皂市水利枢纽水轮发电机组选型及优化设计

　　摘要：皂市水电站的运行以防洪为主，并承担湖南电网的调峰任务。皂市水电站装机仅2台，保证出力小，所以要尽可能通过日调节方式使电站承担调峰任务；电站水头变幅大，极限最大与最小水头比值达1.88，水轮机在高水头部分负荷区运行时间长，这些都是水轮机选型设计时应考虑的因素。通过对皂市水利枢纽运行特点分析，以及模型试验，业主于2004年通过招标确定了皂市水利枢纽水轮发电机组的类型，使机组的运行性能得到较大提高。

　　关键词：选型优化设计；稳定性分析；水轮机；皂市水利枢纽

　　中图分类号：TV734.21 文献标识码：A 文章编号: 1001 - 4179 (2009) 02 - 0034 - 03

　　1 电站运行特点

　　皂市水利枢纽是一座以防洪为主，发电服从防洪的水利工程，为了满足澧水尾闾地区防洪的需要，水库从4月初至7月底一般维持防洪限制水位125m运行，8月初开始蓄水，8月10日允许蓄至正常蓄水位140m。发电供水时在不低于保证出力的前提下，水库尽量维持在较高水位运行，若水库水位超过调度线，则加大出力，3月底库水位降低至死水位。

　　根据皂市水电站丰、平、枯水年旬平均水能统计分析，旬平均水头在额定水头以上的运行几率为61.1%，在水头60m以上运行的几率为24.1%，也就是说，电站在高水头、部分负荷区运行时间较长。

　　电站建成后接入湖南省电网，全年大部分时间参与湖南电网的调峰，每天开停机次数多、机组增减负荷频繁，要求机组能在尽可能大的负荷范围内稳定运行，以最大限度地满足电网的调度要求。电站保证出力小，仅为电站装机容量的15.3%，枢纽近期无航运要求，灌溉引用流量也很小，因此电站应通过日调节尽可能获得最大调峰能力。

　　皂市水库库容较大，大部分来沙淤积在库区，水库运用初期20a末排沙比为39.9%，运用100a末排沙比也仅为40.7%，大部分泥沙仍淤积库内。按坝址处多年平均含沙量0.552kg/m3计算，水库运用100a过机水流含沙量约为0.225kg/m3，这对水轮机长期运行的危害较小。

　　2 水轮发电机优化选型设计

　　2.1 需考虑的因素

　　（1）电站在满足防洪要求的前提下要在电网中承担调峰作用。由于电站装机台数少（仅2台）、电站保证出力小（仅为1台机组额定容量的30.7%），因而应尽可能通过日调节方式，使电站在系统中承担调峰负荷，改善机组运行条件。

　　（2）电站水头变幅大。电站水头变幅超过岩滩和五强溪电站，极限最大与最小水头的比值达1.88，最大小头与最小水头的比值达1.80，极限最大水头、最大水头、最小水头与额定水头的比值分别为1.372、1.312、0.728，水轮机运行水头范围很宽，因此必须注意水轮机在高水头区间运行的稳定性。

　　（3）水轮机在高水头部分负荷区运行时间长。皂市电站机组特定的运行条件可能对水轮机的水力稳定性产生十分不利的影响，因此，选择水轮机参数时应将水轮机的运行稳定性放在首位，在电站水轮机参数选择、模型试验到原型水轮机的设计等过程中，应认真研究各种措施，以确保机组的安全、稳定运行，延长机组的使用寿命。

　　（4）机组设置最大出力。由于水轮机最大水头偏离额定水头较远，为扩大水轮机的稳定运行区间，根据业主要求以及尽量增加皂市电站的调峰效益，在基本不改变机组尺寸和不影响厂房布置的情况下，增大机组出力10%左右，提高高水头区间机组运行的稳定性，并增大电站的调峰容量，提高机组的运行效率。

　　2.2 水轮机参数水平

　　皂市水利枢纽水头变化范围为34.4-68.6m，属中低水头范围，较适用混流式水轮机。根据统计，国内外近年来投产的、额定水头为45-56m的混流式水轮机的比速系数为1954-2155。国家“八五”、“九五”大中型水轮机发展纲要中要求75、60m水头段水轮机最优单位转速分别为76-82、80-86r/min，限制工况单位流量分别为1.2-1.3、1.3-1.45m3/s。考虑到皂市电站水头变幅大，调节流量和保证出力小，在电网中承担调峰任务，因而水轮机在高于额定水头区间，以部分负荷运行的时间将较多，从有利于机组运行稳定性出发，水轮机的比转速不宜取得较高。根据这一重要特点，皂市水电站水轮机额定点比转速宜在280m?kW左右，相应比转速系数在1980左右。按本电站的特征水头进行换算，水轮机最优单位转速限制点的比转速宜在272m?kW左右。按选定的比转速及水轮机单位参数的合理匹配关系，结合本电站的水头特性，水轮机的最优单位转速宜在81r/min左右，限制工况单位流量宜在1.25m3/s左右。

　　表1 适用于皂市电站的转轮模型主要参数

　　2.3 机型优化选择及最大出力设置

　　2.3.1代表水轮机选择

　　根据拟定的参数水平，适用于本电站的混流式水轮机模型转轮的主要参数见表1。

　　由表1可以看出，各转轮的比转速为同一水平。从能量特性来看，HLD267转轮的效率最高，HLA616次之，其余各转轮的效率均偏低；从空化特性来看，由于HLA616转轮叶片数量多，限制工况模型空化系数最小；从单位参数的匹配情况来看，HLA616和HLD75转轮的参数搭配较为合理，综合模型参数水平较优，具有较高的比转速和能量指标，但转轮效率偏低；HLD267转轮使用水头偏高，最优单位转速、比较速偏低，受本电站水头特性及转轮使用特性的限制，用于本电站还需修改其通流部件。因此选用HLA616转轮作为代表转轮。

　　2.3.2最大出力设置

　　根据电站条件，拟定了3种最大出力的技术方案：①方案1（原方案）。机组有功功率60MW，视在功率68.57MVA，功率因数0.875。②方案2。机组有功功率65.625MW，视在功率75MVA，功率因数0.875。③方案3。机组有功功率69MW，视在功率75MVA，功率因数0.92。这3种方案的技术经济比较如下：

　　（1）增容后水轮机名义直径不变。机组发展最大出力65.625MW时的最小水头为53.0m，水轮机最大功率67.31MW；机组发最大出力69MW时最小水头为55.0m，水轮机最大功率为70.77MW。

　　（2）机组增设最大出力后，水轮机参数水基本不变，安装高程不变，发电机同步转速不变，但机组的结构应按最大功率来设计。

　　（3）发电机按最大容量75MVA设计，发电机径向尺寸增加0.2m，轴向尺寸增加0.1m，由于增加幅度较小，在现有结构及土建设计裕量范围内，不改变土建结构设计。

　　（4）机组增设最大容量后，引水发电系统、机组段尺寸、厂房各高程、桥机起重量、高压变配电设备及线路设计不变。

　　（5）机组增设最大出力至65.625MW后，电站年发电量可增加100万kW?h。

　　2.4 改善水轮机运行稳定性的措施

　　根据水轮机选型设计原则，为提高皂市电站水轮机的水力稳定性，根据混流式水轮机的水力特性，采用如下措施：

　　（1）确定合理的机组转速。按照拟订的参数水平进行计算，可供选择的机组同步转速有142.9r/min和150r/min两种，为了使水轮机在高水头的运行工况下尽可能避开进水边负压面空蚀限制线，应使水轮机在模型综合特性曲线上的运行区域往上偏移，因而应选择较高的转速，故本电站机组额定转速选定为150r/min。

　　（2）合理选择水轮机的设计水头（水轮机最优工况对应的水头）和最优效率区。对于皂市电站水轮机而言，首先要确保水轮机高水头运行工况的稳定性和效率，再兼顾低水头条件下的性能，因此，选取的水轮机设计水头应高于电站的加权平均水头，最大水头与水轮机设计水头的比值宜为1.15-1.2，相应的水轮机设计水头为54.7-57m。针对于皂市电站水轮机运行工况，为改善水轮机在部分负荷条件下的运行稳定性能，其最优工况的单位流量与额定工况点单位流量的比值应尽可能取较小值，宜为0.8-0.85，使最优效率点尽可能偏向部分负荷区。

　　（3）优化转轮水力和结构设计，提高转轮制造质量。水轮机固定导叶进口角按蜗壳水流出流角进行无冲角设计，减少固定导叶头部撞击损失和水流绕流后产生的旋涡。对固定导叶和活动导叶进行联合流动计算分析，使固定导叶和活动导叶具有良好的搭配关系。合理设计水轮机叶片的翼型、头部和出口形状，选择合理的叶片数和叶片厚度，提高高水头部分负荷时叶片进口边的抗空化性能，转轮叶片表面在整个运行范围内按无空蚀。选用合理的尾水管形状和高度。

　　（4）设置补气措施。补气方式以主轴中心补气主，设置通过发电机上端轴从主轴中心向转轮下方补入自然空气的补气系统，以满足水轮机在部分负荷工况下稳定运行的需要。主轴中心补气管面积按自然补气量为水轮机额定流量的1%来选取，补气管采用DN350mm的电焊钢管。此外，在顶盖、基础环和尾水锥管上均预留补入压缩空气的管道，作为将来水轮机实际运行中确有必要时备用。

　　（5）控制运行工况。电站在电力系统中运行时，应尽可能使机组的运行负荷处于机组的经济合理负荷范围内，以提高机组和电力系统的安全经济性。

　　2.5 设计所选水轮发电机组参数

　　根据上述分析，皂市电站水轮机的主要参数如下：

　　水轮机　额定出力　　61.54MW

　　水头53m　　67.31MW

　　水头55m　　70.77MW

　　额定水头　　50m

　　额定转速　　150r/min

　　额定流量　　136.7m3/s

　　转轮进口直径　　4.0m

　　最高效率　　≥94.89%

　　额定点效率　　91.8%

　　额定点比转速　　280m?kW

　　比转速系数　　1979

　　吸出高度　　-3.02m

　　安装高程　　71.20m

　　发电机　额定功率　　60MW

　　额定容量　　68.57MVA

　　最大容量　　75MVA

　　额定电压　　10.5kV

　　额定功率因数　　0.875

　　额定频率　　50Hz

　　额定转速　　150r/min

　　额定效率　　98%

　　飞轮GD2　　≥9000t?m2

　　发电机总重量　　534t

　　整体转子重量　　270t

　　3 应用机型

　　2004年，皂市水电站业主采用招投标方式，选择了F161A0型机型，该机型由天阿公司根据招标文件要求和F161A0转轮原有条件，通过模型初步试验和模型试验资料验收后最终定型。水轮发电机组基本参数如下：

　　水轮机型号　　HLF161A0-LJ-400

　　额定出力　　61.54MW

　　最大出力　　70.77MW

　　额定转速　　157.89r/min

　　额定流量　　138.86m3/s

　　最大飞逸转速（导叶在最大开 332r/min

　　度位置，极限最大水头68.6m时）

　　导叶中心高程　　71.2m

　　发电机型式为竖轴、半伞式、密闭循环空气冷却三相同步水轮发电机，额定容量及最大容量在额定电压、功率因数为0.875（滞后）及规定的温升条件下不小于68.57MVA。在额定电压、功率因数为0.875（滞后）及规定的温升条件下，最大容量不小于75VA，额定电压为10.5kV，额这功率因数（滞后）为0.875，最大容量时的功率因数（滞后）为0.875，额定频率为50Hz，额定转速为157.89r/min。

　　最后选用的机型与各项性能保证值均满足合同文件要求，从真机参数看，水轮机额定转速由150r/min提高到157.89r/min，提高的依据主要是根据水轮机模型试验的F161A0转轮性能，采用157.89r/min转速后，在高水头范围内，可避免叶片头部空化，提高运行稳定性。

　　作者简介:金德山,男,长江水利委员会设计院机电处,工程师。