安剛

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

蓋孜水電站高水頭水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)

安剛

（新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

針對(duì)蓋孜水電站高水頭水輪機(jī)的特點(diǎn)，通過可研和招標(biāo)階段設(shè)計(jì)對(duì)水輪機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高了電站長期運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性。

蓋孜水電站；高水頭水輪機(jī)；機(jī)組選型；混流式；水斗式

1 工程概況

蓋孜水電站是蓋孜河流域梯級(jí)開發(fā)的第二級(jí)電站，電站位于新疆維吾爾自治區(qū)克孜勒蘇柯爾克孜州阿克陶縣境內(nèi)，距阿克陶縣城約67 km，距喀什市約120 km。電站為徑流式電站，采用引水式開發(fā)，裝機(jī)容量為116 MW，工程開發(fā)任務(wù)是水力發(fā)電，與布侖口—公格爾電站同步運(yùn)行，承擔(dān)電力系統(tǒng)調(diào)峰任務(wù)。工程主要有引水調(diào)節(jié)池、發(fā)電引水系統(tǒng)、壓力管道（一管三機(jī)，約11.45 km）、電站地面廠房、尾水渠、尾水節(jié)制退水閘、反調(diào)節(jié)池和反調(diào)節(jié)池引水閘及放空檢修洞等組成。

2 電站基本參數(shù)

（1）前池特性

正常水位 2 625.67 m

最低水位 2 624.792 m

調(diào)節(jié)性能 無

（2）尾水位

最高尾水位 2 254.47 m

正常尾水位（3臺(tái)機(jī)滿發(fā)） 2 254.06 m

設(shè)計(jì)尾水位（1臺(tái)機(jī)滿發(fā)） 2 252.77 m

（3）水頭

最大水頭（毛水頭） 373.77 m

加權(quán)平均水頭（凈水頭） 360.48 m

額定水頭（凈水頭） 347.0 m

最小水頭（凈水頭） 346.33 m

（4）多年平均懸移質(zhì)含沙量 0.021kg/m3

（5）電站動(dòng)能指標(biāo)

裝機(jī)容量 116 MW

多年平均年發(fā)電量 3.83億kW·h

年利用小時(shí)數(shù) 3 308 h

保證出力 38.3 MW

3 機(jī)組機(jī)型和臺(tái)數(shù)選擇

蓋 孜 水 電 站 水 頭 為 346.33～373.77 m，Hmax/Hr=1.077、Hmin/Hr=0.998、Hmax/Hmin=1.079，在該水頭段可供選擇的水輪機(jī)型式有混流式與水斗式兩種?？晒┻x擇機(jī)組臺(tái)數(shù)有2臺(tái)、3臺(tái)和4臺(tái)。對(duì)于4臺(tái)機(jī)方案，由于其單機(jī)容量偏小、額定轉(zhuǎn)速偏高、機(jī)組尺寸小、設(shè)計(jì)制造運(yùn)行維護(hù)困難，可能給機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行留下隱患，而且在初期投資和年維護(hù)費(fèi)用方面，也比其它方案大。故4臺(tái)機(jī)方案不宜推薦。

綜上所述，對(duì)機(jī)組機(jī)型和機(jī)組臺(tái)數(shù)的選擇可組合成2×54 MW混流式、水斗式，3×38.7 MW混流式、水斗式四個(gè)方案作全面的分析。

3.1 機(jī)組機(jī)型選擇

（1）在技術(shù)經(jīng)濟(jì)參數(shù)方面，由下頁表1可知，混流式機(jī)型與水斗式機(jī)型相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）投資低，3臺(tái)混流機(jī)型方案分別比2臺(tái)水斗和3臺(tái)水斗機(jī)型少354萬元和631萬元；

2）混流式水輪機(jī)效率高，最高效率比水斗式高，有試驗(yàn)資料表明，通常采用長短葉片的混流式水輪機(jī)在出力范圍為(50%～100%)Nr時(shí)的效率始終比水斗式水輪機(jī)高。水斗式水輪機(jī)效率隨出力變化較小，但對(duì)水頭變化敏感?；炝魇綑C(jī)型的多年平均發(fā)電量要比水斗式多。

表1 四個(gè)方案的性能和經(jīng)濟(jì)比較表

3）由于排出高度和吸出高度的要求，水斗式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪需裝設(shè)在最高尾水位以上約3 m，而混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪需裝設(shè)在設(shè)計(jì)尾水位以下8 m，考慮下游尾水位變幅，由此水斗式水輪機(jī)會(huì)因水頭利用不充分造成一定電量損失。

近期（不考慮其下游梯級(jí)規(guī)劃的托尕依水電站調(diào)節(jié)池）尾水變幅，水斗式水輪機(jī)比混流式水輪機(jī)將少利用水頭約4.5m，造成年電量損失約800萬kW·h。

4）蓋孜電站負(fù)荷變化范圍一般在40～116MW，低于40 MW的機(jī)會(huì)小，有利于發(fā)揮混流式機(jī)型的優(yōu)勢。

（2）在運(yùn)行維護(hù)方面，水斗式機(jī)型與混流式機(jī)型相比，有以下特點(diǎn)：

1）混流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損部件較水斗式水輪機(jī)多，檢修、更換和維護(hù)工作量大，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高。

2）混流式水輪機(jī)過流部件多，迷宮及導(dǎo)葉端面間隙小，受泥沙磨損影響后更換不方便，檢修工作量大。但蓋孜水電站過機(jī)泥沙小，預(yù)計(jì)泥沙磨損輕微，大修間隔時(shí)間較長。

3）水斗式水輪機(jī)在含沙水流下運(yùn)行，噴針頭、噴嘴口環(huán)及水斗分水刃的磨損也非常劇烈，但這些部件相對(duì)獨(dú)立，更換方便（在有備件的情況下，1～2 d即可完成）。

4）混流式機(jī)組發(fā)生振動(dòng)、噪音及不穩(wěn)定的機(jī)率較高，但大多制造廠家認(rèn)為只要設(shè)計(jì)合理，尾水管壓力脈動(dòng)幅值 (即峰峰值)ΔH一般可控制在相應(yīng)水頭的3%。

鑒于以上原因，混流式機(jī)型初期投資低，效率高，多年平均發(fā)電量高約800萬kW·h；水斗式水輪機(jī)具有運(yùn)行、維護(hù)簡單和零部件更換方便，檢修工期短等特點(diǎn)，具有較好的運(yùn)行維護(hù)性能；而蓋孜電站機(jī)組過機(jī)泥沙含量輕微，由泥沙磨損引起的機(jī)組檢修機(jī)會(huì)少。

因此本階段推薦選用混流式機(jī)型。

3.2 機(jī)組臺(tái)數(shù)選擇

由表1可得，兩種混流式方案水輪機(jī)工作范圍及所得電量相當(dāng)；主要機(jī)電設(shè)備及主廠房土建投資3臺(tái)機(jī)方案高約213萬。但3臺(tái)機(jī)運(yùn)行靈活、方便，檢修時(shí)對(duì)電站出力影響小一些。另外，2臺(tái)機(jī)比3臺(tái)機(jī)在出力分配上出現(xiàn)高水頭、小出力工況的可能性大，可能給機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行留下隱患；另一方面蓋孜電站接布侖口水電站的尾水，與布侖口水電站聯(lián)合調(diào)峰，裝機(jī)臺(tái)數(shù)與之匹配有利于水能資源充分利用。從提高梯級(jí)電站聯(lián)合運(yùn)行效率及靈活性角度，故推薦選用3臺(tái)機(jī)方案。

4 模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)對(duì)比

根據(jù)蓋孜水電站水頭范圍，可以選用400 m水頭段混流式水輪機(jī)，根據(jù)現(xiàn)有模型轉(zhuǎn)輪資料，可供選用的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪有HLD381B、HLA351、HL（E）等。其模型參數(shù)見表2。

表2 混流式機(jī)型轉(zhuǎn)輪參數(shù)對(duì)比表

經(jīng)技術(shù)分析比較，HLD381B轉(zhuǎn)輪綜合性能較好，本階段暫以HLD381B轉(zhuǎn)輪參數(shù)作為混流式機(jī)型的計(jì)算依據(jù)。

5 水輪機(jī)安裝高程

根據(jù)推薦的HLD381B轉(zhuǎn)輪和各工況點(diǎn)參數(shù)，經(jīng)制造廠的比較計(jì)算，結(jié)合其他制造廠提供的相關(guān)資料，本階段Hs取-8 m。

按設(shè)計(jì)尾水位（1臺(tái)機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行，Q=12.6 m3/s）為2 252.77 m，選擇蓋孜電站水輪機(jī)安裝高程為2 244.77 m。

6 選定方案機(jī)組參數(shù)

通過可研、招標(biāo)、技施各階段對(duì)水輪機(jī)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終確定水輪機(jī)主要參數(shù)如下：

水輪機(jī)型號(hào) HL(EF)-LJ-190.6

轉(zhuǎn)輪直徑 1.906 m

額定流量 12.35 m3/s

額定出力 39.87MW

額定轉(zhuǎn)速 600 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速 1 000 r/min

額定工況點(diǎn)效率 94.84%

最高效率 95%

額定比轉(zhuǎn)速 97.9 m·kW

允許吸出高度 -8 m

7 結(jié)束語

蓋孜水電站屬高水頭電站，通過對(duì)混流式和水斗式機(jī)型比選，并結(jié)合電站自身特點(diǎn)，對(duì)水輪機(jī)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，為該電站今后長期安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定了良好基礎(chǔ)。

[1]張延峰,高敏.功果橋水電站機(jī)組機(jī)型比選[J].西北水電，2012(S1)：38-40.

[2]段威,胡平.木星土水電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)[J].西北水電, 2012(S1)：44-47.

[3]吳勝華,黃靖乾,陸星,等.錦屏二級(jí)水電站水輪機(jī)主要參數(shù)選擇[J].水力機(jī)械技術(shù),2015(3)：9-18.

TK730

B

1672-5387（2017）06-0010-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.06.004

2017-03-09

安 剛（1975-），男，高級(jí)工程師，從事水電站水力機(jī)械設(shè)計(jì)工作。