周江濤

中國葛洲壩集團國際工程有限公司，北京市 132200

剛果（金）邦德拉水電站機組擴容和選型研究

周江濤

中國葛洲壩集團國際工程有限公司，北京市 132200

本文介紹了剛果金邦德拉水電站改造和擴建項目水輪機擴容和選型研究過程，總結(jié)出原水電站建筑物已定及缺乏有效水文資料的情況下，舊沖擊式水輪機進行擴容、選型的實用簡潔方案，以供其它項目參考使用。

沖擊式;水輪機;擴容;選型

1 項目簡介

邦德拉（Bendera）水電站位于剛果民主共和國省東南部，距離卡萊米（Kalemie）市120km，為引水式電站，承擔卡萊米市基荷電力供應。原設計裝機5臺單機容量為8.6MW的沖擊式機組，1951年開工建設，1959年完工，完成了主要水工建筑物和2臺機組的安裝，主要情況如下：

地面廠房:1號和2號機組完成安裝，3～5號機組預留了機坑位置。

大壩:壩高12m，壩頂長60m，溢流堰混凝土重力拱壩；

引水隧洞:長1415m，截面尺寸:4.60m；

1號壓力鋼管:直徑1.15m，長1390m；

目前兩臺機均因故障停機，業(yè)主剛果（金）能源部計劃對現(xiàn)有兩臺機組進行拆除和更新，并安裝其余三臺機組。計劃安裝5臺新水輪發(fā)電機組及配套機電設備，制造和安裝2號壓力管道。2號主壓力管道從引水隧洞出口閥室中預留的接口開始，平行于1號主壓力管道布置，至廠房通過壓力支管分別為計劃安裝的3～5號機組供水。為滿足當?shù)厝找嬲诘挠秒娦枨?，業(yè)主希望能擴大單臺裝機容量。

2 電站裝機容量分析

裝機容量的恰當選擇與否，對電站的經(jīng)濟效益影響非常明顯。機組容量選擇考慮的是日平均流量和利用水頭，并涉及多學科交叉如規(guī)劃專業(yè)、水工專業(yè)、水力機械專業(yè)。經(jīng)現(xiàn)場實地考察，電站所在區(qū)域有著典型的熱帶草原氣候特點，全年分為雨季（11月至次年4月）和旱季（5月至10月），年平均降水量約1000mm。電站從Kiymbi 河引水，根據(jù)電站原統(tǒng)計資料，Kiymbi 河最小流量：3.0m3/s，最大流量：500m3/s。水庫特征水位：最高水位：1654.70m，正常水位：1652.20m，最低水位：1646.10m，庫容：90000 m3。電站最大毛水頭679.7m，設計毛水頭677.2m，最小毛水頭671.1m。

根據(jù)當?shù)厮奶攸c及進行計算分析，我方向業(yè)主提出了提高裝機容量的可行性，增設水電站重復容量。即利用豐水期的多余水量，增發(fā)季節(jié)性電能，從而達到節(jié)省能源（家庭自用柴油發(fā)電機油耗）的目的。

3 機組選型研究

3.1 確定機組型式

電站原有水輪機機為臥軸水斗式，制造商為意大利的Riva公司。為20世紀40-50年代的產(chǎn)品，單臺機額定功率：8690kW，轉(zhuǎn)輪直徑:1370mm，額定水頭：656m，額定流量：1.5m3/s，額定轉(zhuǎn)速：750r/min，噴嘴類型：直線型，單一噴嘴，水斗數(shù)量：20。

我國水輪機制造廠家對于小型沖擊式水輪機通常也采用臥式布置，相對于立式機組，臥式結(jié)構(gòu)簡單，并便于安裝和維護，鑒于此，新機組計劃同舊機組一致采用臥式。

對于噴嘴數(shù)量選擇，舊機組為單噴嘴，效率較低，易產(chǎn)生應力集中。雙噴嘴水輪機噴嘴可隨負荷變化自動切換，工作的負荷區(qū)間大，且雙噴嘴水斗受力均衡，受力狀態(tài)較好。鑒于此，新機組計劃采用雙噴嘴。

3.2 確定機組參數(shù)

（1）確定工作水頭

為增大水輪機的出力，根據(jù)水輪機出力原理公式：

其中：N為水輪機出力(kW)；Q為流量(m3/s)；H為凈水頭(m)；g為工程現(xiàn)場重力加速度(m-s-2)，本電站取9.78；ηT為水輪機效率，一般為90.4%。

從公式(1)可以得知，為提高水輪機出力，需要提高流量、水頭或效率，其中水輪機效率基本為固定值，就需要提高Q與H的乘積。

根據(jù)《水電站調(diào)壓室設計規(guī)范》（DL/ T 5058-1996），水流經(jīng)過引水隧洞和壓力管道后，水頭存在損失，包括沿程摩擦損失和局部損失，水頭損失量與引用流量的平方成正比。為充分利用豐水期的水量，水輪機加大引用流量后，水頭損失也會增加。設Q總為引水隧洞流量，Q道為壓力管道流量。則水頭損失△h公式為：

K總為引水隧洞水頭損失系數(shù)，K1為壓力管道水頭損失系數(shù)。根據(jù)本電站實際情況，K總?cè)?.03，K1取0.963。

設擬建的2#壓力鋼管引水流量為Q1，則單臺機的出力N可以表示為Q1的函數(shù)，公式如下：

由公式（3），繪出水輪機出力-流量關系曲線如下：

圖1 水輪機出力-流量關系曲線

由曲線可知，單機流量增大，出力增大，但是單位流量所產(chǎn)生的出力在減少，即單位水量的利用率在降低。說明單靠增加流量，出力已經(jīng)不經(jīng)濟了。而且由于電站枯水期來水量減少，故需要綜合考慮引用流量，以達到既經(jīng)濟又擴大水輪機出力的目的。

考慮到水量的保證率，計劃使用原設計的額定5臺機的流量7.5m3/s作為枯水期的引水量，為4臺機供水發(fā)電。在豐水期時，5臺機進行滿發(fā)，這樣既利用了豐水期的水能，又兼顧到了枯水期的流量，并可以順序安排一臺機在枯水期進行檢修和保養(yǎng)。

此時單臺機的引用流量為1.87m3/ s，此時△h=32.9m，則機組的運行水頭H=677.2-32.9=662.8m

根據(jù)公式（3），經(jīng)計算單臺水輪機出力可達到P1=10.6MW。

據(jù)此，初定水輪機參數(shù)為：

額定水頭：644m，發(fā)額定出力時流量：1.87m3/s，額定點效率：90.4%；額定出力：10.65MW，噴嘴數(shù)：2。

根據(jù)公式（2），相應的1#壓力鋼管所帶2臺機組的水頭損失為：

△h=0.03×(1.87×5)2+0.963×(1.87×2)2

計算得出△h=16.1m

相應工作水頭H=677.2-16.1=661.1m，大于額定水頭644m，滿足發(fā)額定出力條件。

由于原廠房機坑尺寸已定，水輪機的轉(zhuǎn)輪尺寸初步比選原水輪機，按照制造廠家的系列尺寸，選為1400mm。

射流直徑d0的確定，根據(jù)程良駿所著《水輪機》提供的公式計算。

d0：射流直徑，z0：噴嘴個數(shù)，zp：轉(zhuǎn)輪個數(shù)，Hr：額定水頭，Q：單臺機額定流量。

計算得出d0=105mm。

沖擊式水輪機直徑比m=D1/d0為水輪機的重要參數(shù)。經(jīng)試驗及制造廠家多年總結(jié)經(jīng)驗，m值應處于10到20之間。選定的水輪機直徑比m=D1/d0=140/10.5=13.3。m為13.3，說明水輪機的直徑比是恰當?shù)摹?/p>

據(jù)此，根據(jù)廠家的型號規(guī)定，選定水輪機的型號為：CJC601-W-140/2×10.5。

按照7.5m3/s的總流量4臺機組發(fā)電時，水輪機額定功率達到42.6MW，與原規(guī)劃的7.5m3/s的總流量5臺機額定功率43MW基本持平。當水流量大于7.5m3/s時，水輪機即可以比原規(guī)劃的機組多出力，額定出力達到了53.2MW。

值得一提的是，業(yè)主的部分工程師對西方廠家的設備非常認可，要求采用西方廠家的單噴嘴的設備，增大裝機容量。我方向其提供了詳細的計算過程，并指出如果采用單噴嘴，經(jīng)采用有限元建模計算分析，單機出力達到10MW，將出現(xiàn)應力集中，超出荷載承受界限，水輪機遭到破壞的情況。經(jīng)過科學的計算和分析，業(yè)主工程師心服口服，雙方順利簽訂了電站機組供貨、安裝合同，為以后的模型試驗、機組生產(chǎn)和供應打好了基礎。

4 結(jié)語

在原有電站引水隧洞及壓力管道、廠房尺寸一定及缺乏相應水文資料的情況下，本文對如何利用豐水期的水量，提高裝機容量進行了深入的研究。在不改變原有壓力管道的情況下，選定的水輪機不僅滿足了原有電站的枯水期的供電需求，而且有效利用了豐水期的水量，裝機容量可從43MW擴大到53MW，將產(chǎn)生較大的經(jīng)濟效益。我國、非洲及其他地區(qū)國家有較多的運行多年的舊機組需要改造或更新，并且許多類似地區(qū)雨季較長，地方又存在較大的電力供應缺口，希望本文提供的沖擊式水輪機經(jīng)驗能供類似項目參考使用。

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.015