1 工程概况
小浪底西沟电站作为小浪底水利枢纽的“黑启动”电源，位于小浪底水利枢纽北侧西沟水库下游、桥沟河右岸支沟内。电站运行的原则是优先保证灌溉用水，兼顾发电。电站地面厂房内装设两台单机容量为10 MW的混流式水轮发电机组，水轮机额定水头84.50 m，保证出力19.0 MW，多年平均发电量1.0亿kW·h，年利用小时数为5 000 h。
2 过机含沙量指标的确定
表1列出了小浪底西沟电站运用期内7～9月份过机含沙量出现的频率。过机含沙量的实际数值取50%的频率对应的过机含沙量，由插值导出。表2列出了过机含沙量及泥沙级配。并将其写入主机采购招标文件，作为对水轮机参数选择的重要限制条件。
表1 小浪底西沟电站7 月1 日至9 月30 日过机含沙量出现频率(%)
表2 小浪底西沟电站工程平均过机含沙量单位：kg/m３
3 水轮机参数及机型比选
3.1 水轮机比转速及比速系数
根据电站运行水头范围，应选用混流式水轮机。西沟电站属小型水电站，其模型参数应根据已开发的模型转轮资料通过性能比较选取。比转速ns 及比速系数K 值是表征水轮机综合技术经济水平的重要特征参数，通过对水轮机的参数水平的预测分析，确定影响机型比选的关键因素。
表3 列出了国内部分与西沟电站运行水头相近的电站的基本参数。可以看出，表中所列电站水轮机额定点比转速系数范围为2 071～2 279，平均值约为2 192。其中，地面厂房布置的水轮机比转速系数大多在2 100 左右（平均值为2133），地下厂房布置的水轮机比转速系数接近2 250。尽管大中型水轮机选型均有其特殊性，但其中考虑的原因之一是较高的水轮机参数水平引起的地面厂房土建工程量的增加要甚于地下厂房。
表3 国内部分100 m水头段电站参数
注：有“*”上标者为地面厂房。
为了进一步分析西沟电站水轮机比转速水平，表4列出了文献推荐的较通用的统计公式，并结合电站的具体参数进行了计算。利用经验统计公式所得到的水轮机额定工况点的比转速系数范围为1 920～2 260，平均值约2 076。
表4 水轮机比转速及比速系数计算分析
考虑到西沟电站汛期的过机含沙量远大于其它河流电站，水轮机的比速系数的上限不应大于小山电站的参数水平，即比速系数不应大于2200。
结合发电机同步转速选择因素，西沟电站水轮机可供比较选用的额定转速有600 r/min和500 r/min两档。当水轮机额定出力为10.36 MW时，计算的水轮机比转速分别为238.3 m-kW和198.6 m-kW，比速系数值分别为2191.0和1826.0。
3.2 水轮机模型比较选择
根据公开的部分模型转轮资料及有关水轮机制造厂建议，参与比选的水轮机模型转轮列于表5。结合西沟电站特殊水沙条件，主要从水轮机运行范围和相对磨损强度方面进行比较分析。
表5 水轮机模型转轮参数表
3.2.1水轮机运行范围
水轮机的运行范围应在模型曲线上的最优或较优工况区，水轮机的额定工况点应选在出力限制线附近，不应选在向左偏离出力限制线过远或向右超过出力限制线的位置。
另外，为保证水轮机具有较理想的负荷调节范围，水轮机额定工况单位流量与最优工况单位流量的比值宜大于1．20。表6列出了不同模型方案水轮机的单位流量参数。就A743或A696模型而言，如果实际运行中尽可能使机组在预想出力工况下运行或限制机组过低负荷工况运行，应用于西沟电站是可行的。
HL(F)的Q11r/Q110值小于1．0，即使水轮机在预想出力工况运行，导叶亦处于较小的开度，在含沙水流条件下将加速导水机构过流部件的磨蚀破坏［1］。上述情况产生的原因是在确定的单机容量和水头情况下，为调整在单位转速方向的合理的运行范围使得转轮直径调整过大，从而导致额定工况点落在了最优工况点左侧的不合理结果。另一方面也说明HL(F)应用于西沟电站是不合适的。
表6 水轮机额定工况与最优工况单位流量
3.2.2水轮机磨损强度比较
影响水轮机磨蚀的因素有流场条件、材料性能(包括母材和防护材料)、水力设计和结构设计、电站的运行方式等。根据材料抗磨试验提供的研究成果［2］，计算各模型方案的相对磨损强度。
Δh=KWnρmT
式中:Δh—磨损深度(mm)；
K—与材料有关的系数；
n—流速的指数；
m—含沙量指数，取4.0；
T—磨损时间(h)；
W、ρ为相对流速和含沙量。
相对磨损强度取不同方案磨损深度的相对值。在其他因素相同的情况下，该值仅与相对流速和流速指数有关，计算结果列于表7。
结果表明，A743和HL(F)的磨损强度分别为A696的1．8倍和1．2倍。可以预测因泥沙磨损导致的A743和HL(F)方案水轮机效率下降程度均较A696严重，大修周期和转轮的使用寿命亦将大大缩短。
表7 转轮出口相对流速及相对磨损强度比较
通过以上比较可以认为，影响西沟电站机型选择的主要因素是水轮机的额定转速选择，但最终归结于水轮机参数水平的权衡选择。
西沟电站的泥沙特性与小浪底电站相同，其参数选择可以借鉴小浪底的经验。小浪底电站水轮机实际比速系数为1 720．0，低于相应水头段参数统计计算平均值约19．0%，近10年的运行实践证明水轮机具有良好的抗磨蚀性能。除了其具有较好的水力设计、加工工艺和材质因素外，较低的参数水平也是水轮机具有良好抗磨蚀性能的重要保证。
西沟电站水轮机600 r/min转速方案的比速系数没有突破相近水头段已运行电站的均值，并且也具有性能较优的模型可供采用，但在水轮机磨蚀破坏及经济运行方面存在不可预测的隐患和不利影响。500 r/min转速方案对应的比速系数为1 826，低于西沟电站水头段参数统计平均值约12．0%，对于西沟电站的过机含沙量来说，较高转速方案要稳妥。在机组重量方面，低转速较高转速方案增加重量约8．0 t，设备投资有所增加。由于机组容量较小且属中高水头电站，不同的转速方案对厂房平面尺寸的影响可以忽略。
此外，较低的比转速要求相应较小的电站装置空化系数，可以部分降低电站的土建费用。
经综合考虑，西沟电站推荐500r/min转速方案，水轮机性能不低于A696模型的参数水平。
4 主机及其附属设备的招标采购
西沟电站主机及其附属设备的招标范围包括水轮发电机组、水轮机调速器及其油压装置、励磁系统、水轮机进水阀及其油压装置、水轮机调压阀，采用合标方式进行邀请招标。招标文件于2007年12月28日发售，2008年1月27日开标。参与投标的有杭州杭资通用发电设备有限公司、重庆水轮机厂有限责任公司等4家厂商，经由业主单位组织的评标委员会综合评审，重庆水轮机厂有限责任公司为第一中标人，通过谈判将合同授予了重水公司。
5 结语
西沟电站属于小型水电站，通过对已开发的性能较优模型的分析比较，推荐A696模型、额定转速为500 r/min方案，将会减轻或延缓泥沙对水轮机的磨蚀破坏，有利于机组长期安全稳定及经济运行。小浪底西沟电站首台机组已于2009年1月并网发电，至今运行良好。
参考文献
［1］王冰，杨德晔.中国水力发电工程(机电卷)［M］.北京：中国电力出版社，2000.21-24.
［2］刘善美，等.小浪底水电站水轮机技术参数优选论证报告［R］.郑州：黄委会设计院，1993.87-88.
