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摘要：通过冲击式和混流式机组的经济技术比较，结合目前长短叶片混流式水轮机在国内的应用状况，选择金元水电站的机型。
关键词：金元水电站高水头冲击式水轮机长短叶片混流式水轮机
1工程概况
金元水电站位于四川省甘孜藏族自治州的康定县境内、大渡河左岸支流金汤河干流中游，为金汤河干流梯级开发的第二级水电站，引水式开发。坝址位于康定县捧塔乡的下关门石、左岸支流雪顶沟汇口下游1.9km处。电站装机2台，单机容量60MW，总装机容量120MW，保证出力2.201万kW，多年平均年发电量5.558亿kW，年利用小时4632h。工程任务为发电，无灌溉、防洪等综合利用要求。该工程目前已完成机组招标采购工作，正在进行施工建设，将于2015年5月发电。
2电站基本参数
2.1水位
正常蓄水位2610.00m
死水位2602.00m
设计尾水位(P =2%)2155.57m
正常尾水位 2154.11m
2.2水库性能
总库容 13.3万m3
调节库容 9.6万m3
调节性能 日调节
2.3 水头
最大水头 455.00m
最小水头(净)411.50m
加权平均水头(净)423.50m
额定水头(净)411.500m
2.4 泥沙特性
多年平均悬移质年输沙量 5.26万t
多年平均含沙量 0.1kg/m3
多年平均过机含沙量：0.0427kg/m3
3机组机型选择
金元水电站水头范围411.50m~455.00m，Hmax/HR=1.106、Hmin/Hr=1.0、 Hmax/Hmin=1.106，可供选择的水轮机型式有混流式与水斗式，以下对混流式和水斗式两种水轮机进行比较选择。
3.1国内应用状况简析
水斗式水轮机的最高效率低于混流式水轮机，但其高效率区广，在25%~100%额定负荷的出力范围内均具有较高效率，调节能力优于混流式水轮机，其结构较混流式水轮机简单，检修更换部件方便，检修周期短。但由于排出高度的要求，水斗式水轮机转轮需装设在最高尾水位以上，因此，水斗式水轮机会因水头利用不充分而造成多年平均年电量较混流式少，但可减少主厂房下部的开挖量。在国内高水头混流式水轮机尚未开发时，当电站水头高于350m时，大多采用水斗式水轮机。国内中、高水头水斗式水轮机应用情况统计见表1。
由表1可看出，国内高水头大容量水斗式水轮机使用经验不多，目前自行设计制造的最大容量水斗式水轮机容量达3.5万kW，随着技术水平的发展，使得制造大容量水斗式水轮机成为可能。
混流式水轮机最高效率和额定工况点效率均比水斗式水轮机高，有较高的比转速，在相同条件下转轮直径较小，使得机组尺寸小、重量轻、厂房平面尺寸较小、主机设备投资比水斗式水轮机低。
近年来，国内合资企业通过引进国外先进成熟的高水头混流式的设计、制造技术及经验，已在四川的姚河坝(额定水头280m，单机容量5万kW)、冷竹关电站(额定水头362m，最大水头387.5m，单机容量6万kW)中应用，自2000年投运以来，运行情况良好。自一里电站(额定水头445m，最大水头474.14m，单机容量6.5万kW)、周宁电站(额定水头400m，最大水头437.2m，单机容量12.5万kW)、小天都电站(额定水头358m，最大水头392.9m，单机容量8万kW)、联补水电站(额定水头416.9m，最大水头457.2m，单机容量6.5万kW)和本河流下游梯级金康电站(额定水头448m，最大水头498m，单机容量7.5万kW)等高水头电站也已采用混流式水轮机，全部部件均在国内生产并即将投运。国内目前使用混流式水轮机水头最高的硗碛电站机组(额定水头490m，最大水头553.6 m，单机容量8万kW)，仅转轮等关键过流部件从国外引进。由此可见，国内合资企业已具有生产500m水头段混流式水轮机的能力，国内主要的水轮发电机组制造厂也已陆续开发出优良的500m水头段混流式水轮机模型转轮，使我国高水头混流式水轮机的研究、设计、制造水平达到了一个新的高度。国内中高水头混流式水轮机应用简况见表2。
3.2 模型参数分析
3.2.1 水斗式水轮机模型参数
a) 单喷嘴比转速ns1和直径比m选择
根据前苏联型谱K600型转轮ns1≈20m·kW；天津阿尔斯通推荐ns1≈20.5~22.8m·kW；苏尔寿水电公司推荐ns1≈20.8m·kW；我国冲击式水轮机的Hr和ns1分布图，当Hr=411.5m时，ns1≈17.5~20.5m·kW；综合表2国内中、高水头水斗式水轮机的参数，水斗式机型的单喷嘴比转速ns1≈11~23 m·kW，直径比m取值在9~19之间；根据已有统计资料显示，水斗式水轮机保持有较高效率的单喷嘴比转速ns1≈12~21 m·kW，直径比m取在10~18之间；m值与水头的关系见表3；结合本电站的实际情况，业主要求立足国内制造，单喷嘴比转速ns1不宜太高，取ns1≈18~20m·kW为宜；考虑到电站主要承担系统调峰任务，机组负荷变动大，直径比m值不宜取得过大，以保证小负荷时能处于高效区运行；直径比m取值在10~13之间。
表3为各国推荐的m值与水头的关系。
b) 喷嘴数选择
根据电站参数，水斗式水轮机可以选择4喷嘴或5喷嘴，两方案的机组参数见表4，经分析，两方案的机组参数水平相当，结合我国水斗式水轮机的应用情况和本电站水头、容量，并考虑选4喷嘴时，转轮尺寸过大、转速过低等因素，本电站选择五喷嘴水斗式水轮机。
由表5可以看出，500m水头段的混流式水轮机，最优工况下的比转速约为65～75m·kW，相对应于金元水电站的比转速系数k在1320～1521之间；由国内中高水头混流式水轮机应用简况表2中与金元水电站水头相近电站水轮机比转速统计结果分析，这些电站水轮机额定点比转速在73～85m·kW之间，比转速系数k大约在1500～1700之间。考虑金元水电站在系统中担任调峰任务，出力变化范围大，水轮机参数选择应重视以运行稳定为主，因此水轮机的比转速不宜选择过高。根据上述各表中数据，经比较分析，选择金元水电站水轮机额定点比转速ns在73~80 m·kW之间较为合适，相应的比速系数K在1480~1623之间。
b)水轮机模型预想参数选择
1）单位转速n'10选择
水轮机单位转速n'10选择应力求使水轮机运行的平均效率高，磨损、空化系数小，发电机重量轻、投资少。参照上述各表中数据，推荐选择转轮最优单位转速n'10在58～62r/min之间。
2）单位流量Q'l选择
水轮机单位流量Q'l的选择，既要考虑较大Q'l有利于减轻水轮机重量以及低水头时能发出较大的预想出力；又要考虑过大的Q'l会造成流道流速增加，空化系数增加，从而降低水轮机的空蚀性能等不利因素。根据nS=73~80m.kW、n'10=58~62r/min ，按公式计算得到Q'l=0.16~0.21m3/s；参考上述各表，综合考虑空化性能、机组造价等因素，本阶段推荐选择水轮机单位流量Q'l= ~0.175m3/s左右。
3）水轮机效率选择
水轮机效率是评价水轮机能量特性的主要指标，直接影响到电站的经济效益。金元水电站以发电为主要开发任务，同时可承担调峰及事故备用，因此要求水轮机具有较高的效率水平，特别是加权平均效率。经分析比较，推荐水轮机模型最高效率不低于93%、额定工况点模型效率不低于91%。
4）装置气蚀系数选择
水轮机气蚀性能直接影响电站工程量、投资、运行安全及稳定性、检修周期等。水轮机气蚀系数采用统计法初步计算选定，表6列出了用不同公式计算出的水轮机装置气蚀系数。
根据上表计算结果，同时参考表5中模型气蚀系数，推荐选择水轮机装置气蚀系数σP =0.039。
c) 模型转轮预想参数汇总
3.3 两种机型比较选择
对于两种机型，均可选择装设2台和3台机组，经计算比较，两种机型均以2台机方案为优，根据选择的水斗式水轮机和混流式水轮机模型参数，经计算，其相应的电站参数、指标及投资见表8。
从表中可以看出，在技术经济参数方面，由于混流式机型比转速高于水斗式机型，2台混流式机型方案比2台水斗式机型投资少1675万元；混流式水轮机效率高，额定效率比水斗式高约3%。有试验资料表明，通常采用长短叶片的混流式水轮机在出力范围为(40%~100%)Nr时效率始终比水斗式水轮机高；水斗式水轮机效率随出力变化较小，但对水头变化敏感；由于排出高度的要求，水斗式水轮机转轮需装设在最高尾水位以上3.0m，考虑下游尾水位变幅，由此水斗式水轮机会因水头利用不充分造成一定电量损失；经动能计算，混流式机型的多年平均发电量要比水斗式多约550万kW·h；混流式机型吸出高度与水斗式机型排出高度的差别对本电站工程投资的影响较大，水斗式机型尾水闸室布置简单，机组安装高程高，因而厂房土建投资较混流式机型低810万元；混流式机型机电投资比水斗式机型总投资少1675万元，相比较，采用混流式机型为优。
在运行维护方面，混流式水轮机结构复杂，易损部件较水斗式水轮机多，检修、更换和维护工作量大，运行维护费用较高；混流式水轮机过流部件多，迷宫及导叶端面间隙小，受泥沙磨损影响后更换不方便，检修工作量大。但金元水电站过机泥沙小，预计泥沙磨损轻微，大修间隔时间较长；水斗式水轮机在含沙水流下运行，喷针头、喷嘴口环及水斗分水刃的磨损也非常剧烈，但这些部件相对独立，更换方便(在有备件的情况下，1~2天即可完成)；混流式机组发生振动、噪音及不稳定的机率较高，但大多数制造厂家认为只要设计合理，尾水管压力脉动幅值(即峰至峰值)△H一般可控制在相应水头的3%。
鉴于以上原因，混流式机型初期投资低，效率高，多年平均发电量高；水斗式水轮机具有运行、维护简单和零部件更换方便，检修工期短等特点，具有较好的运行维护性能；而金元水电站机组过机泥沙含量不大，在水轮机转轮及导水机构采用不锈钢抗磨材料、导叶采用端部大圆盘型并用电渣熔铸和转轮叶片采用钢板模压等综合抗磨措施后，预计由泥沙磨损引起的机组检修周期会较长。因此，金元水电站选用2台HL-LJ-215混流式水轮机，配套2台SF60-10/4170悬式水轮发电机。
3结语
高水头混流式水轮机由于采用长短叶片，当机组在部分负荷运行时，可使转轮进口处的流态得到更好控制，防止产生涡流和回流，同时减小转轮在进口处产生空蚀的倾向，使得转轮能在更宽的水头范围和出力范围内运行；与采用普通结构的转轮相比具有更好的流态和稳定性。
我国地形地貌复杂，拥有众多的高水头电站，建议在少泥沙高水头电站大力推广使用长短叶片的混流式水轮机。
主要参考文献：
12000年5月 《中国水力发电工程 机电卷》中国电力出版社
22005年10月 《 GE现代水电技术研讨会论文集》
关键词：金元水电站高水头冲击式水轮机长短叶片混流式水轮机
1工程概况
金元水电站位于四川省甘孜藏族自治州的康定县境内、大渡河左岸支流金汤河干流中游，为金汤河干流梯级开发的第二级水电站，引水式开发。坝址位于康定县捧塔乡的下关门石、左岸支流雪顶沟汇口下游1.9km处。电站装机2台，单机容量60MW，总装机容量120MW，保证出力2.201万kW，多年平均年发电量5.558亿kW，年利用小时4632h。工程任务为发电，无灌溉、防洪等综合利用要求。该工程目前已完成机组招标采购工作，正在进行施工建设，将于2015年5月发电。
2电站基本参数
2.1水位
正常蓄水位2610.00m
死水位2602.00m
设计尾水位(P =2%)2155.57m
正常尾水位 2154.11m
2.2水库性能
总库容 13.3万m3
调节库容 9.6万m3
调节性能 日调节
2.3 水头
最大水头 455.00m
最小水头(净)411.50m
加权平均水头(净)423.50m
额定水头(净)411.500m
2.4 泥沙特性
多年平均悬移质年输沙量 5.26万t
多年平均含沙量 0.1kg/m3
多年平均过机含沙量：0.0427kg/m3
3机组机型选择
金元水电站水头范围411.50m~455.00m，Hmax/HR=1.106、Hmin/Hr=1.0、 Hmax/Hmin=1.106，可供选择的水轮机型式有混流式与水斗式，以下对混流式和水斗式两种水轮机进行比较选择。
3.1国内应用状况简析
水斗式水轮机的最高效率低于混流式水轮机，但其高效率区广，在25%~100%额定负荷的出力范围内均具有较高效率，调节能力优于混流式水轮机，其结构较混流式水轮机简单，检修更换部件方便，检修周期短。但由于排出高度的要求，水斗式水轮机转轮需装设在最高尾水位以上，因此，水斗式水轮机会因水头利用不充分而造成多年平均年电量较混流式少，但可减少主厂房下部的开挖量。在国内高水头混流式水轮机尚未开发时，当电站水头高于350m时，大多采用水斗式水轮机。国内中、高水头水斗式水轮机应用情况统计见表1。
由表1可看出，国内高水头大容量水斗式水轮机使用经验不多，目前自行设计制造的最大容量水斗式水轮机容量达3.5万kW，随着技术水平的发展，使得制造大容量水斗式水轮机成为可能。
混流式水轮机最高效率和额定工况点效率均比水斗式水轮机高，有较高的比转速，在相同条件下转轮直径较小，使得机组尺寸小、重量轻、厂房平面尺寸较小、主机设备投资比水斗式水轮机低。
近年来，国内合资企业通过引进国外先进成熟的高水头混流式的设计、制造技术及经验，已在四川的姚河坝(额定水头280m，单机容量5万kW)、冷竹关电站(额定水头362m，最大水头387.5m，单机容量6万kW)中应用，自2000年投运以来，运行情况良好。自一里电站(额定水头445m，最大水头474.14m，单机容量6.5万kW)、周宁电站(额定水头400m，最大水头437.2m，单机容量12.5万kW)、小天都电站(额定水头358m，最大水头392.9m，单机容量8万kW)、联补水电站(额定水头416.9m，最大水头457.2m，单机容量6.5万kW)和本河流下游梯级金康电站(额定水头448m，最大水头498m，单机容量7.5万kW)等高水头电站也已采用混流式水轮机，全部部件均在国内生产并即将投运。国内目前使用混流式水轮机水头最高的硗碛电站机组(额定水头490m，最大水头553.6 m，单机容量8万kW)，仅转轮等关键过流部件从国外引进。由此可见，国内合资企业已具有生产500m水头段混流式水轮机的能力，国内主要的水轮发电机组制造厂也已陆续开发出优良的500m水头段混流式水轮机模型转轮，使我国高水头混流式水轮机的研究、设计、制造水平达到了一个新的高度。国内中高水头混流式水轮机应用简况见表2。
3.2 模型参数分析
3.2.1 水斗式水轮机模型参数
a) 单喷嘴比转速ns1和直径比m选择
根据前苏联型谱K600型转轮ns1≈20m·kW；天津阿尔斯通推荐ns1≈20.5~22.8m·kW；苏尔寿水电公司推荐ns1≈20.8m·kW；我国冲击式水轮机的Hr和ns1分布图，当Hr=411.5m时，ns1≈17.5~20.5m·kW；综合表2国内中、高水头水斗式水轮机的参数，水斗式机型的单喷嘴比转速ns1≈11~23 m·kW，直径比m取值在9~19之间；根据已有统计资料显示，水斗式水轮机保持有较高效率的单喷嘴比转速ns1≈12~21 m·kW，直径比m取在10~18之间；m值与水头的关系见表3；结合本电站的实际情况，业主要求立足国内制造，单喷嘴比转速ns1不宜太高，取ns1≈18~20m·kW为宜；考虑到电站主要承担系统调峰任务，机组负荷变动大，直径比m值不宜取得过大，以保证小负荷时能处于高效区运行；直径比m取值在10~13之间。
表3为各国推荐的m值与水头的关系。
b) 喷嘴数选择
根据电站参数，水斗式水轮机可以选择4喷嘴或5喷嘴，两方案的机组参数见表4，经分析，两方案的机组参数水平相当，结合我国水斗式水轮机的应用情况和本电站水头、容量，并考虑选4喷嘴时，转轮尺寸过大、转速过低等因素，本电站选择五喷嘴水斗式水轮机。
由表5可以看出，500m水头段的混流式水轮机，最优工况下的比转速约为65～75m·kW，相对应于金元水电站的比转速系数k在1320～1521之间；由国内中高水头混流式水轮机应用简况表2中与金元水电站水头相近电站水轮机比转速统计结果分析，这些电站水轮机额定点比转速在73～85m·kW之间，比转速系数k大约在1500～1700之间。考虑金元水电站在系统中担任调峰任务，出力变化范围大，水轮机参数选择应重视以运行稳定为主，因此水轮机的比转速不宜选择过高。根据上述各表中数据，经比较分析，选择金元水电站水轮机额定点比转速ns在73~80 m·kW之间较为合适，相应的比速系数K在1480~1623之间。
b)水轮机模型预想参数选择
1）单位转速n'10选择
水轮机单位转速n'10选择应力求使水轮机运行的平均效率高，磨损、空化系数小，发电机重量轻、投资少。参照上述各表中数据，推荐选择转轮最优单位转速n'10在58～62r/min之间。
2）单位流量Q'l选择
水轮机单位流量Q'l的选择，既要考虑较大Q'l有利于减轻水轮机重量以及低水头时能发出较大的预想出力；又要考虑过大的Q'l会造成流道流速增加，空化系数增加，从而降低水轮机的空蚀性能等不利因素。根据nS=73~80m.kW、n'10=58~62r/min ，按公式
3）水轮机效率选择
水轮机效率是评价水轮机能量特性的主要指标，直接影响到电站的经济效益。金元水电站以发电为主要开发任务，同时可承担调峰及事故备用，因此要求水轮机具有较高的效率水平，特别是加权平均效率。经分析比较，推荐水轮机模型最高效率不低于93%、额定工况点模型效率不低于91%。
4）装置气蚀系数选择
水轮机气蚀性能直接影响电站工程量、投资、运行安全及稳定性、检修周期等。水轮机气蚀系数采用统计法初步计算选定，表6列出了用不同公式计算出的水轮机装置气蚀系数。
根据上表计算结果，同时参考表5中模型气蚀系数，推荐选择水轮机装置气蚀系数σP =0.039。
c) 模型转轮预想参数汇总
3.3 两种机型比较选择
对于两种机型，均可选择装设2台和3台机组，经计算比较，两种机型均以2台机方案为优，根据选择的水斗式水轮机和混流式水轮机模型参数，经计算，其相应的电站参数、指标及投资见表8。
从表中可以看出，在技术经济参数方面，由于混流式机型比转速高于水斗式机型，2台混流式机型方案比2台水斗式机型投资少1675万元；混流式水轮机效率高，额定效率比水斗式高约3%。有试验资料表明，通常采用长短叶片的混流式水轮机在出力范围为(40%~100%)Nr时效率始终比水斗式水轮机高；水斗式水轮机效率随出力变化较小，但对水头变化敏感；由于排出高度的要求，水斗式水轮机转轮需装设在最高尾水位以上3.0m，考虑下游尾水位变幅，由此水斗式水轮机会因水头利用不充分造成一定电量损失；经动能计算，混流式机型的多年平均发电量要比水斗式多约550万kW·h；混流式机型吸出高度与水斗式机型排出高度的差别对本电站工程投资的影响较大，水斗式机型尾水闸室布置简单，机组安装高程高，因而厂房土建投资较混流式机型低810万元；混流式机型机电投资比水斗式机型总投资少1675万元，相比较，采用混流式机型为优。
在运行维护方面，混流式水轮机结构复杂，易损部件较水斗式水轮机多，检修、更换和维护工作量大，运行维护费用较高；混流式水轮机过流部件多，迷宫及导叶端面间隙小，受泥沙磨损影响后更换不方便，检修工作量大。但金元水电站过机泥沙小，预计泥沙磨损轻微，大修间隔时间较长；水斗式水轮机在含沙水流下运行，喷针头、喷嘴口环及水斗分水刃的磨损也非常剧烈，但这些部件相对独立，更换方便(在有备件的情况下，1~2天即可完成)；混流式机组发生振动、噪音及不稳定的机率较高，但大多数制造厂家认为只要设计合理，尾水管压力脉动幅值(即峰至峰值)△H一般可控制在相应水头的3%。
鉴于以上原因，混流式机型初期投资低，效率高，多年平均发电量高；水斗式水轮机具有运行、维护简单和零部件更换方便，检修工期短等特点，具有较好的运行维护性能；而金元水电站机组过机泥沙含量不大，在水轮机转轮及导水机构采用不锈钢抗磨材料、导叶采用端部大圆盘型并用电渣熔铸和转轮叶片采用钢板模压等综合抗磨措施后，预计由泥沙磨损引起的机组检修周期会较长。因此，金元水电站选用2台HL-LJ-215混流式水轮机，配套2台SF60-10/4170悬式水轮发电机。
3结语
高水头混流式水轮机由于采用长短叶片，当机组在部分负荷运行时，可使转轮进口处的流态得到更好控制，防止产生涡流和回流，同时减小转轮在进口处产生空蚀的倾向，使得转轮能在更宽的水头范围和出力范围内运行；与采用普通结构的转轮相比具有更好的流态和稳定性。
我国地形地貌复杂，拥有众多的高水头电站，建议在少泥沙高水头电站大力推广使用长短叶片的混流式水轮机。
主要参考文献：
12000年5月 《中国水力发电工程 机电卷》中国电力出版社
22005年10月 《 GE现代水电技术研讨会论文集》