秘鲁霍扎水电站水轮机机型选择

郜晓辉，王亚坤，张恰，李志远，侯国恩，魏秀峰

(1.邯郸市水利水电勘测设计研究院，河北邯郸 056001;2.磁县水利局，河北邯郸 056599)

霍扎水电站是由国内某公司总承包、邯郸市水利水电勘测设计研究院设计分包的机电设备EPC项目，项目设计工作开始于2009年12月。

霍扎水电站工程地处南美秘鲁，位于秘鲁首都利马以东约130km处，为长引水式水电站。电站总装机容量95.76MW，装设2台单机容量为47.88MW的水轮发电机组。水库正常蓄水位4058m，调节库容36.85万m3。该工程开发任务主要为发电。电站主要参数如下:

最大工作水头 691.5m

最小工作水头 648.0m

额定水头 654.0m

电站装机容量 95.76MW

电站引用流量 15.8m3/s

电站装机高程 3351.5m

年利用小时数 3837h

年平均发电量 3.674×108 kW·h

1 机型方案的比较

霍扎水电站水头范围为648～691.5m，国内外在这个水头段应用的有混流式和水斗式两种水轮机机型。根据本电站实际情况，从技术合理、造价经济及运行维护方便等几个方面考虑。对水斗式和混流式两种机型方案进行综合分析比较如下。

1.1 技术比较

(1)技术难度。根据机型资料的统计分析来看，国内、外知名厂家设计、生产制造适合该电站水头段(600m以上)、单机容量 (50 MW)的水斗式水轮机和混流式水轮机在技术上都是可行的。

(2)从机组运行稳定性分析。水斗式水轮机具有双重调节机构，就运行而言，易将压力上升和机组转速上升控制在较低的数值，使机组具有较好的调节保证参数，尤其对长引水管电站 (本电站压力管道长达2900多m)，在运行稳定性方面较混流式机组更具有优势。

机组稳定运行区域比较:由于霍扎电站在系统中具有调峰任务，要求机组出力变化范围大。水斗式水轮机能在相应水头下的机组最大保证功率的25%～100%范围内稳定运行，而混流式水轮机在相应水头下的机组最大保证功率的45%～100%范围内稳定运行。所以对应水斗式水轮发电机组，电站机组稳定运行范围大，运行调度灵活性较好，具有一定的优越性。

(3)从适应水头变化的能力分析。具有长、短叶片的混流式水轮机等效率曲线呈近似圆形，而水斗式水轮机呈扁平的椭圆形，其适应水头变化的能力不如混流式。但本电站水头变幅不大，最小水头与最大水头之比为648/691.5=0.937，不会发生水斗式机组因水头变化而发生效率陡变的情况。

(4)机组运行维护分析。对于高水头电站 (尤其450m以上水头段)，水斗式水轮发电机组运行经验成熟，而混流式水轮发电机组运行经验相对较少。另外，本电站水头高、海拔高，机组易发生汽蚀和磨损现象。而在高水头下混流式水轮机过流部件泥沙磨损和汽蚀破坏较水斗式水轮机严重;混流式水轮机迷宫环及导叶端面间隙小，受泥沙磨损影响后更换不方便，检修工作量大;而水斗式水轮机在大气中运行，汽蚀磨损较轻，而且汽蚀磨损多集中在针阀、喷嘴和水斗等部位，但这些部件更换方便，检修时间短。因此，在运行维护方面，水斗式水轮机更具优势。

(5)水能利用情况对比。水斗式水轮机由于排出高度的要求，转轮需装设在最高尾水位以上，会引起水头利用不充分，造成一定电量损失。本电站下游水位变幅很小，其排出高度不大于3.5m，选择水斗式机组与混流式机组相比造成约5m的水头浪费，仅占额定水头的0.7%左右。对电量的影响不大。

(6)机组综合效率分析。水斗式水轮机与混流式水轮机相比虽然最高效率略低，但效率曲线平坦，在负荷变化时效率的改变较混流式水轮机小，尤其是多喷嘴水斗式水轮机可以通过调整使用喷嘴的数目适应负荷的变化，有良好的负荷适应性。对于本电站而言，机组出力变化范围大，水斗式水轮机的出力加权平均效率比混流式机组高，更具优势。

(7)从技术难度分析。经初步计算，混流式水轮发电机组的额定转速要达到750～1000r/min，对于这样大容量发电机的制造国内还没有先例，有相当的难度;高水头混流式水轮机多采用长、短叶片转轮，但长、短叶片转轮因其叶片数量较多，组焊时比较困难，比水斗式机组的设计和制造难度增加很多，水斗式水轮发电机组的额定转速为600r/min，经向制造厂家咨询，国内可以生产;相比之下也宜选用水斗式水轮机。

(8)不确定性分析。目前国内600m水头段混流式转轮没有开发资料，只能采用进口转轮，且无国内运行经验。而在建的高水头大容量电站采用水斗式水轮机的相对较多。可交流的信息资料较丰富，有利于工程建设。

综上所述，在技术、设计制造难度、运行稳定性和灵活性、安全运行维护等各方面水斗式水轮发电机组均较优，而混流式水轮发电机组比水斗式机组的设计和制造难度增加很多，相应的技术和质量风险加大，从安全可靠的原则出发，宜选用水斗式水轮机。

1.2 投资比较

(1)机电设备投资方面。因水斗式水轮机比转速比混流式水轮机低，水斗式机型方案比混流式机型方案同步转速低2～3档，设备重量相对增加。但混流式机组发电机额定转速与飞逸转速高，而水轮机转轮直径偏小，设计制造难度大，其单位重量价格高。经过向生产厂家咨询并分析，该电站两台47.88MW混流式水轮发电机组 (水轮机引进技术和关键部件)价格为5000万元左右，若发电机也引进，价格将达到7000万元以上，两台水斗式机组方案 (关键部件进口)机组价格为7000万元左右，设备投资比两台混流式机组方案 (进口转轮)约多2000万元。若考虑水斗式机组的全国产化，价格差距还可以缩小。

(2)土建投资方面。水斗式机组厂房地面以上的长度和宽度都要大一些，由于采用地面厂房布置方案，该部分尺寸增大所增加的土建工程量有限;混流式机组比水斗式机组安装高程低15m左右，增加厂房开挖深度及尾水部分的开挖，在综合考虑平面尺寸、开挖深度、厂内起重机及荷载差异等因素后，混流式机组比水斗式机组方案的土建工程投资增加约1000万元。

(3)机组甩负荷时，水斗式水轮机可利用折向器迅速遮开水流，从而控制压力和转速上升，调节保证计算容易满足，与混流式水轮机相比可降低压力引水系统部分的工程造价。尤其本电站水头高、压力引水管长，该部分投资降低将更可观。

(4)从工程直接投资分析来看，水斗式机组方案的机电、压力管道和土建投资总和与混流式机组方案相差不大。考虑水斗式机型工程应用实例多，技术较为成熟，生产厂家较多，有利于将来机组招标采购;可以保证工程投资的控制。

1.3 其他因素比较

对于霍扎这种引水式电站，水头变幅小，适合水斗式水轮机的应用特点;另外本工程为跨流域调水，调节水库库容不大，为日调节，不具备较强的调节性能，电站的流量会根据调水流域的水文情况变化较大，这就要求机组具有随着流量的变化能够保持较高运行效率的特性，使得电站综合效益最大。水斗式水轮机在较宽广的出力变化范围内效率变化平缓，平均效率较高，可以满足这种要求。

电站地面式厂房布置在河流右岸，尾水退入河道，因地形狭窄，厂区距离河道较近，大部分为开挖山体形成，如装机高程太低，将增加防洪部分工程措施;结合地形条件水斗式机组的电站布置有利，同时机组运行维护管理方便，综合分析比较，选用水斗式水轮机。

2 机型方案的确定

挪威水电站以高水头为特点，所有大型水电站的水头几乎都在400m以上。因此挪威的大学、研究所和水轮机公司都曾把研究、发展的重点放在冲击式水轮机和高水头混流式水轮机上，使他们在这方面长期以来处于世界先进水平。

下页图为挪威水电经验中介绍的两种机型选择的参考图，曲线为经常在25%～100%额定负荷下运行的机组机型选择分界线，在曲线的上方为冲击式 (包括水斗式)，下方为混流式机型。

根据GB/T 15468—2006《水轮机基本技术条件》要求水轮机稳定运行功率范围“混流式为45%～100%相应水头下的机组最大保证功率”，因此该图也基本可作为我们设计高水头电站时的选型参考。由该图可知，霍扎电站水头范围在648～691.5m，水轮机落在曲线的上方。

通常从理论和技术条件方面来讲，将混流式水轮机的应用水头上限提高到700m以上是可能的，但从运行和经济角度来考虑，挪威水电经过研究并经实践证明混流式水轮机应用水头不宜超过600m;加拿大GE公司通过总结长期的设计和制造经验，认为混流式水轮机的最大应用水头不宜超过500m。

基于技术、投资和电站调节特性、地形条件等各方面比较，并参考国际先进的研究结果、设计水平和制造经验，该电站机型选定为水斗式水轮机。

水轮机选型参考图

3 结语

项目进入实施阶段后，国内某知名水轮机厂就水斗式机型进行了CFD分析，在水轮机内部流动和斗叶强度分析基础上，研究开发出了具有自主知识产权的水轮机转轮模型，在哈动国家水力发电设备工程技术研究中心有限公司水轮机试验台上进行了模型试验。效率达到91.66%。试验结果表明该机型完全适用于霍扎电站，且具有较好的性能指标，证明了我们的选型是合适的，同时试验结果得到了业主、咨询公司和业主工程师的认可，并通过验收。

［1]本手册编写组.水电站机电设计手册:水力机械［M］.北京:水利电力出版社，1983.

［2]DL/T 5186—2004，水力发电厂机电设计规范［S］.北京:中国电力出版社，2004.

［3]GB/T 15468—2006，水轮机基本技术条件［S］.北京:中国标准出版社，2006.

［4]刘大恺.水轮机:第三版［M］.北京:中国水利水电出版社，1996.

［5]哈尔滨大电机研究所.水轮机设计手册［M］.北京:机械工业出版社，1976.