高水頭水電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)研究

岑 美 陳大明 郭 燕

(1.四川廣播電視大學(xué)，四川 成都 610072； 2.四川省清源工程咨詢有限公司，四川 成都 610072)

·機(jī)械與設(shè)備·

高水頭水電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)研究

岑 美1陳大明2郭 燕1

(1.四川廣播電視大學(xué)，四川 成都 610072； 2.四川省清源工程咨詢有限公司，四川 成都 610072)

結(jié)合工程實(shí)例，介紹了高水頭水電站的水輪機(jī)選型過程，并采用綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)法，列出了不同的影響評(píng)價(jià)指標(biāo)，綜合各指標(biāo)的影響程度，最終確定了水輪機(jī)機(jī)組的設(shè)計(jì)方案，為高水頭水電站的水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)思路。

高水頭，水輪機(jī)，選型設(shè)計(jì)，評(píng)價(jià)指標(biāo)

水頭大于200 m的水電站通常稱為高水頭水電站，高水頭水電站的水庫(kù)通常不具備調(diào)節(jié)能力或調(diào)節(jié)能力較低，上下游水位相對(duì)穩(wěn)定，水頭變化幅度相對(duì)較小，出力和發(fā)電量基本取決于來水量。當(dāng)前高水頭水電站常用的水輪機(jī)為混流式和沖擊式，大、中型混流式水輪機(jī)的應(yīng)用范圍為20 m～450 m，可逆式的混流式水輪機(jī)應(yīng)用水頭可達(dá)700 m；水斗式水輪機(jī)是沖擊式水輪機(jī)中應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)型，應(yīng)用水頭范圍可達(dá)300 m～2 000 m。

1 電站概況

某水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)，電站采用引水式開發(fā)，地下廠房，閘、廠址相距約17 km。電站總裝機(jī)容量220 MW，多年平均發(fā)電量9.26億kW·h/10.272億kW·h(單獨(dú)/聯(lián)合運(yùn)行)，年利用小時(shí)數(shù)4 209 h/4 669 h(單獨(dú)/聯(lián)合)，電站引用流量42.8 m3/s，具有日調(diào)節(jié)能力。該水電站為單一的發(fā)電工程，無防洪、航運(yùn)、供水等綜合利用要求。電站水頭參數(shù)：最大水頭631.9 m/631.0 m(單獨(dú)/聯(lián)合)、加權(quán)平均水頭616.1 m/617.9 m(單獨(dú)/聯(lián)合)、額定水頭605.4 m、最小水頭605.4 m。電站泥沙特性：多年平均含沙量924 g/m3、多年汛期(6月～9月)平均含沙量1 460 g/m3、最大粒徑1.0 mm、中數(shù)粒徑0.011 mm、粒徑大于0.1 mm沙重占5.6%；年平均過機(jī)含沙量520 g/m3、汛期(6月～10月)過機(jī)含沙量762 g/m3、最大過機(jī)粒徑0.1 mm、中數(shù)過機(jī)粒徑0.017 5 mm。

2 擬定水輪機(jī)機(jī)型比選方案

適合本電站水頭的水輪機(jī)機(jī)型有混流式和水斗式。對(duì)于混流式水輪機(jī)，可供選擇的機(jī)組臺(tái)數(shù)有2臺(tái)、3臺(tái)和4臺(tái)，若采用4臺(tái)機(jī)方案，單機(jī)容量?jī)H為55 MW、容量相對(duì)偏小，且額定轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，機(jī)組尺寸小，設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行維護(hù)均較困難，投資、年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也較大，4臺(tái)混流式水輪機(jī)方案不宜推薦，混流式機(jī)組僅對(duì)2臺(tái)和3臺(tái)機(jī)方案進(jìn)行比較。對(duì)于水斗式水輪機(jī)，因可切換噴嘴以1個(gè)～6個(gè)噴嘴運(yùn)行，穩(wěn)定出力范圍在10%～100%額定出力之間，2臺(tái)機(jī)方案完全滿足電站運(yùn)行要求。

擬定水輪機(jī)機(jī)型比較方案：2臺(tái)水斗式、2臺(tái)混流式和3臺(tái)混流式。不同方案的技術(shù)參數(shù)見表1。

3 綜合比較分析比選方案

結(jié)合電站具體情況和水輪機(jī)機(jī)型綜合比較表(見表1)，對(duì)水輪機(jī)機(jī)型方案進(jìn)行綜合比較分析。

3.1 水輪機(jī)運(yùn)行性能影響分析

機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行方面，電站按規(guī)范規(guī)定配置2臺(tái)混流式、3臺(tái)混流式和2臺(tái)水斗式方案機(jī)組可以保證穩(wěn)定出力調(diào)節(jié)范圍分別為49.5 MW～110 MW，32.985 MW～73.3 MW和11 MW～110 MW。枯水年電站枯期平均出力28.5 MW，且電站水庫(kù)為日調(diào)節(jié)水庫(kù)、調(diào)節(jié)庫(kù)容較小，運(yùn)行中有可能要求更低的電站出力。2臺(tái)混流式方案無法滿足電站枯水期的出力要求，3臺(tái)混流式方案基本滿足要求，2臺(tái)水斗式方案完全滿足低出力的要求。其次，水斗式水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域較寬廣，可在10%～100%額定出力范圍內(nèi)長(zhǎng)期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，大大優(yōu)于混流式45%～100%額定出力的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。另外，混流式機(jī)組方案的允許吸出高度較低，較低的吸出高度對(duì)水輪機(jī)在防抬機(jī)設(shè)計(jì)、尾水管補(bǔ)氣設(shè)計(jì)等方面都提出了特殊的要求，影響機(jī)組在高尾水位下穩(wěn)定運(yùn)行。

表1 水輪機(jī)機(jī)型綜合比較表

水輪機(jī)運(yùn)行效率方面，水斗式水輪機(jī)的運(yùn)行效率低于混流式1%～2%，但水斗式水輪機(jī)可根據(jù)出力變化切換噴嘴數(shù)從單噴嘴到多噴嘴穩(wěn)定運(yùn)行，使其在不同出力下始終保持較高效率，通常在60%額定出力以下的較低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行時(shí)水斗式水輪機(jī)效率高于混流式。

3.2 電站投資影響分析

壓力鋼管投資影響：混流式機(jī)組方案電站最大水頭642.2 m、調(diào)節(jié)保證計(jì)算壓力升高值790 m，水斗式機(jī)組方案電站最大水頭631.9 m、調(diào)節(jié)保證計(jì)算壓力升高值705 m?；炝魇綑C(jī)組方案的最大水頭和壓力上升值均高于水斗式機(jī)組方案，電站水頭壓力大、壓力鋼管承受的壓力值大，將增加壓力鋼管的投資。

機(jī)組設(shè)備投資影響：混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)速高于水斗式，轉(zhuǎn)速高、重量輕、可減小水輪機(jī)及發(fā)電機(jī)的尺寸。機(jī)組投資方面，混流式機(jī)組方案為11 160萬元(2臺(tái)機(jī))、11 680萬元(3臺(tái)機(jī))，水斗式機(jī)組方案為13 000萬元，選用混流式機(jī)組方案可減少機(jī)電設(shè)備投資。

電站總投資影響：混流式機(jī)組方案較低的吸出高度將使水輪機(jī)機(jī)組的安裝高程較低，地下廠房水下開挖較深，土建工程量及工作難度較大。其次，水斗式機(jī)組方案的地下廠房水下開挖工程量很小、施工容易，且水斗式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪位于最高尾水位以上，可簡(jiǎn)化廠房排水設(shè)施，減少電站總投資。由表1可知，電站靜態(tài)總投資和單位電能投資水斗式機(jī)組方案最少。

機(jī)組運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用影響：電站的過機(jī)泥沙含量和大硬度過機(jī)泥沙均較大，如采用混流式機(jī)組，要保證5年大修間隔周期難度大，花費(fèi)的人力、物力及損失電量遠(yuǎn)大于水斗式機(jī)組。而水斗式機(jī)組方案，在結(jié)構(gòu)上過流部件和密封部件較少，易磨損的噴針頭、噴嘴口環(huán)及水斗分水刃相對(duì)獨(dú)立，更換方便(有備件的情況下，1 d～2 d即可完成)，有利于縮短機(jī)組檢修時(shí)間。因此，水斗式機(jī)組方案可減少運(yùn)行維護(hù)成本、工期和檢修損失電量。

4 確定水輪機(jī)機(jī)型

表2 水輪機(jī)選型評(píng)價(jià)指標(biāo)分析表

影響水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的因素較多，如何權(quán)衡所有影響因素確定機(jī)組方案，采用綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)法分析各影響因素。首先，從水輪機(jī)自身運(yùn)行性能和電站投資影響程度兩大方面分析，列出影響水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)的評(píng)價(jià)指標(biāo)：機(jī)組穩(wěn)定性、機(jī)組高效率運(yùn)行范圍、機(jī)組設(shè)備投資、電站靜態(tài)總投資、機(jī)組運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。其次，比較分析不同機(jī)組方案各評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響程度，列出水輪機(jī)選型評(píng)價(jià)指標(biāo)分析表，見表2。由表2可知，水斗式機(jī)組方案在水輪機(jī)運(yùn)行性能方面較混流式機(jī)組方案好，在電站投資方面較混流式機(jī)組方案小，因此電站推薦采用2臺(tái)水斗式機(jī)組方案。

5 結(jié)語

高水頭水電站具有水頭高、水頭變幅小、引用流量小的特點(diǎn)。如何擬定適合高水頭水電站的水輪機(jī)機(jī)型，首先根據(jù)電站的具體情況初步擬定水輪機(jī)機(jī)型比較方案；其次，從水輪機(jī)的自身運(yùn)行性能和電站的投資影響程度兩大方面進(jìn)行綜合比較分析；再次，在綜合分析的基礎(chǔ)上采用綜合指標(biāo)評(píng)價(jià)法，將影響因素列為不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)，按不同指標(biāo)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)各機(jī)組方案進(jìn)行評(píng)價(jià)；最后權(quán)衡各指標(biāo)影響程度，最終確定水輪機(jī)機(jī)型。

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Research on hydraulic turbine type design of the high-head hydropower station

Cen Mei1Chen Daming2Guo Yan1

(1.SichuanRadioandTVUniversity，Chengdu610072，China； 2.SichuanQingyuanEngineeringConsultingCo.,Ltd,Chengdu610072，China)

This paper introduces the design process of hydraulic turbine type selection of the high-head hydropower station with a specific engineering example, and using the method of comprehensive evaluation index. List the evaluation index of hydraulic turbine, comprehensive the influence degree of each index, determine the scheme of the hydraulic turbine finally. This paper provides the design method for the hydraulic turbine type design of the high-head hydropower station.

high-head, hydraulic turbine, type design, evaluation index

1009-6825(2017)03-0219-02

2016-11-11

岑 美(1982- )，女，碩士，講師

TV531

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