河南禹门河水电站水轮机参数选择和结构特点（张新伟,王文先,杨剑平）

［关键词］水轮机 参数 结构 禹门河水电站

1 电站概况

禹门河反调节水库位于河南省洛宁县兴华乡禹门河村，黄河一级支流洛河干流上，为洛河洛宁段水电规划开发的第四级。作为上游已建故县水库的反调节水库，禹门河水库主要用来消除故县电站调峰运用对下游梯级电站、工农业用水的不利影响，兼顾发电。

水库总库容2 810万m3。水库正常蓄水位413.50m，死水位411.00m。设计洪水位420.51m，校核洪水位425.30m。大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高61.50m，坝顶总长213.25m，由挡水坝段、溢流坝段、排沙孔坝段、电站坝段组成。

坝后式电站厂房由主机间和安装间组成，主厂房尺寸为43.84m×13.94m（长×宽），其内布置三台容量为3.5MW的立轴混流式水轮发电机组。副厂房布置在主厂房上游侧，其尺寸为43.84m×6.94m（长×宽）。

电站额定水头21.6m，总装机容量10.5MW(3×3.5MW)，年平均发电量4 668万kW.h，年利用小时4 445h。

2 电站基本参数

(1) 水库水位：正常蓄水位413.50m,死水位411.00m

(2) 电站尾水位：最高尾水位393.20m,最低尾水位390.80m

(3) 电站水头：最大水头22.2m,最小水头19.8m,额定水头21.6m

(4) 装机容量：10.5MW

3水轮机机型选型及主要参数

3.1水轮机机型选择

根据电站的运行水头范围，在中小型水轮机型谱中较合适的模型转轮型号有：HL240、HLD74。其模型转轮的基本参数见表1。

从上表1所列数值比较看出，HL260/D74模型转轮在能量指标和空化性能方面均优于HL240机型。另外，HL260/D74转轮在限制工况下的过流量也稍大于HL240转轮。

需要说明的是该水头段也可以选择轴流定浆机型，整台机组造价稍有降低。但由于定浆机组的运行范围较小，偏离额定运行点后效率将急剧下降，其真机最高效率较混流式约低2%，长期运行将带来较大的经济损失。所以对轴流定浆机组方案未作进一步比较。

经综合比较，选定HL260/D74作为推荐机型。

3.2 装机台数选择

禹门河水电站总装机容量为10.5MW。根据《小型水力发电站设计规范》（GB 50071-2002）规定，机组台数不宜少于2台或多于4台。因此，考虑装机2台和装机3台两个方案。

两个方案的主要参数见表2。

根据动能专业提供的44年长系列各月发电流量出现的频率统计，禹门河水库发电流量小于11m3/s的频率约为85%。如装设2台机，单机流量较大，预计机组将有很高的几率运行在较低的负荷，不利于机组的稳定运行。

装机3台方案单机流量较小，可以大大降低较低负荷运行的几率。装机3台电站运行也更为灵活，同时机组转速较高，也降低发电设备和其中设备的投资。

综上所述，推荐装机3台方案，单机容量为3.5MW。

3.3 水轮机额定水头选择

电站运行水头范围19.8～22.2m，加权平均水头为22.0m。根据《小水电水能设计规程》（SL76-94）规定，电站额定水头可取0.95～1.0倍的加权平均水头。参考规划专业提供的44年水头过程，为减少水轮机的出力受阻几率，确定额定水头为21.6m，约为加权平均水头的0.98倍。

3.4 机组安装高程

机组安装高程应按一台机组在各种运行水头下发最大出力时对应的尾水位和允许的吸出高度确定，按此确定的安装高程使得尾水管扩散段出口的顶缘高于下游最低尾水位（390.8m 高程），不满足机组运行要求。

根据《小型水力发电站设计规范》（GB50071-2002）规定，立轴水轮机弯曲型尾水管的顶缘应处于下游最低尾水位以下至少0.5m，由此可确定机组的安装高程为392.40m。

3.5 水轮发电机组主要参数

根据选定的水轮机转轮型号及单机容量方案，水轮发电机组主要技术参数计算值如表3所列。

4 水轮机主要结构特点

转轮采用抗空蚀及抗磨性能和焊接性能良好的材料，叶片采用0Cr13Ni4Mo不锈钢材料，上冠、下环均采用ZG35钢整体浇注。转轮表面光洁度和流道尺寸符合GB/T10969-1996《水轮机通流部件技术条件》的要求。转轮和主轴采用法兰螺栓联接。转轮装配的所有螺栓和销子，可以确保防止由于振动及其他原因引起的松动。转轮加工完毕在厂内做静平衡试验。

主轴采用20SiMn合金钢锻制而成。水轮机主轴上端法兰与发电机下法兰直接连接，主轴在达到最大飞逸转速范围内的任一转速下运转，而不产生有害的振动和变形，机组旋转部分的临界转速至少比最大飞逸转速高25%。主轴密封采用活塞式密封，具有良好的封水性、耐磨性、结构简单、便于维护、观察和更换，主轴密封元件为自补偿型，在运行中对磨损可自动调整。

水轮机导轴承采用自循环稀油润滑筒式轴承，其结构可靠和便于检修，并有足够的主轴密封检修位置。导轴承运行时保证不漏油、不甩油。导轴承轴瓦采用巴氏合金材料，轴承冷却器置于轴承体内，便于拆卸检修，轴瓦内设有测温装置，并有报警接点。

座环采用Q235-A碳钢，焊接结构。

蜗壳采用金属焊接结构，蜗壳进口设置测量进口压力测头。蜗壳上部设置弹性垫层，有沥青、石棉、毛毡等材料组成，以避免水压力直接传到混凝土和上部混凝土传来的外部荷载直接作用到蜗壳上。

顶盖采用Q235A钢板整体结构。顶盖用螺栓和定位销连接到座环的法兰上，顶盖上装有主轴密封设备、水导轴承支座、导叶控制机构等，还装有活动导叶自润滑动轴承、导叶套筒、导叶端面密封，开设足够截面的排水孔，并配置相应的排水管道和真空破坏阀。

底环为单独件，可以从座环上拆下，采用ZG230-45钢整体铸造而成。底环上有和导叶轴颈配合的自润滑滑动轴承，各轴承的中心线和顶盖上的导叶轴承中心线严格同心。

导叶采用铸钢材质。每个导叶均设有剪断销装置，当剪断销破断时能自动报警。导叶装设有限位装置，该装置可限制导叶在剪断销剪断后不产生摆动和不稳定运动。控制环采用Q235钢板焊接结构。

尾水管为弯肘型。尾水管锥管段采用Q235钢板制成，尾水锥管外壁配有足够的加强筋、拉筋和支撑。尾水管上设有有效的补气装置，并配有真空破坏阀。

5结语

禹门河水电站工程3台机组已于2008年10月份全部安装调试完成，顺利并网发电。机组运行稳定，各项性能指标达到设计要求。