罗哲
华自科技股份有限公司 湖南长沙 410000
1 电站概况
本水电站项目为非洲某国国家供电系统的主体工程的一部分，该工程分为两期开发，一期工程已于上世纪70年代完成了大坝、引水明渠、1#压力钢管、1#~2#机厂房建设和1#机和2#机的安装及一期配套升压站安装，装机容量2*5MW，目前仍能够发电；二期工程为扩建工程，计划安装3#~4#机，设计装机2*5MW，装机厂房要求与一期工程合为一体，设计为2台立式混流机组，与一期工程共用引水渠道，重新铺设独立的引水压力钢管，独立的厂房防洪墙体，发电机地面与一期厂房发电机层地面保持同一高程514m,此高程以上建筑保持相同，水轮机层地面高程由于机型与机墩结构不相同，就不能与一期工程的水轮机地面完全保持一致，厂房机械及电气设备设计采用目前主流设备及控制方式。
本项目将新续建1根440m长的、直径2.1-2.3m的压力钢管主干管，2根直径1.4m、长度分别约9.6m及17m的支管和1个月牙肋岔管；扩建一座新的水力发电厂房，内部安装2台5MW水轮发电机组及其辅助设备和配套电气设备；开关站部分设备的新建，补充一台2#主变压器，补建一个新的110kV出线间隔；另外还有其他附属工程的建设（1*综合性办公楼，1*综合性食堂，1*综合性员工宿舍，1*停车场，1*文体娱乐球场，8*独立别墅）。
2 电站主要参数
1) 电站设计水头Hr = 64 m,
最大水头Hmax = 68 m
最小水头Hmin = 60 m
2) 电站设计流量Qr = 18 m3/s
3) 电站装机容量N = 10 MW
4) 电站装机台数a = 2 台
5) 单机额定功率P = 5 MW
6) 最低尾水海拔高度▽ = 507 m
3 机组台数和型式
本电站使用方案为：装机容量2×5MW，单机容量5MW，装机2台。机型为立式混流式水轮机。
4 水轮机型号比较计算
根据水电站的工作水头范围，查根据主机厂家提供的混流式水轮机综合特性曲线得HLA801型水轮机和 HLD267型水轮机可以使用，这2型水轮机最高效率都超过94%，但最优的单位转速和最优单位流量不同，需要将两种水轮机列入比较方案，对其参数分别予以计算和选定。
.png)
图1 HLA801的综合特性曲线
.png)
图2 HLD267的综合特性曲线
4.1 HLA801型水轮机方案主要参数计算
4.1.1转轮直径的计算
.png)
式中 Nr …… 水轮机额定出力， Nr=P/ηe；
ηe …… 发电机额定功率P时的效率 ηe=96.5%；
Q1' …… 查模型特性曲线，在最优工况点右边靠近出力限制线附近选取取算单位流量, Q1'= 0.9 m3/s;
在模型特性曲线上查得Q1'时的水轮机模型效率η=93%，初步假定水轮机在该工况的效率为η=93%；
将以上各值代入(1)式计算得 D 1 ’= 1.1102 m
选用与之接近而偏大的园整后直径D 1 = 1.11m
4.1.2效率修正值的计算
由模型特性曲线查得水轮机模型在最优工况下的ηMmax =94.8%；
模型转轮直径D1m= 0.36m, 则原型水轮机的最高效率ηmax可依（2）式计算，即:
.png)
得ηmax= 95.86%，
考虑到制造工艺水平的情况，取制造工艺修正值ε1=1%
水轮机所应用的蜗壳和尾水管的型式与模型基本相似，故选型式修正值ε2=0， 则效率修正值为：
.png)
由此求得水轮机在限制工况的效率为：η0= 93.06%
与（1）式假定的效率值接近，所以转轮直径不需要复算。
确定水轮机转轮直径为 D1=1.11m.
4.1.3 同步转速n的计算
.png)
式中：
由模型特性曲线查得在最优工况下的模型单位转速 72r/min
单位转速修正值
.png)
得 72.4r/min
将数值代入（3）式得水轮机最优转速 n= 517.1 r/min
选定与水轮机最优转速接近的额定转速n=500r/min.
4.1.4工作范围的计算
验算水轮机在额定转速情况下，各种特征水头时相应的单位转速值n1'及额定功率时的单位流量值Q1'和使用流量值Q.
a. 在设计水头Hr = 64.00 m 时
.png)
初定某个效率值，根据下面单位流量的计算值，多次试算后，在模型曲线上查得效率为94%，得修正后效率为94.06%，这样就确定了额定流量：
.png)
水轮机出力Nr= 5.1556 MW
在HLA801型水轮机的模型综合特性曲线图上，画出水轮机相似工作范围。
4.1.5 水轮机吸出高度的计算
由水轮机的设计工况，在模型综合特性曲线图上可查得相应的气蚀系数σ=0.08, 由设计水头Hr=64m, 查《水轮机设计手册》，得气蚀系数修正值 =0.02, 则可求得水轮机的允许吸出高程为：
.png)
式中 Nr …… 水轮机额定出力， Nr=P/ηe；
ηe …… 发电机额定功率P时的效率 ηe=96.5%；
Q1' …… 查模型特性曲线，在最优工况点右边靠近出力限制线附近选取取算单位流量, Q1'=1.0 m3/s;
在模型特性曲线上查得Q1'时的水轮机模型效率η=92.5%，初步假定水轮机在该工况的效率为η=92.5%；
将以上各值代入(1)式计算得 D 1‘ = 1.056 m,
选用与之接近的园整后直径D 1 =1.05m,
4.2.2 效率修正值的计算
由模型特性曲线查得水轮机模型在最优工况下的ηMmax =94.54%；
模型转轮直径D1m= 0.46m, 则原型水轮机的最高效率ηmax可依（2）式计算，即:
.png)
得ηmax= 95.37%，
考虑到制造工艺水平的情况，取制造工艺修正值ε1=1%
水轮机所应用的蜗壳和尾水管的型式与模型基本相似，故选型式修正值 2=0， 则效率修正值为：
.png)
由此求得水轮机在限制工况的效率为：η0= 92.33%
与（1）式假定的效率值接近，所以转轮直径不需要复算。
故确定水轮机转轮直径为 D1=1.05m.
4.2.3 同步转速n的计算
.png)
式中：
由模型特性曲线查得在最优工况下的模型单位转速 77.5r/min
单位转速修正值
.png)
得 77.84r/min
将数值代入（3）式得水轮机最优转速 n= 593.1 r/min
选定与水轮机最优转速接近的额定转速n=600r/min.
4.2.4 工作范围的计算
验算水轮机在额定转速情况下，各种特征水头时相应的单位转速值n1'及额定功率时的单位流量值Q1'和使用流量值Q.
a. 在设计水头Hr = 64.00 m 时
.png)
水轮机出力Nr= 5.3582 MW
在HLD267型水轮机的模型综合特性曲线图上，画出水轮机相似工作范围。
4.2.5 水轮机吸出高度的计算
由水轮机的设计工况，在模型综合特性曲线图上可查得相应的气蚀系数σ=0.095, 由设计水头Hr=64m, 查《水轮机设计手册》，得气蚀系数修正值 =0.02, 则可求得水轮机的允许吸出高程为：
.png)
.png)
图3 气蚀系数修正值与水头的关系曲线
5 水轮机型号确定
为了便于分析比较，现将两种方案的有关参数列于表1：
.png)
从上表的对照中可以看出，两种机型方案在同样水头下同时满足额定出力，从HLD267与HLA801相比较来看，HLD267具有转轮直径小、额定转速高等优点，这可以降低机组造价，最低水头60米时能出力更大，而工作范围、效率等二者相差不大，只是因空化系数略高使得允许的吸出高度比HLA801略低，但本项目为扩建，装置高程及尾水位已经确定，装置吸出高程为-0.4米，故两型水轮机都能满足要求。 综合考虑，选用HLD267型水轮机较好,具体水轮机型号为HLD267-LJ-105，相对应的配套发电机型号为SF5000-10/2600.
6.该项目为扩建工程，厂房为原厂房的延伸，水轮机型式需与原机型相似，限制了其它机组型式的选择。根据以上设计选型，该电站机组已经安装完成，运行情况良好。