扶祥澄，蘭 舟，林洪偉

(1.廣東明珠集團韶關眾力發(fā)電設備有限公司，廣東韶關 512000;2.四川大學工程設計研究院，四川成都 610000)

1 概 述

平武縣寶靈寺水電站位于綿陽市平武縣響巖鎮(zhèn)上游約4.5km 的涪江干流上，是涪江干流上游鐵籠堡至寶靈寺河段推薦的“一庫七級”開發(fā)方案規(guī)劃的第七級電站，多年平均發(fā)電量10875 萬kW·h，是以發(fā)電為主，結合航運等綜合利用的水電工程。該站設2臺燈泡貫流式水輪機組，每臺機組額定容量為12MW。電站的具體參數(shù)如下:

(1)上游庫水位:

校核洪水位(黃海高程，下同)(P=1%)672.73m

正常高水位 671.50m

發(fā)電高水位 669.00m

(2)下游尾水位:

校核洪水位(P=1%) 666.28m

正常尾水位(一臺機額定水頭下發(fā)額定出力時) 654.40m

最低尾水水 652.50m

(3)水頭

最大凈水頭 19.00m

加權平均水頭 14.15m

額定水頭 14.00m

最小凈水頭 5.10m

(4)電站多年平均含沙量為1.5kg/m3。

(5)水庫調節(jié)特性為日調節(jié)。

(6)水輪機吸出高度不大于－9.0m (至水輪機安裝高程)。

(7)電站冷卻水進水溫度最高為28℃。

2 寶靈寺貫流式電站水輪機增容方案可行性分析

2.1 水輪機增加出力的可行性分析

該電站的運行水頭范圍為19.0 ～5.1m，水頭變幅較大，最大運行水頭較高，這是本電站的一個特點;另一個特點是機組在高水頭工況運行的時間較長。因此，單位轉速和單位流量的選擇應使水輪機在高水頭工況運行時處于高效率區(qū)，在額定工況運行時具有較高的效率，并能穩(wěn)定運行，且空化性能好。但寶靈寺電站機組定貨在2003 年9 月，國內中型高水頭(20m 左右)燈泡貫流式機組尚無運行業(yè)績，寶靈寺電站在選型上偏保守，單位流量選擇比較小，機組容量冗余度較大(見下圖)。

GZ995A-MP-38 轉輪模型綜合性能曲線圖(Z1 =4，Z0 =16，db =0.38，Hm =5m，Hmax =20m，L=5.2D1)

2.2 水輪機單位轉速和單位流量的選擇

表1 比較了國內外部分大型大容量燈泡機組的單位轉速和單位流量:在額定水頭為12 ～14m 水頭段，國內尚無已投運的大容量燈泡機組，尼那機組和金銀臺機組單位容量均為40MW，其單位轉速n'1在171.7 ～174.7r/min 之間，單位流量Q'1在2.351 ～2.385m3/s之間。國外在20 世紀七八十年代，就已經有40MW以上的大機組投入運行，其單位轉速n'1在165.8 ～182.3r/min 之間，單位流量Q'1在2.528 ～2.896m3/s之間。

表1 國內外部分10～53MW 大型大容量燈泡機組的單位轉速和單位流量比較

在額定水頭為10 ～11m 水頭段，國內已投運和擬投運的大容量燈泡機組單機容量為30 ～36MW，其單位轉速n'1在167.6 ～179.1r/min 之間，單位流量Q'1在2.629 ～2.770m3/s 之間。而國外在20 世紀七十年代就投運的35 ～45MW 的大容量機組，其單位轉速n'1在172.8 ～179.2r/min 之間，單位流量Q'1在2.883 ～3.1305m3/s 之間。

在相同水頭段，國內已投運和擬投運的大中容量燈泡機組的單位轉速n'1和單位流量Q'1均比國外小，投運的時間國內約晚20 ～30 年。當國外53MW 級機組投入運行時，國內20MW 級的機組還需依賴進口，由于燈泡機組在國內的應用較晚，因此國內對燈泡機組參數(shù)的選擇偏于保守(當然，機組參數(shù)的選擇還與電站所在河流的泥沙特性有關)。該電站初步設計期間，由于條件限制，國內可供選擇的轉輪較少，機組參數(shù)是按TF07 型轉輪選取的，參數(shù)水平較低。鑒于目前寶靈寺電站經過了長時間的穩(wěn)定運行，且涪江響巖段的河流泥沙含量也不大，因此確定該電站水輪機的單位轉速n'1為160 ～170r/min、單位流量Q'1為2.35 ～2.40m3/s 是可行的。國外通常選型時額定點單位流量Q'1已取到2.6m3/s 以上，寶靈寺電站增容后額定點單位流量Q'1為2.29m3/s，遠遠低于國外取值(低12%)，因此由于流量增大而引起的流速提高對水輪機效率的影響可以不予考慮。

2.3 原水輪機設計參數(shù)分析計算

2.3.1 單位轉速變化范圍

單位轉速變化范圍見表2。

表2 單位轉速變化范圍

2.3.2 額定工況點參數(shù)

根據(jù)模型綜合特性曲線查得，n1= 160r/min，!η =1.0%，ηT= !η +ηm= 94.7%，Q1= 1.6525m3/s，Q = 95.1m3/s。

2.3.3 導葉開度

寶靈寺電站導葉開度為0° ～73°，負荷在12MW時導葉開度為57°，負荷在14MW 時導葉開度為60°，開度滿足增容需要。

2.3.4 額定工況點吸出高度

原額定工況點吸出高度計算值為Hs=－6.3m，由于當時取值比較保守，實際裝設值為－9.0m，增容到14MW 后，吸出高度計算值為Hs=－9.0m，滿足電站安全運行要求。

2.3.5 原型水輪機實際運行情況

機組投入運行2 年多來，主機未發(fā)生重大問題，轉輪葉片、導葉良好，當水頭在14.0m 左右，導葉開口在85%時，機組就可達到額定出力14.4MW。由此可見，機組具有超出力的潛力。

2.4 水輪機增容可行性計算

根據(jù)增容要求，水輪機在14.0m 及以上水頭運行時出力能否達到14.4MW，現(xiàn)作如下分析計算。

2.4.1 Hr=14m、Nr=14.4MW 工況點的計算

2.4.2 Hmax=19.0m、Nr=14.4MW 工況點的計算

2.4.3 吸出高度及安全空蝕裕量的校核

按寶靈寺電站正常運行水頭考慮，則對應的吸出高度Hs為－9m。

(1)當H=14.0m、N=14.4MW、σm=1.08 時

則安全空蝕裕量系數(shù)kσ=1.09。

(2)當H=19m、N=14.4MW、σm=0.65 時

則安全空蝕裕量系數(shù)kσ=1.33。

當水輪機在14.0m 及以上水頭運行時，安全空蝕裕量kσ大于1.09，滿足水輪機的空蝕要求。

2.4.4 飛逸轉速

因最大水頭不變，導葉最大開度沒變，因此在協(xié)聯(lián)工況和非協(xié)聯(lián)工況下水輪機的最大飛逸轉速也不變。

2.4.5 軸向推力校核

機組增容后，水輪機轉動部件沒有變動，且電站最大水頭仍然是19m，因此，水輪機的最大軸向力亦保持不變。

2.4.6 流道進口流速校核

機組流道進口面積S=35.5m2。

(1)增容后水輪機出力為14.4MW，水頭按14.0m 考慮，水輪機流量為111.2m3/s，則流道進口平均流速為

(2)增容前水輪機出力為12.371MW 時，流量按Q=95.1m3/s 考慮，則流道進口平均流速為

從以上計算可以看出，機組增容后流道平均流速提高了0.226m/s，流速相對提高了16.8%。但是，增容后進口流速仍在正常設計允許范圍內，由于流速的提高對水輪機效率產生的影響極小，可以忽略不計。

2.4.7 調節(jié)保證計算

電站增容改造水輪發(fā)電機組整個流道部分不需改動，即機組的最大升壓水頭應該維持不變，因此調節(jié)保證計算應以原機組的最大升壓水頭為限。經計算，當原調速器的關閉規(guī)律不變時，蝸殼的最大升壓水頭仍可維持原來的保證值，但是機組的速率上升較增容前略有上升，寶靈寺電站增容后，調保計算結果為:轉速上升不超過36.2%，壓力上升不超過43.6%:合同文件規(guī)定機組的最大轉速上升值不超過額定轉速的60%，水輪機流道內活動導葉前的最大水壓上升率不超過60%;同時國家規(guī)范執(zhí)行的是雙70%限定值，寶靈寺電站的保證值遠遠低于限定值，增容是可行的。

2.4.8 水輪機穩(wěn)定性分析

機組運行穩(wěn)定性主要與機組轉動部分的不平衡、軸承間隙過大、發(fā)電機定子與轉子間隙不均勻、轉子線圈短路、轉輪水力不平衡等電氣、機械、水力因素和轉輪出口到尾水管上部流態(tài)有關。寶靈寺水電站機組增容前后，機組結構設計保持不變，也就是說造成機組運行不穩(wěn)定和振動的上述電氣、機械、水力等因素將不會改變。至于轉輪出口到尾水管上部流態(tài)，主要體現(xiàn)在尾水管壓力脈動上，GZ995A 是從法國阿爾斯通引進的轉輪，試驗在水輪機全部在運行水頭和出力范圍內其壓力脈動值均不超過7%，這樣寶靈寺水電站機組增容后，尾水管壓力脈動雖然在原來的基礎上有一定的增加，但不會超過5.5%。因此機組增容后水輪機將不會出現(xiàn)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。

2.4.9 水輪機結構部件的強度分析

水輪機出力由12.371MW 增加至14.4MW 后，扭矩發(fā)生變化。但因最大水頭、導葉最大開口、葉片轉角、轉速、軸向力等不變，因此導葉接力器、轉輪接力器、導水機構零部件、轉輪零部件、操作油管的剛強度不發(fā)生變化。僅主軸及連接螺栓、銷的強度發(fā)生變化。

利用經驗公式計算主軸的軸身直徑:

計算參數(shù):Nr=12000kW，nr=166.7r/min，則

計算參數(shù):Nr=14000kW，nr=166.7 r/min，則

寶靈寺電站主軸的軸身直徑D =600mm，由計算結果可知，當出力為12000kW 或14000kW 時，軸身直徑是完全可以滿足要求的。下面用出力為14000kW時校核軸身直徑的扭應力和拉應力。

主軸傳遞扭矩:

軸身斷面模數(shù):

計算參數(shù):軸身外徑D =60cm，軸身內徑D0=12.5cm，則最大軸向水推力為

Pz= 164300kg

軸身應力:

主軸工作狀態(tài)下的最小許用應力值是650kgf/cm2，由計算結果知，當主軸軸身直徑為600mm、機組出力達到14000kW 時，其扭應力及拉應力完全滿足要求，并有很大余量。

3 增容前后水輪機參數(shù)

增容前后水輪機參數(shù)見表3。

表3 增容前后水輪機參數(shù)一覽表

續(xù)表

4 結 語

(1)原水輪機設計裕量較大，水輪機具有超出力的潛力。

(2)額定水頭為14m 及以上、水頭出力為14.4MW 運行時，吸出高度基本滿足要求。

(3)導葉開口、接力器行程、轉輪強度、主軸強度、蝸殼的升壓水頭、主軸與轉輪體的連接銷強度等均滿足增容后的要求。

(4)水輪機調節(jié)保證計算滿足增容后的要求，只是速率上升略有增加，只需對機組轉速保護裝置作適當調整便能保證機組安全穩(wěn)定運行。

(5)電站進行增容改造，除水輪機性能與各指標滿足增容要求外，應分析其水輪發(fā)電機及附屬設備的增容能力及方案，作者在《寶靈寺水電站水輪發(fā)電機及其附屬設備增容改造分析》一文中進行了詳細論述。