250八十年代国际先进水平ns=3825/ Hr0.6181311882152东电200m水头段统计ns=2281.5 /Hr0.51311992277日立公司ns=2300 /Hr0

8、.51312012300俄罗斯 ns=3470 /Hr0.6251311651888意大利从表1中可以看出，与古学水电站水头段接近(jijn)的水轮机比转速ns的范围(fnwi)大概在140210mkW之间，相对(xingdu)应于古学水电站额定水头的比转速系数K在 =140*130.50.5 # 0 1600 =190*130.50.5 # 0 2400之间。表2计算结果显示，水轮机比速系数K主要集中在在19002300之间。 借鉴过去已建成和目前国内外水轮机开发、试验、设计、制造和运行经验，结合本电站的泥沙特性，泥沙含量比较高，泥沙中石英的含量比较大，硬度偏高，因此，减小转轮流道内的流速，

9、以尽量减小泥沙对转轮的冲刷及磨蚀影响，在选用转轮时应当降低比转速。本电站水轮机的比转速在140mkW165mkW之间比较合适，相应比转速系数为16001889之间，同时兼顾转轮的能量及其他指标。4.2 发电机同步转速 根据比转速nS=140165m.kW，按公式计算水轮机额定转速nr= =145*130.51.25/464400.5 # 0.00 288 =180*130.51.25/464400.5 # 0.00 340 r/min，可选择300r/min和333.3r/min，相应的比转速为 =300*464400.5/130.51.25 # 0.0 146.0 mkW(相应比速系数K=

10、=146.6*130.50.5 # 0 1671)和 =333.3*464400.5/130.51.25 # 0.0 162.1 mkW(相应比速系数K= =162.8*130.50.5 # 0 1855)。比较两个方案参数水平，300r/min方案比转速及比转速系数水平适中；有利于古学水电站的水力设计，也有利于机组的安全稳定运行。4.3 单位转速及单位流量 由比转速公式可知，水轮机效率改变幅度有限，因此改变比转速最有效的途径就是改变单位转速，单位流量。提高单位转速，可提高发电机同步转速，减少发电机磁极数及结构尺寸，降低发电机重量，节约电站投资，但是转速提高，使水轮机转轮出口圆周速度增加，出口

11、相对流速增加，造成流道内压力降低，对水轮机的空化性能、泥沙磨损、机组稳定运行造成不利影响，且由于转速的升高，飞逸转速增加，对机组结构部件的强度要求增加，所以单位转速不能一味的增加，受到诸多因素的约束。提高单位流量可以减少转轮直径，减少水轮机的尺寸、重量及厂房尺寸，从而节约投资，但是提高单位流量受制于水轮机流道几何尺寸，二者是矛盾的，过大的单位流量同样会造成流道内流速增加空化系数增大，水轮机空化性能降低等不利现象，还可能增大压力脉动幅值。因此，在水轮机比转速一定时，应使水轮机的单位转速，单位流量合理匹配，才能使水轮机的参数合理，具有较高的综合性能，运行更加稳定和安全。 表3为单位转速和单位流量统

12、计(tngj)公式及古学水电站n1， Qr， Q1的计算(j sun)值。表4为180220m水头(shutu)段部分模型转轮参数表。表3 单位转速和单位流量统计公式及古学水电站计算值计 算 公 式 及 来 源比转速ns(m.kW)单位转速n1(r/min)单位流量Q1(l/s)哈尔滨电机厂n1=1210(482.6-ns)-0.5146 =1210*(482.6-155)-0.5 # 0.0 65.95东方电机厂n1=50+0.11 ns14666.0前苏联统计公式n1=158.1/ H0.16514670.73美国100220 m.kW水轮机统计Qr=0.16ns1.64535146582

13、前苏联100220 m.kW水轮机统计Qr=0.1796 ns1.60845146544东方电机厂Q1=113.4(ns/(50+0.11ns)2146554注：表中H=131.0m，ns=146.0mkW。 表4 180220m水头段部分模型转轮参数表转轮型号最优工况限制工况比转速ns(mkW)导 叶相 对高 度b0/D1最 大使 用水 头(m)单位转速(r/min)单位流量(l/s)最优效率0(%)单位流量(l/s)效率(%)空化系数mA678-3771.567593.6800900.08189.90.234180JF2053-3566.557493.86700910.04166.10.2

14、0190A339-5067.548092.758088.80.08151.60.16230A575c-5066.246293.56572910.05145.80.18230 由表3可知(k zh)，水轮机最优单位(dnwi)转速为66r/min左右(zuyu)；当额定水头Hr=131.0m，ns=146mkW时，其额定点单位转速n1为65.9570.73r/min左右，限制单位流量为0.544m3/s0.582 m3/s。由表4可知，180220m水头段部分模型转轮最优单位转速为66.2 r/min71.5 r/min，多数在66 r/min左右；限制工况单位流量为0.572m3/s0.8 m

15、3/s，多数在0.57m3/s0.59 m3/s左右。限制工况单位流量与最优工况单位流量之比主要都集中在1.25左右。基于以上分析，古学水电站的最优单位转速6668r/min，最优单位流量0.46m3/s0.48m3/s， 限制单位流量0.57m3/s0.59 m3/s。4.4 水轮机效率 水轮机效率是评价水轮机能量特性的主要指标，直接影响到电站的经济效益。古学水电站以发电为主要开发任务，因此要求水轮机具有较高的效率水平。随着计算机技术的发展以及在水轮机设计上的应用，水轮机的水力设计及模型开发取得了较大的进展，开发了许多优秀的转轮，使该水头段的最高效率超过93.5%，因此，古学水电站水轮机模型

16、最高效率不低于93.5%、额定工况点不低于91%。4.5 水轮机空化系数 水轮机的空蚀性能通常用空化系数表征，空化系数的大小关系水轮机的安装高程及其使用寿命。空化系数可由比转速推导而出，世界各国根据众多的转轮用统计法得出一些经验公式，用于本电站的计算值见表5。表5 按不同公式计算的装置气蚀系数序号经验公式P取值范围备注1P =2.5610-5ns1.640.091美国垦务局2 P =7.5410-5ns1.410.085意大利KMW3 P =810-5ns1.40.086瑞典4 P =3.4610-6ns20.074日本5P =810-6ns1.8+0.010.073哈尔滨大机电研究所6P =

17、7.5610-5 ns1.40.081奥地利VOITH 注：表中ns=146.0mkW。 根据(gnj)表5计算结果，选择(xunz)水轮机装置气蚀系数P =0.080.09之间较合适(hsh)。初生和临界空化系数分别大于1.1和1.6；则模型水轮机初生空化系数i =0.0730.082，临界空化系数i =0.050.057。模型水轮机目标参数汇总综上所述，古学水电站模型水轮机基本参数范围如下：综合指标： ns=140mkW165mkW，K= 16001889最优工况：=6668r/min，=0.46m3/s0.48 m3/s ，93.5%限制工况：=0.57m3/s0.59 m3/s，91.

18、0%空化系数：P =0.080.09，i =0.0730.082，i =0.050.057 原型水轮机主要参数根据以上模型水轮机参数选择，并参考相关制造商为古学水电站做的初步选型资料，推荐古学水电站原型水轮机的主要参数如下：水轮机型号： HL（146）-LJ-260额定出力： 46.44MW额定水头： 131.00m 转轮进口直径D1： 2.6m额定流量： 38.90m3/s 额定效率： 92%最高效率： 95%额定转速： 300r/min 飞逸转速： 510 r/min吸出高度： -3.5m额定点比转速： 146 mkW额定点比速系数： 1671 结束语本电站(din zhn)地处藏区，海拔相对(xingdu)较高，汛期泥沙集中，含沙量大，这些不特定因素对水轮机参数的选择和结构设计提出了特殊要求，在参数选择时综合考虑以上因数，适当降低了水轮机的参数水平，优化结构型式