1　机组设计要点

1.1　机型与机组台数选择

桑河二级水电站水头范围为14.0～27.9m，装机容量为400MW，根据《水力发电厂机电设计规范》（DL/T 5186）的规定，可供选择的水轮机机型有轴流转桨式和灯泡贯流式。针对桑河二级水电站，因隶属于柬埔寨王国，当地运输条件较差，且电站的运行、检修、维护水平相对较弱，同时考虑到柬埔寨电网总容量较小，从电网安全运行角度考虑，单机容量不宜过大，且较多的机组台数也有利于灵活运行。综合考虑上述因素，并结合机组制造难度和枢纽布置等方面的影响，以5台轴流式机组方案与6台、7台和8台灯泡贯流式机组方案进行机型比较。机组机型及台数比较方案对照表见表1。

由表1可见，方案一轴流机组方案工程可比部分投资最高，方案二6台贯流机组方案最低。轴流机组方案比8台贯流机组方案工程可比部分投资高约1.42亿元，3个贯流机组方案间差异不大。综合机组性能、机组制造可行性、机组运行稳定性、重大件运输、枢纽布置、施工组织、工程投资，以及运行灵活性与生态流量的泄放等的技术经济分析比较，灯泡贯流式机组方案明显优于轴流转桨式机组方案。同时考虑到桑河二级水电站运行水头较高，与同等容量机组相比，其机组尺寸相对较小，发电机的设计、制造难度较大，尤其是发电机通风冷却和机组推力轴承、导轴承支承的难度相对较大，而且该电站位于柬埔寨王国，电网总容量较小，技术力量较弱，运行维护能力较差，较多的机组台数有利于灵活运行，机组检修对电网的影响较小。综上所述，桑河二级水电站选用8台单机容量50MW的灯泡贯流式水轮发电机组方案。

1.2　额定水头选择

额定水头是水轮机的重要参数之一，额定水头选择直接关系到机组主要参数的确定，同时与水电站的水头保证率、发电效益、工程投资等直接相关。额定水头的选择，应在确保机组安全、稳定运行的前提下，使电站装机出力尽可能少受阻，使整个工程发挥出最大的综合效益。

《水力发电厂机电设计规范》（DL/T 5186）及其条文说明规定：“对径流式水电厂，水轮机水头主要取决于水电厂的下泄流量及其相应的下游尾水位。水轮机额定水头应按水电厂发足装机容量时运行净水头选定。选择额定水头时应计入额定工况下水轮机流道的全部水力损失，并留有适量的裕度。”桑河二级水电站正常蓄水位为75.00m，死水位为74.00m，电站装机满发（电站满发流量为2036.8m3/s）尾水位约为51.00m。考虑到汛期电站平均流量大于电站满发流量，为保证机组在汛期平均流量下电站能满发，因此以汛期平均流量对应尾水位确定电站额定水头。汛期平均流量2590m3/s对应的下游尾水位约为51.50m。装机满发的毛水头为22.5～23.5m，考虑到桑河二级水电站在汛期污物较多，进水口拦污栅和流道水力损失取0.7m，再扣除尾水管出口的动能损失约0.4m，其净水头为21.4～22.4m。为了尽量减少受阻容量，增加装机满发时间，并考虑到工程投资和下游水位误差等因素，确定水轮机额定水头为21.7m。

1.3　额定转速选择

桑河二级水电站运行水头高、单机容量大，不宜追求过高的参数水平。根据世界上灯泡贯流式水轮机的额定比转速ns及比速系数k统计公式进行统计、分析，桑河二级水电站水轮机的比速系数k宜在2700～3100之间选取。水轮发电机组可选用的额定转速为125r/min、136.4r/min，相应的比转速为604.4m·kW和659.5m·kW，比速系数k为2815和3072。这两个额定转速方案，对发电机来说，设计制造均可行，且技术难度基本相当，对125r/min方案，机组总重量较136.4r/min方案略有增加；对水轮机而言，额定转速125r/min方案参数水平适中，额定转速136.4r/min方案参数水平略微偏高。综合分析，水轮发电机组的额定转速确定为125r/min。

1.4　机组飞轮力矩GD2的确定

机组惯性时间常数Ta是机组稳定的一个重要特征参数，对暂态稳定有着重要的影响。灯泡贯流式机组由于受灯泡比的限制，发电机尺寸比立式机组小，其飞轮力矩GD2一般只有立式机组的1/10左右，相应的Ta值也较小。而灯泡贯流式机组由于流道中水的惯性大，即水流惯性时间常数Tw相对较大。在相对大的Tw和小的Ta下，灯泡贯流式机组调节特性较其他机型机组差。

《水轮机控制系统技术条件》（GB/T 9652.1）中3.3条规定：“……水流惯性时间常数Tw与机组惯性时间常数Ta的比值不大于0.4。反击式机组的Ta不小于4s。”但对于反击式机组中的灯泡贯流式机组一般难以达到“Ta不小于4s”的要求，常规设计的灯泡贯流式机组Ta一般只有1～3s。部分灯泡贯流式机组飞轮力矩GD2统计见表2，其中沙坪二级水电站的设计已考虑电网对电站机组惯性时间常数Ta不小于3.1s的要求。为满足电网对Ta值的要求，需对机组设计采取一定的措施，如增大灯泡比、改进发电机转子的结构设计，以达到增加发电机飞轮力矩GD2的目标，但灯泡比受水力性能的限制，并不能无限制增大，其相关分析详见本文1.6节。

为使机组能稳定满载孤立运行，机组飞轮力矩GD2一般需满足下式要求：

式中：Nr为机组额定功率，kW；nr为机组额定转速，r/min；Qr为水轮机额定流量，m3/s；D1为转轮公称直径，m。

由此估算桑河二级机组飞轮力矩GD2值应不小于3620t·m2（对应额定转速125r/min）。最终机组飞轮力矩GD2值约为4160t·m2，相应机组惯性时间常数Ta=3.5s，桑河二级电站50MW灯泡贯流式机组水流惯性时间常数Tw为1.1s。因此，水流惯性时间常数Tw与机组惯性时间常数Ta的比值为0.314（相对时间常数Ta/Tw=3.2，满足单机孤立运行时，能稳定解列，甩满负荷大波动过程稳定的要求），满足“Tw/Ta不大于0.4”的要求，也满足机组孤网能稳定运行的要求。

1.5　发电机功率因数

额定功率因数是水轮发电机的重要参数之一，其对发电机视在功率和造价、发电机相关电气设备选型及电力系统无功平衡的需要等均有一定的影响。故应综合考虑电力系统的要求和机组造价等方面的因素，选取合适的发电机功率因数。

对水轮发电机额定功率因数的选取，《灯泡式水轮发电机基本技术条件》（JB/T 7071）规定：额定容量大于30MVA者，不低于0.95（滞后）；《进口水轮发电机（发电/电动机）设备技术规范》（DL/T 730）规定：灯泡式发电机不低于0.95（滞后）。国内外大型灯泡贯流式机组功率因数统计可参见表3。

由于柬埔寨国家电网相当薄弱，相当于独立电网，且用电负荷不大。桑河二级水电站电能将在柬埔寨国内消纳，因此，桑河二级水电站机组在相当长的时期内需满足低负荷运行的要求。《柬埔寨电网导则》（2009年5月）规定：除非得到国家输电特许部门的同意，所有发电机组均应在功率因数0.85（滞后）与0.95（超前）之间的任何点提供有功功率。为满足柬埔寨国家电网的相关要求，桑河二级水电站发电机额定功率因数取0.85（滞后）。

1.6　发电机灯泡比的选择

灯泡比是发电机定子机座外径DB与水轮机转轮直径D1的比值，是灯泡贯流式机组的重要特征参数之一。采用过大的灯泡比将引起水轮机效率的下降，而选择过小的灯泡比又将降低发电机飞轮力矩且影响发电机通风散热，同时增加发电机制造难度。由于较小的灯泡比，使机组GD2减小，又将影响机组的动态稳定。灯泡比的选择在很大程度上决定了发电机的结构和通风方式，甚至影响机组的稳定性。

对国内外部分大型灯泡贯流式机组灯泡比进行统计分析，详见表3。由表3可见，国内外部分灯泡贯流式机组灯泡比均在1～1.3，运行水头较高的大型机组灯泡比一般在1.3左右，如桥巩、蜀河等水电站的灯泡贯流式机组。桑河二级水电站水头较高、单机容量较大，且需满足电力系统无功平衡的要求，应适当加大灯泡比。机组投标时，厂家确定的机组灯泡比为1.3，相应水轮机加权平均效率为95.26%。在机组合同谈判时，综合考虑桑河二级水电站特点，要求厂家适当加大灯泡比，并对机组水力性能作对比分析。经机组制造厂家对水轮机水力性能与发电机性能和结构的综合比较分析，提出灯泡比增大为1.345，相应水轮机加权平均效率为95.1%。增大灯泡比后，水轮机加权平均效率略有下降，但发电机飞轮力矩GD2有所增加，且有利于发电机通风冷却设计，因此最终确定桑河二级水电站机组灯泡比为1.345。

1.7　发电机的冷却方式

灯泡贯流式水轮发电机安装在流道中封闭的灯泡体内，发电机的外形尺寸由于受水轮机流道特性的限制，因此对于灯泡贯流式水轮发电机，通风冷却系统的设计成为发电机设计的难点和关键，尤其对于高水头、大容量机组更是如此。

灯泡贯流式发电机采用常压密闭循环空气冷却方式，又分为外循环一次冷却方式、内循环水-水二次冷却方式、散热翅冷却方式和铁芯贴壁式冷却方式等。受灯泡体尺寸、运输条件限制，散热翅和铁芯贴壁冷却方式一般只适用于30MW以下的灯泡贯流式机组。对于大型灯泡贯流式发电机理论上可行的冷却方式主要有一次冷却和二次冷却。

一次冷却方式结构简单、效率高，大、中、小型灯泡贯流式机组均可采用，在国内外灯泡贯流式机组上广泛应用。但考虑到河水对换热器的影响，这种冷却方式更适用于水质清洁、水生物较少、水硬度低的河流电站中，以避免换热器冷却管内壁水生物吸附、泥沙淤积、积垢而影响热交换效果，造成发电机温度升高的故障。二次冷却方式循环冷却水采用清洁水源并经软化处理，冷却水密闭循环、重复利用，运行维护简单，与河流水源无关，可用于水质较差的电站（如图1所示）。但由于二次热交换温差较一次冷却方式小，从而使所需水气换热器面积增加，以致换热器外形加大、灯泡头内更拥挤，因此二次冷却方式较多用于灯泡头尺寸较大的大型灯泡贯流机组中。据统计，目前国内采用二次冷却方式，单机容量最大的灯泡贯流式电站为广西长洲水电站，该电站装设15台42MW的灯泡贯流式机组，转轮直径较大，为7.5m，相应发电机灯泡头直径约为9.0m。

桑河二级水电站地处热带地区，灯泡贯流式机组具有容量大、运行水头高、机组尺寸相对较小、河水温度较高且水生物较多、汛期河水水质较差的特点，为保证设备的安全可靠性，桑河二级水电站机组冷却方式为发电机空冷器采用内循环、二次冷却方式，同时设有与一次冷却系统连接的接口。汛期河水水质较差时，采用二次冷却方式运行，在枯水清水期，可切换至一次冷却方式运行。为此采取适当增加灯泡比、增加冷却锥轴向长度、采用高效空冷器及风机等措施，以满足发电机二次冷却的需要。最终实现机组一次冷却和二次冷却可切换运行，并达到预期冷却效果的目标。

对于机组轴承冷却系统，由于受机组尺寸限制，发电机冷却锥内水量不能同时满足发电机和轴承冷却的需求，因此机组轴承冷却系统采用外循环、一次冷却的方式。