石门水电站水轮机选型设计浅析

王洪庆，李小乐

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵州 贵阳550081）

石门水电站水轮机选型设计浅析

王洪庆，李小乐

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,贵州 贵阳550081）

石门水电站运行水头范围为154～234 m，属于高水头水电站，此水头段适合的水轮机最佳型式为混流式水轮机。根据国内外统计公式及资料，并参照国内外相近水头段已建电站的主要参数，通过综合分析比较，确定水轮机比转速、比速系数、单位转速、单位流量和空化系统等机组参数，选择合适的模型转轮，并以此作为设计基础，从而确定电站机组台数、额定转速及安装高程等。本阶段与招标后机组参数的对比情况，以及石门水电站后期的安全稳定运行，均表明石门水电站水轮机参数选择是合理的，可为高水头段的水电站水轮机参数选择提供设计参考。

混流式；水轮机选型；参数选择；高水头；石门水电站

1 概况

石门水电站位于新疆维吾尔自治区呼图壁县南侧，距县城公路里程78 km，距昌吉市公路里程116 km，距乌鲁木齐市公路里程154 km。电站附近有铁路和公路交通干线，对外交通十分便利。

石门水电站总装机容量为95 MW，电站总库容为7751万m3，调节库容为7016万m3。挡水建筑物采用沥青心墙土石坝，厂房型式为地面式厂房。电站的开发任务为灌溉、防洪、发电。其基本参数见表1。

表1 电站基本参数表

2 水电站水轮机选型

2.1 型式选择

石门水电站的正常蓄水位为1240 m，运行水头范围在154～234 m之间，额定水头为211 m。此水头段适合的水轮机最佳型式为混流式水轮机，因此，推荐选用混流式水轮机。

2.2 机组参数

2.2.1 比转速和比速系数

比转速和比速系数是水轮机的重要参数之一，是反映水轮机能量特性、经济性和先进性的一个综合性能指标，同时也反映了水轮机的设计制造水平。提高比转速，可以减小机组尺寸和投资，同时还可以减小主厂房尺寸，降低工程投资，故在允许的条件下，宜选择较高的比转速和比速系数。但水轮机比转速的提高会受到水轮机刚强度、效率、空化、泥沙磨损及运行稳定性等各方面的制约。所以应考虑电站的具体情况，综合分析并选择合理的比转速和比速系数。

固滴水电站所处水头段为154～234 m，为高水头电站，为减少叶片的磨损，改善转轮的空蚀性能，比转速和比速系数宜取适中值。根据国内外不同统计公式计算，并参照国内部分相近水头段的水电站主要参数，经综合分析，选取水轮机比转速范围为120～150 m·kW，相应的比速系数为1743～2179。

2.2.2 单位转速和单位流量

单位转速的选择应考虑和单位流量进行最佳匹配，以满足机组高效、稳定运行的要求。选用较高的单位转速，可以提高机组的额定转速，从而可以减小发电机的尺寸和重量；选用较大的单位流量，可以减小水轮机的尺寸和重量。但单位转速和单位流量的提高又受到强度、空化和运行稳定性等许多条件的限制，而且模型转轮各参数之间应该有合理的匹配关系，才能获得较好的综合性能指标。

考虑到固滴水电站的水头段范围以及比转速范围（120～150 m·kW），初步拟定了单位转速为62～70 r/min、单位流量为0.48～0.64 m3/s。

2.2.3 水轮机空化系数

水轮机空化性能通常用空化系数来衡量。空化系数的大小关系到机组的安装高程、机组运行稳定性和使用寿命。重点是在提高水轮机能量指标的同时，降低水轮机的空化系数，改善空化性能，但水轮机的能量性能与空化性能常常是相悖的，模型空化系数与比转速正比相关，即随着比转速的提高，空化系数也随之上升。从对已有资料进行的分析得知，对应于比转速取120～150 m·kW时，其模型空蚀系数取0.06～0.08。

2.2.4 水轮机效率

效率是水轮机的一项重要指标，它关系到水电站的出力和经济效益，优良的转轮应具备较高的效率点和宽广的高效稳定运行区域。通过与统计资料进行综合比较，认为本电站水轮机模型最高效率应不低于93.5%，真机最高效率应不低于94%。

2.3 转轮选择

石门水电站最大水头234m，额定水头为211 m，在该水头段有许多优秀的转轮，模型转轮的主要参数见表2。

表2 模型转轮主要参数表

A339转轮用于天生桥二级水电站Ⅰ期工程，转轮A575c是在A339转轮的基础上进行开发的，用于天生桥二级电站Ⅱ期工程，因此性能指标较A339更优。在230 m适用水头段，A575c与其他转轮比较，其模型转轮效率最高，且过机流量较大，抗空蚀性能较好；XW转轮由伏伊特西门子公司为小湾电站设计制造，在250 m适用水头段，该转轮的效率最高，过机流量较大，抗空蚀性能优越。根据石门电站水头情况，230 m或250m水头段的转轮均可采用，主要对A575c转轮和XW转轮进行比较，来选择石门电站的模型转轮，具体见表3。

表3 A575c和XW转轮主要参数比较表

通过表3可知，两方案中的机组转速均为500 r/min，吸出高度数值两者相当，比转速及比速系数相差不大。考虑到电站的泥沙含量虽不大但硬度较高，参照国内外已建电站的参数水平，两者均在合理的范围内，并能满足机组运行稳定性要求。XW转轮方案与A575c转轮方案相比，其转轮直径和水轮机重量略大，但水轮机最高效率和额定效率较高。经综合分析比较，选用XW作为代表转轮，来重点突出机组的运行效率，提高机组运行的经济性。

2.4 机组台数

石门水电站装机容量95 MW，根据水电站的实际情况，以XW模型转轮作为代表性转轮，重点对二、三台机方案进行比较。不同装机台数的主要参数及投资估算见表4。

（1）从工程设计及总投资方面来分析，两方案在总体布置、工程设计及施工上均无特殊困难，方案一的总投资比方案二少2610万元，方案一较优。

（2）从机组运行灵活性方面来分析，石门水电站在系统中承担调峰及事故备用等任务，两方案的单机容量在系统中所占的比重均较小，故两方案调度上均可行。

（3）从机组运行范围来分析，两方案所对应的机组运行范围均包括了最优工况点，运行条件较好，均能满足机组的高效稳定运行。

（4）从机组参数选择及稳定性方面来分析，两方案的比速系数分别为1991和1955，参数适中，均在合理范围内，机组运行稳定性也无问题。

（5）从水轮发电机组制造运输角度来分析，两方案的水轮发电机组及其附属设备的设计制造、运输均属正常范围，国内水轮发电机组制造厂均能承担。

（6）从运行维护与安装检修来分析，方案一工作量小，成本低，而且其设备故障发生率比方案二要小，方案一较优。

表4 装机台数比较表

综上所述，从工程投资、调度、运行及运输等各方面来综合考虑，方案一占优势，因此，确定石门水电站装机采用方案一，即2台单机容量47.5 MW方案。

2.5 额定转速

经过计算比较，采用XW转轮机组可供选择的转速有428.6 r/min，500 r/min，600 r/min三档，不同转速的运行范围见图1。

图1 不同转速运行范围图

从图1可知，当转速为600 r/min和428.6 r/min时，转轮运行范围偏离最高效率区较远；当转速为500 r/min时，转轮运行范围包括了转轮的最高效率区，且其所处效率区比较宽广，效率变化幅度也较平稳。经综合分析比较，机组额定转速为500 r/min。

2.6 机组安装高程

根据电站运行条件，按留有一定安全裕度的原则，来确定水轮机的安装高程。石门水电站装机两台，根据规范要求，下游设计尾水位按一台水轮机50%额定流量（Q=12.54 m3/s）对应的尾水位确定，故设计尾水位为1006.50 m。考虑到电站水流中有一定含沙量且硬度较高，机组吸出高度为Hs=-6.09 m，对应水轮机的安装高程为1000.41 m。

2.7 机组最终参数

通过可研阶段分析及机组的最终招标确定，固滴水电站水轮机的主要技术参数见表5。

表5 水轮机主要技术参数表

3 结语

石门水电站已于2013年12月底两台机组成功并网发电，电站全部机组各项运行指标正常，运行状况良好。石门水电站可研阶段与招标阶段确定的水轮机参数基本一致，并且电站成功安全稳定运行，表明石门水电站的水轮机主要参数选择是合理的。对今后类似水头段水电站水轮机参数选择具有一定的参考意义。

TK730.2

B

1673-9000（2017）05-0141-03

2017-05-17

王洪庆（1980-），男，山东郓城人，高级工程师，主要从事水电站水力机械设计工作。