SK水电站超高水头高效率冲击式水轮机关键参数选择.pdf

5第 46 卷 第 08 期2023 年 08 月Vol.46No.08Aug.2023水 电 站 机 电 技 术Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStation0 工程背景中巴经济走廊能源类优先发展项目巴基斯坦苏基克纳里（SukiKinari）水电站工程（简称“SK 水电站”），由中国能建葛洲坝集团投资、建设、运营并移交巴基斯坦。发电引水系统总长接近 24 km，电站最高水头 922.7 m，单机容量 221 MW，电站装机容量884 MW，电站厂房为地下布置形式，埋深 400 m。SK 水电站是迄今为止中国企业在境外绿地投资的最大水电项目；也是我国截至目前无论在国内，还是走向国际市场以来，所承担勘测、设计、施工、研究单机容量最大、发电水头最高、大埋深地下厂房、大容量冲击式水力发电站。在葛洲坝集团与巴基斯坦方 SKHydro 签订的合同中规定，要求水轮机额定效率达到 93.12%、最高效率达到 93.13%、加权平均效率达到 92.78%。水轮机作为电站的核心设备，既要解决多泥沙带来的通流部件泥沙磨蚀问题，又要保证其高效率运行。因此，无论从工程设计、设备结构、材料选择、加工制造、后期运行维护检修等方面，都具有相当大的挑战和技术难度。基于以上工程背景，项目组在工程设计阶段就水轮机加工制造难度、效率水平等方面进行了调查研究，并在水轮机设备招标后，对招标文件所规定各项性能参数进行了模型试验验证。1 冲击式水轮机国内外相关概况及发展趋势1.1 国外高水头、大功率冲击式水轮机在国外,尤其在欧洲具有较高的制造水平，并在世界上处于绝对的领先地位。其主要研制成果表现在如下几方面：水力模型研发、水斗型线与配水喷嘴系统设计、关键部件结构强度计算与疲劳分析、材料应用、结构设计、部件锻造、多坐标数控加工制造工艺等方面。尤其在水力模型设计、研发和实验上，积累有丰富的经验和技术。最为典型的例如瑞士 Bieudon 电站，最高水头达到 1 883 m，单机容量达到 423 MW。1.2 国内我国水斗式水轮机发展起步较晚,发展历史大致可以分为 3 个阶段：60 年代以前是从无到有阶段,其特点是仿制国外技术，技术落后且使用性能较差；从60 年代开始为独立设计阶段，主要依靠设计人员在收集国外资料和总结国内电站的实践经验的基础上进行冲击式机组的开发。产品性能虽有所改善，但仍较落后；从 70 年代末开始,进入新的发展时期，随着研发和制造水平的发展，国内在机组的稳定性、不锈钢收稿日期：2023-06-05作者简介：刘 利(1986-)，男，高级工程师，从事水力机械设计研究工作。S K水电站超高水头高效率冲击式水轮机关键参数选择刘 利，杨 旭，张士杰（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222）摘 要：中巴经济走廊能源类优先发展项目SK 水电站最高水头 922.7 m，单机容量达到 221 MW（最大容量243.1 MW），在与外方签订的合同中规定，最高效率达到 93.13%，属于目前全球已投运冲击式水轮机中从未达到的水平。因此水轮机的参数选择、结构设计及设备制造提出极为严格和苛刻的技术要求。其中水轮机作为电站的核心设备，既要解决多泥沙带来的通流部件泥沙磨蚀问题，又要保证其高效率运行。对国内外类似冲击式水轮机进行了统计分析，进而针对 SK 电站冲击式水轮机提出目标参数，并在瑞士 VEVEY 试验室对其进行模型试验验证。关键词：水轮机；冲击式；超高水头；超高效率中图分类号：TV734.1文献标识码：B文章编号：1672-5387（2023）08-0005-05D O I：10.13599/ki.11-5130.2023.08.0026第 46 卷水 电 站 机 电 技 术转轮铸造技术等方面也取得了重要进展，并成功应用在多个中小容量电站中。例如广西天湖生产的水头1 074 m、单机容量 15 MW 的冲击式机组，是目前我国及亚洲独立研发、设计、生产制造的最高水头机组。1.3 发展趋势（1）制造水平冲击式水轮机的制造难度与运行最高水头和转轮直径息息相关。通常情况下，冲击式水轮机运行水头越高、转轮直径越大，转轮部件受强度限制所需材料在强度、厚度等方面的要求就越高，水轮机的制造难度也越大。通常用 D12Hmax来表征水轮机的制造难度系数1。笔者对国内外单机额定出力超过120 MW 冲击式水轮机制造难度系数统计见表 12。从图 1 可知，随着水头和转轮直径的增加，水轮机制造难度基本呈直线上升趋势。表 1 国内、外部分冲击式水轮机（单机容量120MW）制造难度系数表电站名称国家最大水头Hmax/m额定出力N/MW转轮节圆直径D/m水轮机制造难度TD=D12 H max/1 000Bieudon瑞士1 8834233.99330Sy-Sima挪威8853153.9713.9Lang-sima挪威1 0652603.059.9Aurland挪威8402433.098.0Sellrain Silz奥地利1 2332422.819.7Mont-Cenis法国8692003.108.4CCS厄瓜多尔616.74188.2663.286.6Lotru罗马尼亚7881882.997.1Malta奥地利1 1021812.667.8New Colgate美国4131754.528.4Grand Maiso法国9181572.837.4Bissorte挪威1 1861562.769.0金窝水电站中国619.8143.62.634.3Grytten挪威9201432.435.4S.fiorano 意大利1 4041403.0012.6S.fiorano 意大利1 4011402.508.7Chivor哥伦比亚8041342.525.1Idikki印度6601342.745.0达阿果水电站中国631.91322.74.6Combe d,Avrieux法国8571312.344.7Mauranger挪威8251272.304.4Lago Delio意大利7321272.163.4Moncenisio意大利13041253.3714.9Mantaro秘鲁8501242.595.7大发水电站中国513.8123.7334.6仁宗海水电站中国610123.732.64.1冶勒水电站中国644.5122.52.64.4EL Toro智利5571212.834.5图 1 冲击式水轮机水头-转轮直径-制造难度系数 （单机容量120 MW）（2）效率水平水轮机效率是水轮机能量特性的重要指标，是电站长期经济运行的关键参数，且直接影响电站的发电效益。近些年国内、外已建设的部分代表性的冲击式电站水轮机能达到的效率值统计见表 2。表 2 国内、外部分代表性电站冲击式水轮机达到的效率值电站名称水头/m水轮机额定出力Nt/MW水轮机效率Bieudon18691883423原型额定点效率 92%，最高效率 92.37%FAN 电站57261048.8原型额定点效率 91.3%，最高效率 91.7%那邦电站623.5681.561.9原型额定点效率 91.26%、最高效率 91.43%冶勒电站546.7644.5122.5原型额定点效率 91.62%、最高效率 91.84%金窝电站595619.8143.6原型额定点效率 91.36%、最高效率 91.58%CCS 电站594.27616.74188.266合同规定原型额定点效率91.15%，即使按照 IEC 规程进行一定的效率修正，其能达到的额定点最高效率91.91%达阿果水电站605.4631.9132原型额定点效率 91.16%、最高效率 91.61%2 水轮机主要参数确定2.1 单喷嘴比转速 3，4 比转速是水轮机的重要特征参数之一，冲击式水轮机通常用单喷嘴比转速来表征水轮机的综合经济技术水平。由于 SK 水轮机发电水头属于超高水头，因此必须重视对冲击式水轮机叶斗的空蚀问题。根据挪威水轮机制造厂在高水头冲击式水轮机方面的选型经验，可按图 2 中的曲线选择单喷嘴比转速，即不超过曲线 2 的水平可避免汽蚀破坏。在这条曲线限制之下，应根据水头与流量以获得尽可能高的7第 08 期刘 利，等：SK 水电站超高水头高效率冲击式水轮机关键参数选择比转速来决定比转速 ns1与喷嘴数目。但在过机泥沙含量较高的运行工况下，则应适当降低比转速，减少喷嘴，增大水斗的尺寸。从图 2 中可以得到，当 SK 电站额定水头 Hr为859.2 m 时，按照曲线 1，ns1只能取到 10.8 m kW，水 平 太 低；而 按 照 曲 线 2，ns1取 值 不 宜 超 过17.4 m kW。也就是说，SK 电站单喷嘴比转速选择范围为 ns1=10.817.4 m kW。世界上（包括国内及国外）部分已投入运行的最高水头在650 m及以上冲击式水轮机ns1统计如表3。注：曲线 1中国国内目前避免汽蚀破坏水平。曲线 2根据挪威经验，不超过曲线 2 水平可避免汽蚀破坏。图 2“免汽蚀”曲线表 3 国内、外部分代表性电站冲击式水轮机（额定水头650m）ns1统计表电站名称所属国家喷嘴数转轮直径/mm单机额定出力/MW额定水头/m额定转速/r/min转轮比转速ns/m kW单喷嘴比转速ns1/m kWBieudron 瑞士53 993423.131 869.0428.622.710.1Silz 澳大利亚62 8502601 233.150034.914.2Sellrain-Silz 澳大利亚62 8502601 233.050034.914.2Guavio 哥伦比亚52 950260.81 142.045034.615.5Nestil ST瑞士62 190113.691 090.860032.313.2Thuong Kon Tum越南62 045112946.560038.215.6Villarodin 法国63 080185869.037534.214.0Tala不丹53 139170859.037533.214.9Mauranger挪威62 290138.91855.050040.3116.5Kops 澳大利亚62 155180.35826.450047.919.6Kops 澳大利亚62 155180.35826.450047.919.6Teesta Urja 印度53 020233.73817.037541.518.6Teesta Urja 印度53 020233.75817.037541.518.6Lotru（68）罗马尼亚62 950201.5793.037540.016.3Evanger挪威62 285119.34789.050041.316.9Lotru-Ciunget意大利62 950187.5788.037538.915.9Lotru-Ciunget 罗马尼亚62 950187.5788.037538.915.9Tysso 挪威62 080118.53731.550045.218.5Siso 挪威62 100108.2671.050048.1619.7图 3 水头-转速-单喷嘴比转速关系（额定水头650 m）参考其它国内、外冲击式水轮机参数水平及“免汽蚀”曲线 2，考虑到 SK 电站存在的泥沙磨蚀因素，SK 电站单喷嘴比转速推荐选择范围为ns1=11.717.4 m kW。2.2 喷嘴数根据表 3 统计可得，在水头、单机容量和转速接近的电站中，以 6 喷嘴水轮机占大多数，有个别水轮机为 5 喷嘴，并结合经验公式，SK 电站水轮机可选嘴数为 5 个或 6 个。多泥沙电站冲击式水轮机，在单喷嘴比转速确定的情况下，喷嘴数量的选择直接影响水轮机比转速的选择，进而影响到水轮机的效率和抗泥沙磨蚀性能。同容量下的水轮机，随着喷嘴数的增多，水轮机比转速提高，额定转速增大，水轮机转轮直径和喷嘴直径相应减小，对降低水轮发电机组投资有利，但最优直径比的减小可能会增加水流间撞击，并引起射流作用方向及射流质点沿斗叶扰流轨迹的改变，造成水轮机效率降低，同时引起