第５３卷第３期 ２０１７年３月 甘肃水利水电技术 ＧＡＮＳＵ ＷＡＴＥＲ ＲＥＳＯＵＲＣＥＳ ＡＮＤ ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｖｏ１．５３．Ｎｏ．３ Ｍａｒ．．２０１７ ・设计与研究・ 浅谈高水头混流式水轮机选型设计 李玲玲．邢雅琚 （云南省水利水电勘察设计研究院，云南昆明６５００２１） 摘要：克利杜水电站水头范围３１６．６ ３３７．４ ｍ，结合国内已建电站、水轮机制造业的发展现状及云南省水利水电勘察设 计研究院引水式水电站的设计经验，对高水头段的水轮机选型进行了探讨。该工程优选２台混流式水轮机，其技术可 行、经济合理。同时，参照转轮型谱及国内制造厂现有模型转轮资料，进行了水轮机选型计算，初选ＨＬＡ３５１Ｅ转轮，并 采用水电站水力一机械过渡过程仿真计算系统进行了调保计算，采用两段关闭，第一段关闭时间８ ｓ关闭到８０％开度， 第二段关闭时间２５ Ｓ至全关，最大水压相对升高值为２２．２％，转速升高值为５１．４％，计算结果满足相关设计规范要求。 关键词：引水式水电站；水力机械；混流式水轮机；调保计算 中图分类号：ＴＫ７３３＋．１ 文献标志码：Ｂ 文章编号：２０９５—０１４４（２０１７）０３—００４６—０５ 表１电站基本参数 １ 电站概况 克里渡水电站工程位于缅甸恩梅开江下段左岸 的一级支流楠利卡河干流昔董以下河段，为楠利卡 河梯级规划的第３级电站，规划的上一级电站为萨 那水电站。电站水工枢纽由拦河坝、有压隧洞、调压 井、压力钢管和厂区枢纽等组成，为引水式水电站。 坝址位于缅甸北部的楠利卡河上，坝址集水面积 ３４０ ｋｍ ，河道全长２９．８ ｋｍ，河道平均比降５．４９％。 厂址位于取水口下游１０．２ ｋｍ，集水面积４１８ ｋｍ ， 河道全长４０．０ ｋｍ，河道平均坡降４．１９％。克利杜电 站处于昔董西南面约９ ｋｍ（直线距离），密支那东面 约４０ ｋｍ（直线距离）。 ２水力机械设计 ２．１ 电站基本参数 电站基本参数见表１所列。 ２．２水轮发电机组 ２．２．１机组台数选择 根据电站水能参数，电站装机容量９４ ＭＷ，保 能力，克利杜水电站在枯水期的运行方式可通过与 萨那水电站同样的运行方式，即在枯水期、水库低水 证出力为ｌ９．１３ ＭＷ，装机２～３台较为合理，装机 两台时，单机容量４７．０ ＭＷ，保证出力占单机容量 的４０．９％；装机３台时单机容量３１．３ ＭＷ，保证出力 占单机容量的６１％。从径流式电站分析，３台机方案 位时、蓄水至正常水位后利用水库蓄水功能结合时 段发电的方式，可实现在装机两台时保证机组在不 低于４５％的出力范围内稳定运行。对混流式机组单 机容量４７．０ Ｍｗ（装机２台）和３１．３３ Ｍｗ（装机３ 对于混流式机组枯期稳定运行更为有利。鉴于克利 杜水电站上一级的萨纳水电站，具有一定的日调节 收稿日期：２０１７—０３—０１ 台）从水力机械设备、电气、土建施工等方面进行增 量投资技术经济比选，选用２台比３台节约投资约 作者简介：李玲玲（１９８１一），女，黑龙江绥化人，工程师，学士，主要从事水利水电设计，Ｅ—ｍａｉｌ：２３７８６４９１１２＠ｑｑ．ｃｏｍ。 第３期 李玲玲．等：浅谈高水头混流式水轮机选型设计 第５３卷 ８５０万元。因此，本阶段基本选定克利杜水电站装机 ２台，单机容量４７．０ Ｍｗ。 ２．２．２水轮机机型与基本参数选择 ２．２．２．１ 水轮机机型 水轮机的额定水头宜按加权平均水头的０．９５～１选 取，该设计阶段额定水头按加权平均水头３３０．５０ ｍ 的９７．５％计算为３２２．０ ｍ，水头变幅（ 一一日 ） ／ｎｒ＝６．４６％，相应 产１．０４８，Ｈ ｒ＝０．９８３，比值均 在规范推荐的机组稳定运行范围内（ —Ｈ ＜１．１５， Ｈ—Ｈ≥０．６５）ｏ 克利杜水电站水头在３１６．６～３３７．４ ｍ之间，介 于混流式机组与冲击式机组交界水头，该电站单机 容量４７．０ ＭＷ，若选择冲击式机组，则需采用６喷 嘴，转速３３３．３ ｒ／ｍ，６喷嘴冲击式水轮机不仅结构 复杂，造价同混流式相比显然是不经济的。根据国 内已建电站及国内水轮机制造业的发展现状，高水 ２．２．２－３水轮机基本参数 （１）比转速 和转速系数 值选择 克利杜水电站工作水头为３１６．６～３３７．４ ｒｆｌ， 单机容量４７．０ ＭＷ，根据国内已建中、高水头电站 成功经验及水轮机制造业的发展现状（表２），电站 在保证水轮机具有运行可靠、稳定、高效，抗空蚀 性能良好的前提下，水轮机设计参数接近目前国 内先进水平即可，初步拟定水轮机比转速在８０～ １００ ｍ・ｋＷ之间，比速系数 值在ｌ ５００～ｌ ８００ 之间为宜。 头混流式水轮机具有投资省、能量指标高、稳定性好 等优点，自鲁布革水电站建成后，３００—５００ ｍ水头 段混流式水轮机组在国内已有广泛使用经验，如泗 南江电站，四川省的冷竹关电站、自一里电站、金康 电站，福建省的周宁电站等，还有云南省水利水电勘 察设计研究院设计的勐典河新二级电站，额定水头 为３２０ ｍ，单机容量２６ ＭＷ。以上电站水头范围均 在３００～５００Ⅱ・之间，均采用混流式机组，且均已投 运，因此，克利杜水电站选用混流式水轮机不仅在经 济上是合理的，在技术上也是可行的。 ２．２．２．２额定水头 （２）转轮型号选择 参照转轮型谱及国内制造厂现有模型转轮资 料，国内目前４００ ｍ段较优秀的转轮较多，经初步 比选，选择参数较为合适、性能较优的模型转轮 Ａ５４２、Ａ３５１ｄ、Ａ３５１转轮进行计算分析，其模型参数 及真机主要参数见表３、表４所列。 根据《水力发电厂机电设计规范》，对中高水头 表２国内部分中、高水头混流式水轮机应用情况 第３期 李玲玲．等：浅淡高水头混流式水轮机选型设计 第５３卷 ｇ童 Ｏ ７ ４ ｌ ８ ５ ２ ９ ６ ３ ＼ 转轮直径：１．９０ ｍ 弛 额定转速：６００．００ ｄｍｉｎ 效率修正值 ６０％ 工作水头线 一开度线 …一等效率线 一 出力限制线 ４７．９６ Ｈ～＝３１６．６０ ｍ 』’‘／ ］ ／／Ｉ ，Ⅳ，＝３２２．００ ｍ 朔 ｐ』 ／ ，， ｆ／ 盼 ∥ ，， ／ Ｊ 』ｆ ｊｆ ／彤 ４７．９６ Ｈ 。．＝３３７．４０ ｎｌ １３ ｌ８ ２３ ２８ ３３ ３８ ４３ ４８ ５３ ５８ ６３ ６８ ，ｖ／ＭＷ 图２ 转轮Ａ３５１ Ｅ的水轮机运转特性曲线 ２．２．２．４选定机组参数 调节规律，使水击压强变化和转速上升都在允许范 该设计阶段选定的水轮发电机组主要参数见表 围内，这在工程上称为调节保证计算，简称调保计算 Ｉ。 ５所列。 调保计算实质是解决水流惯性、机组惯性和调节性 ２．３调保计算 能三者的矛盾，达到电能质量最佳、水 建筑和机组 在水电站压力引水系统和水轮发电机组特性确 造价最省的目的【５Ｉ。 定时，对水击压强变化和转速上升大小起控制作用 电站压力钢管为一管两机布置，发电用水经取 的是导叶调节时间和调节规律。因此，在水电站设 水口、隧洞、调压井、压力钢管后分两岔至机组。压力 计时要计算调节过程中的最大水击压强变化值和最 钢管主管长１ ９４５ ｍ、直径３．８ ｍ，最长支管长２５ ｍ、 大转速上升值，并据此选择合理的导叶调节时间和 直径１．８６ ｍ。额定工况下调压井后引水系统 表５水轮发电机组主要参数 ４９・ Ｈ 甜水利水电技术 第５３卷 ， Ｖ＝６ １ ３７ Ｉ｝Ｉ！ ，饥 转动惯量３８０ ｔ．ｍ 。采用河 海火 水力机绀微机控制技术开发研究室研制的 —］ ．＼ 机 懿凡频率７５ ７１ １ｋ ＹＬｆｌＩ／ｉ￣小翻！牢２２ ５１ ｌｈ 《水ｆｔ￣）ｌｌｉ水力一机械过渡过程仿真计算系统》进行 分段火ｒ４１规律¨‘算，采片ｊ两段关闭，第１段关闭时 ｎ』】８ ｓ火１５１１到８０％川：度，第２段关闭时间２５ ｓ至 ／ ＼ ＼ ＼ 一 八 ＼ Ｊ 厂 ／ ； Ａ ＼ ／、 ］ 广一 、、 ．蜗壳撤夫 力４１１ ｃ）５ ｍ 蜗一 嫩小 力３３３ ３２ ｍ ３ ｝ ／、 Ｖ ，＼ ／ 令父，』】之火水Ｊ 卡Ｈ埘升高ｆｆ｛为２２．２％，转速升高值 为５１．４％，汁算纳 满足《水力发电厂机电设计技 术规范》规定，汁箅结果 罔３～６所示，分别为ｌ 机组 山之大水头及额定水头下的过渡过程结果及 ¨｛１线 射煳 ～ 组㈡糊律 一 ８～ ㈣ ｝ ’ Ｆ芒ｌ倚蛾九 力２ ０２“－ ｊ 情髓小 力一７【】５ ｎ・ 机 地夫功率４８ ２５ ｋＷ 、 ＼、 ／ 机绁最小功率一２Ｉ１０ ｋ … 图５ １ 机组最大水头下过渡过程计算曲线 导ＩＩ＿ｌｌｆ＝『】４：转１生●， ＝ｌ０ ０ ＩＩｚ 蝌 ｗ＝２７ Ⅲ４ ｌ【＇ｌ， ＝２７ ５ Ｉｌｌ ’ ｝ ”＝ ０ ｋ 起始ｒＴ况 ￡：游水位ｍ 躲壁一 ＼№ ＼ 、 而而 下游水位ｍ ｌ２５Ｉ．７００（）【１（１ 第一段关闭时间ｓ最大蜗壳水压Ｉｎ ／ ＼ ＼ ＼ ．＿ｆ 八 、 ＼ ｝． 厂 ／ ’ Ａ ＼ ＼ ｜ ｝ｒ 、 √ Ｖ ／＼ ｒ —、 ～ ３ ＿－ 第二段关闭时间Ｓ 最小尾管水压嫩 起始转速ｒ／ｍｉｎ 而而 起始 ｝度 ＿一 一一 丽 ｜ ｛ 、、 ＼～ ／ ｆｔ ＪＭ’ 第三段 皂闭时间ｓ 转速相对升高值 ０ ｆ 起始功率劓ＭＷ ～～ ～ｉ誊 一～赢～～ ｎｔ Ｉ／ｓ 第一分段开度 ｊ水压楣 ｌ升高值 ０ 图６ １ 机组额定水头下过渡过程计算曲线 ｆ ｆ 起始流量 ｉｎ３／ｓ … 一 ３结论 第二段分段开度 蛳流进口最 （１）克利 水电站水头在３ｌ６．６～３３７．４－１１之 问，结合同内 建电站、水轮机制造，ｌｋｔ￣＜Ｊ发展现状及 云南省水电院没汁的已投入运行的勐 ｊｌｌ『新二级电 站等ｒ程设计经验总结，高水头混流式水轮机具有 投资省，能量指标离、稳定性好等优 ｔ 、 ，选用混流式 ［萤匿］口三口口三蚕］［姻 图３ １ 机组最大水头下过渡过程计算结果 第２号机组 叠。 起始工况 上游水位ｍ关闭规律 不动时间ｓ ｊ ｊ计算结果 最大频率Ｈｚ 水轮机技术可行、经济合理 （２）克利札水电站优选２台濉流』＿Ｉ＝水轮机．参 照转轮 谱及闻『大Ｊ制造厂现有模 转轮资料，选择 参数较为合适、性能较优的馍 转轮Ａ５４２、Ａ３５ Ｉ ｌ、 Ａ３５ ｌ转轮进 ‘ ：分析，转轮额定转述均为６００ Ｔ－／ｍｉｉ１，比速系数』ｆ＜ 【ｌ ５００～１ ８００，卡ＪＪ选ＨＬＡ３５ｌ Ｆ 转轮． ．而 下游水位ｍ 磊 第一段关闭时间ｓ 最大蜗壳水压ｍ 一 起始转速ｒ／ａｉｒｎ ｊ —— 疆＿，ｊ、尾管水压ｍ 第二段关闭时间 而 而一～ 起始开度 盯 晤 １０．８００ ０００ 一一 第三段关闭时问ｓ 转速相对升高值 ； 一一起始功率ＭＷ ｒ————————————一一 （３）采用机械过渡过程仿真Ｈ 系统进行ｊ 洲 保计算，采用两段父闭，第一段关 ｌＪ，ｌｔＴｉＪ ８ ｓ关１＂４１刮 ８０％开度，第二段父闭时间２５ ｓ至伞爻，最大水 第一分段开度 ｒ——————— —一～水压相对升高值 ｒ—————————一… ｌ４７ ９１ ２ ７４７ ｉ】２２２ ４８３ ： 起始流量ｍ 第二段分段开度 蓦 蜗竞进口＝殴太冰压Ｉｎ 相对升高值为２２．２％，转速升高值为５１．４％，计算结 果满足《水力发 厂机电设计技术规范》规定、 （４）陔没汁阶段暂拟ＨＩ Ａ３５ｌ 转轮作为设汁 参照转轮，Ｆ阶段根据最新资料和（下转第６５页） ｌ …一 ｊ 一 鬲 ｆ－二＝函口三 口三霸［ 图４ １ 机组额定水头下过渡过程计算结果 第３期 王磊：深竖井支洞在水工隧洞中的应用 第５３卷 就位后，打开集料斗仓门，快速装渣提升。 ４竖井施工 支护时间长。综合考虑上述问题，在现场施工过程 中，将Ⅱ一Ⅲ类围岩的支护形式由喷锚支护调整为 ０．２５～０．３ ｍ厚的素混凝土衬砌。 Ｓ１一Ｓ３竖井围岩以Ⅱ～Ⅲ类为主，局部Ⅳ～Ｖ 类，地质条件整体较好。竖井施工采用机械化自上 而下短段混合掘砌作业。 竖井井筒掘砌施工流程为：凿眼爆破、排渣到模 板段高、工作面找平、下放整体液压模板立模并经过 （２）对基岩裂隙水估计不足，排水系统过于简 单、且排水能力小，严重影响施工进度和施工质量。Ｓ２ 竖井渗水量随着掘进深度不断增加，施工至２７３ ｍ深 时，井壁出水约１３ ｍ３／ｈ（掌子面原地质勘探孔出水量 测量验收、浇灌井壁混凝土、排剩余废渣并清底、进 约５ ｍ３／ｈ），随后实施超前探水作业，井壁东侧探孔在 入下一个掘砌循环。井挖采用４臂伞钻钻孔，中深 钻深１１．５ ｍ时出现承压水，最大出水量约１９ ｍ３／ｈ。 孔光面全断面爆破。中心回转式抓岩机将石渣装入 经研讨，施工过程中采用“排堵结合”的方式治水。对 吊桶。布置两套单钩提升，主提升采用２ＪＫＺ一３．６ Ｘ 已施工的井壁进行壁后注浆堵水，对掌子面先打孔 １．８５绞车，配５．０ ｍ 座钩式吊桶，主要用于提渣、混 探水，然后超前预注浆封水，再进行掘砌和壁后注 凝土吊桶和伞钻；副提升采用ＪＫＺ一２．８ Ｘ ２．２绞车， 浆；在井筒２９０ ｍ深处布置腰泵房（可拦截上部井壁 配４ ｍ。座钩式吊桶，主要用于提升人员，辅助提渣。 渗水），在吊盘上设置容量５ １１１ 钢板水池，在井壁布 吊桶将石渣提升至翻矸平台，通过翻矸台主、副溜槽 设＋１５９ ｍ排水钢管，连接井口、腰泵房和吊盘水 将石渣溜至地面，装载机装１５ ｔ自卸汽车运至弃渣 池，形成３级排水系统。 场。混凝土衬砌采用３．０ ｍ 底卸式吊罐下放至滑模， ６结语 由混凝土分料器对称浇筑，滑模段高４．０ ｍ。 目前，Ｓ１竖井已施工４６０ｍ，Ｓ２竖井已施工３００ｍ， 竖井凿井完成后进行简易改绞，便于主洞施工， Ｓ３竖井已完建。ｓ３竖井于２０１６年７月８日开始施 主要进行封口盘改造、滑模拆除、井架天轮重新安 工，同年１１月２５日到底，月高峰掘砌进尺１２０ｍ／月， 装、罐道和罐道梁安装、梯子问安装、管路线路安装、 目前改绞已完成，并开始主洞掘进。３条竖井的设计 罐笼安装、主洞施工设备下放等。 和在施工过程中遇到的问题，为后续竖井的设计积 ５施工中的主要问题 累了丰富的经验。 （１）对于支护形式，煤矿、冶金行业竖井井筒大 参考文献： 多自上而下整体衬砌，Ⅱ～Ⅲ类围岩采用素混凝土 ［１］ＳＬ ６４２—２０１３，水利水电地下工程施工组织设计规范［ｓ］． 衬砌。该工程竖井作为施工支洞使用时间短，后期 ［２］ＧＢ １６４２３—２００６，金属非金属矿山安全规程［ｓ】． 仅作为通风井使用，Ⅱ～Ⅲ类围岩段井筒设计采用 ［３］ＧＢ ５０６５３—２０１ １，有色金属矿山井巷工程施工规范【ｓ】． 喷锚支护，但在实际施工时存在以下问题：①竖井施 ［４］ＧＢ ５０９１５—２０１３，有色金属矿山井巷工程设计规范【ｓＪ． 工单位均为煤矿建设单位，其设备和施工人员习惯 ［５］崔云龙．简明建井工程手册【Ｋ１．北京：煤炭工业出版社， ２０００． 于整体衬砌施工；②基岩裂隙水顺井壁流至掌子面， ［６］于励民，仵自连．矿山固定设备选型使用手册【ＫＪ．北京：煤 影响混凝土喷护质量，部分渗水点钢筋出露；③井壁 炭工业出版，２００７． 凹凸不平，裂隙水不能顺流而下，无法使用截水槽截 ［７］张荣立，何国纬，李铎．采矿设计手册【Ｋ】．北京：煤炭工业出 水，掌子面施工环境差；④喷锚支护施工时间较衬砌 版．２００３． （上接第５０页）电站实际运行经验，对转轮进行进 ［２］蔡燕生．水轮机调节【Ｍ】．郑州：黄河水利出版社，２００９． 步分析优化，选择更为合适的转轮，以提高电站水 ［３］魏守平．现代水轮机调节技术［Ｍ］．武汉：华中科技大学出 一轮机的稳定运行性能和抗空蚀性能。 版社，２００２． ［４］唐红－弓ｌ水式电站水轮机调保两段关闭计算ｆＪ】．甘肃水利 参考文献： 水电技术，２００７，４３（２）：１２８—１２９． ［１］盛国林，黄平，廖海春．改善水力机组调保参数的措施『Ｊ１． ［５］唐澍，陆力，马素萍．水力机械新技术的研究与应用［ＪＪ．水 水电站机电技术，２０１３，３６（２）：７—８． 利水电技术，１９９９，３０（１ １）：１—３．
