許建文

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院，湖北 武漢 430064)

小漩水電站水輪發(fā)電機組選型設計

許建文

(湖北省水利水電規(guī)劃勘測設計院，湖北 武漢 430064)

摘要：小漩水電站是湖北省堵河流域規(guī)劃開發(fā)實施的一部分，作為上游梯級水電站的反調(diào)節(jié)電站，機組的運行穩(wěn)定性需要重點設計考慮。通過分析該電站與一般徑流式水電站的不同特征,對額定水頭與本電站接近的國內(nèi)外大中型燈泡貫流式機組的參數(shù)進行統(tǒng)計比選, 提出本電站機組較為合理的比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)，在此基礎上確定較為合理的水輪發(fā)電機組參數(shù)。表8個。

關鍵詞：水電站；額定水頭；比轉(zhuǎn)速；比速系數(shù)；選型設計

1工程概況

小漩水電站位于湖北省十堰市竹山縣境內(nèi)堵河干流中上游, 堵河是長江一級支流漢江中上游南岸1條較大的支流；電站總裝機容量50 MW,多年平均發(fā)電量1.494億kW·h,年利用小時數(shù)2 988 h。

小漩水電站工程開發(fā)任務是以發(fā)電為主，兼可改善庫區(qū)航運，并對上游梯級潘口水電站進行反調(diào)節(jié)。潘口水電站在系統(tǒng)中主要承擔調(diào)峰、調(diào)頻和事故備用，小漩水電站作為下游反調(diào)節(jié)梯級，其回水至潘口水電站壩址，可調(diào)節(jié)潘口電站的生態(tài)基流，有效提高潘口電站的調(diào)峰作用。

小漩水電站工程主要建筑物由泄水閘、電站廠房、兩岸連接土石壩段、斜面升船機等部分組成；本工程是堵河流域規(guī)劃開發(fā)實施的一部分，工程建成后能整體提高流域開發(fā)效益，同時是促進地區(qū)經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展以及帶動湖北電力系統(tǒng)發(fā)展和電源結構優(yōu)化的需要，是應對氣候變化的積極舉措，有較好的經(jīng)濟效益和社會效益。

2電站主要參數(shù)

電站最大水頭16.20 m，加權平均水頭13.97 m，最小水頭5.29 m，保證出力12.7 MW，多年平均含沙量0.697/0.118 kg/m3。

3水輪發(fā)電機組選擇

3.1　機組型式選擇

小漩電站水頭范圍為5.29～16.20 m，適應該水頭范圍的機型有貫流式和軸流式機組，其中燈泡貫流式機組有水流形態(tài)好、水力損失低、廠房開挖量省、機組尺寸小及造價低、能量參數(shù)水平高等明顯優(yōu)勢。對貫流式和軸流式兩種機型均按照裝機3臺進行方案比較，軸流式選用JK509轉(zhuǎn)輪，貫流式選用995a轉(zhuǎn)輪(見表1～表2)。

通過表1的比較可見：JK509轉(zhuǎn)輪在單位過流量、單位轉(zhuǎn)速和效率方面均不及GZ995a，雖氣蝕系數(shù)相對較小，但因尾水流道為立式彎肘形，流道最低部位的高程較低及廠房開挖深度較大。通過表2的比較可見：相對于貫流機組方案，軸流機組方案存在機組總重大、造價高、機組效率低、比轉(zhuǎn)速水平低、廠房土建工程量大、廠房尺寸及開挖深度大的劣勢。綜合分析,本站選用燈泡貫流式機組。

表1　水輪機模型參數(shù)對比(一)

表2　機組型式比較表

3.2　水輪機參數(shù)水平確定

(1)比轉(zhuǎn)速選擇

水輪機比轉(zhuǎn)速及相應的比速系數(shù)是表征機組技術經(jīng)濟性的綜合指標。本設計參考目前國內(nèi)外已裝類似機組的比速水平，用參照法和統(tǒng)計法綜合確定較為合理的比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)(見表3)。

由表3可見，單機容量較大的機組比速水平較高，如石島、金銀臺等機組的比速系數(shù)多在2 950～3 050左右；單機容量在20～25 MW之間的機組如馬回、那吉、雙嶺等，其比速系數(shù)多在2 850～2 950之間；單機容量在15～20 MW之間的機組如格蘭陵、科斯卓姆、竹洲、廖坊等，其比速系數(shù)多在2 720～2 820之間；單機容量在15 MW以下的機組如高砂、趙山渡等約在2 520～2 680之間。

本站選型對貫流機組制造經(jīng)驗及業(yè)績相對豐富的廠家進行了在國內(nèi)供貨的貫流機組業(yè)績統(tǒng)計，共統(tǒng)計目前國內(nèi)已投運的貫流式電站業(yè)績156個，其中最高水頭在15.0 m以上或額定水頭在12.0 m以上的機組有17個，占比不到11%；由此可見本站的機組容量雖然不大，但運行水頭并不低。由于上游梯級潘口電站的容量較大，且在系統(tǒng)中主要擔任調(diào)峰調(diào)頻的作用,而本電站容量較小，主要任務之一是作為潘口電站的反調(diào)節(jié)電站，與潘口電站一起發(fā)揮流域的整體效益，因此本電站機組的穩(wěn)定運行是設計需要強調(diào)的重點。

為保證機組運行的穩(wěn)定性，本電站機組不宜單純追求過高的參數(shù)水平。經(jīng)綜合分析，本電站的比速系數(shù)在裝機2臺25 MW時取2 800～2 850左右，在裝機3臺16.67 MW時取2 700～2 750左右，在裝機4臺12.5 MW時取2 550～2 600左右。相應的比轉(zhuǎn)速分別為792～806、764～778、721～735左右。

(2)單位參數(shù)選擇

經(jīng)驗公式(1)為：

Q11=5.317 8ns0.918/1 000

n11=78.95+0.114 4ns

據(jù)此計算單位轉(zhuǎn)速宜為166～169 r/min，單位流量為2.35～2.43 m3/s。

經(jīng)驗公式(2)為：

Q11=2.84×10-3ns1.00755

n11=4.197ns0.5542

據(jù)此計算單位轉(zhuǎn)速宜為166～169 r/min，單位流量為2.27～2.36 m3/s。

根據(jù)比轉(zhuǎn)速及單位參數(shù)匹配情況，經(jīng)分析計算，小漩電站在裝2、3臺機和4臺機時水輪機額定點的單位流量分別為2.35、2.30 m3/s和2.25 m3/s左右，單位轉(zhuǎn)速分別為170、165 r/min和160 r/min左右。

(3)效率參數(shù)選擇

參照國內(nèi)外燈泡貫流式水輪機的模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)、真機制造精度和實際運行情況，本站所選水輪機的額定效率不低于93.0%，最高效率不低于94.0%。

3.3　水輪機模型選擇

根據(jù)選定的水輪機參數(shù)水平及國內(nèi)現(xiàn)有的轉(zhuǎn)輪模型和制造能力，選擇4葉片的GZSK111B和GZ995a轉(zhuǎn)輪進行參數(shù)比較(見表4)。

表3　大中型燈泡貫流式機組參數(shù)

表4　水輪機模型參數(shù)對比(二)

根據(jù)表4參數(shù)分析，GZSK111B與GZ995a的單位流量和單位轉(zhuǎn)速相差不大，GZ995a的氣蝕性能略好，效率較高,因此本站選用GZ995a的模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)進行機組的選擇計算。

3.4　額定水頭選擇

小漩電站為低水頭徑流式日調(diào)節(jié)水電站，上游水位基本在正常蓄水位和死水位之間波動，變幅不大，而下游受下泄流量影響，變幅較大。

雖然以臨界水頭做額定水頭最能節(jié)省機組投資，但此時電站發(fā)電量與投資的關系并不一定最合理。為確定電站合理的額定水頭，本站選型設計綜合考慮臨界水頭、下游水位變化等各種因素，初擬了12.8、12.5 m和12.2 m共3個額定水頭進行電能和投資比較(見表5)。

表5的計算和比較說明，不同額定水頭方案之間的差別主要是機組的總重量/造價和年發(fā)電量的差別。額定水頭從12.8 m 變?yōu)?2.5 m時補充單位電量投資僅為2.72元/kW·h，具有較好的經(jīng)濟性，從12.5 m 變?yōu)?2.2 m時補充單位電量投資上升為4.15元/kW·h，經(jīng)濟技術性能相對變差；經(jīng)綜合比較選定額定水頭為12.5 m。

表5　不同額定水頭的技術經(jīng)濟比較

3.5　裝機臺數(shù)和單機容量比選

本站總裝機容量50 MW，選型設計按照裝機2、3、4臺的方案進行技術經(jīng)濟較，并綜合分析各裝機臺數(shù)方案的制造難度和運行調(diào)度維護等因素(見表6～表8)。

表6　機組技術參數(shù)及工程投資比較

表7　機組制造難度比較

表8　國內(nèi)部分電站發(fā)電機綜合難度

(1)根據(jù)貫流式機組制造難度理論分析，3種方案的機組總體制造難度均不大。其中水輪機的制造工藝難度系數(shù)即使是2臺機方案也只是338，在國內(nèi)各電站中屬于較低的水平。發(fā)電機的各種難度系數(shù)中，2臺機方案的推力負荷、推力軸承難度系數(shù)及發(fā)電機綜合難度相對稍大，經(jīng)過對國內(nèi)部分電站水輪發(fā)電機的綜合難度進行統(tǒng)計(見表8)，結果表明：3臺機方案和4臺機方案的發(fā)電機綜合難度較小，而2臺機方案的發(fā)電機雖單機容量不大，但綜合難度屬于中等水平。從國內(nèi)各制造廠的生產(chǎn)業(yè)績進行分析，生產(chǎn)過額定容量25 MW以上同時轉(zhuǎn)速在115.4 r/min以上的燈泡式水輪發(fā)電機的廠家較少，而且本站最大水頭和額定水頭在已投運的貫流式機組中屬于中等水平。

因此，3臺機和4臺機方案機組制造難度較小，2臺機方案機組制造難度接近中等。

(2)從運行調(diào)度方面分析，上游梯級潘口水電站裝設2臺250 MW機組，該站水庫為完全年調(diào)節(jié)，電站在系統(tǒng)中的作用以調(diào)峰調(diào)頻為主。小漩電站除了與潘口水電站同步發(fā)電以外，還能在潘口水電站停機時利用調(diào)節(jié)庫容發(fā)電并兼做生態(tài)流量下泄。根據(jù)潘口電站的設計資料，該站有88%的幾率下泄流量在430～678 m3/s之間，此下泄流量范圍內(nèi)小漩電站裝設2、3、4臺機方案的水輪機工況點均在高效穩(wěn)定區(qū)，能量特性和空化特性區(qū)別很小。

經(jīng)分析，冬季的生態(tài)發(fā)電流量約為56 m3/s，此時2臺機方案的水輪機運行區(qū)域單位流量較小(0.56 m3/s)，已嚴重偏離高效區(qū)，且發(fā)電容量僅占發(fā)電機額定容量的24%左右,對機組的運行穩(wěn)定性能及設備使用壽命不利；而3臺機方案和4臺機方案的運行區(qū)域較為合理,水輪機效率分別約為90.5%和91.2%,發(fā)電容量分別占發(fā)電機額定容量的39%和52%左右。夏季的生態(tài)發(fā)電流量約為129 m3/s，此時3臺機方案的運行區(qū)域最為合理，水輪機效率約為94.3%，發(fā)電容量占發(fā)電機額定容量的89%左右；2臺機和4臺機方案則相對較差一些，水輪機效率分別為93.4%和93.6%，發(fā)電容量占發(fā)電機額定容量的59%左右。

因此，在與潘口電站的運行匹配程度上，小漩電站裝3臺機和4臺機方案要優(yōu)于2臺機方案。

(3)在總投資方面，2臺機方案最省，3臺機方案次之。在預想年發(fā)電量方面，4臺機方案最高，3臺機方案次之。相對于2臺機方案來說，3臺機和4臺機方案所增加電量的單位電能投資分別為3.05元/kW·h和4.73元/kW·h；因此，3臺機方案的經(jīng)濟性指標相對較好。

綜合分析，考慮到工程造價、機組制造難度、電站的發(fā)電量、運行調(diào)度的靈活性及與潘口電站的運行匹配等因素，本站推薦選用裝機3臺的方案。

3.6　機組主要技術參數(shù)

根據(jù)前述參數(shù)選擇的原則和方法，結合國內(nèi)外已投產(chǎn)的燈泡貫流式機組，本站水輪機和發(fā)電機的主要技術參數(shù)選擇如下：

水輪機型號：GZ—WP—430

額定出力：17.328 MW

額定轉(zhuǎn)速：136.4 r/min

額定水頭：12.50 m

額定流量：150.33 m3/s

額定點效率：94.0%

水輪發(fā)電機型號：SFWG16.67—44/5160

額定容量：16.67/18.52 MW/MVA

額定電壓：10.5 kV

額定功率因數(shù)：0.9

4結語

燈泡貫流式機組在國內(nèi)外應用已經(jīng)非常成熟，而且機組的單機容量和使用水頭都在不斷提高；小漩水電站機組選型是根據(jù)本工程的特點，經(jīng)過設計單位詳細比較論證而確定的，充分考慮了本站水輪發(fā)電機組的高效穩(wěn)定運行及其在流域及電網(wǎng)中所處的地位等綜合因素。

參考文獻：

[1]沙錫林.貫流式水電站[M].北京：中國水利水電出版社，1999.

[2]田樹棠.貫流式水輪發(fā)電機組及其選擇方法[M].北京：中國電力出版社，2000.

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責任編輯吳昊

作者簡介：許建文(1979-)，男，工程師，主要從事水力機械設計工作。E_mail:136712952@qq.com

收稿日期：2015-08-11