徑流式開發(fā)水電站水輪機(jī)選型探討

胡安江·居努斯

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830001）

1 概述

新疆境內(nèi)絕大多數(shù)河流都發(fā)源于三大山脈（阿勒泰山、天山、昆侖山）的冰川地帶，山區(qū)雪線以上終年積雪，并有冰川發(fā)育，其徑流的補(bǔ)給方式以冰川積雪融水補(bǔ)給為主，降雨補(bǔ)給為輔，地下水補(bǔ)給次之的混合型補(bǔ)給。河源區(qū)分布著冰川和永久性積雪，相當(dāng)于一座固體水庫，對徑流起著多年調(diào)節(jié)作用，加之夏季融水與降雨之間的相互補(bǔ)償作用，使得河流的徑流年際變化較小，徑流年內(nèi)分布很不均勻。

疆內(nèi)眾多河流之一的喀什河多年平均流量102.81 m3/s，多年平均徑流量 32.44×108m3，豐水期大概為 5～9月，6～8月水量占全年的 56.1%，5～9月水量占全年的76.9%，1～3月水量占全年的6.6%，10～12月水量占全年的11.0%，枯水期大概為10～4月，這一時期水量約占全年的23.1%，其中12～2月水量最枯，這一時期水量約占全年的7.01%。

TSY水電站建設(shè)河流段，該河實(shí)測最大月平均流量為396 m3/s，最小月平均流量為 18.8 m3/s，最大、最小月平均流量之比高達(dá) 21.06，該河流段多年平均徑流年內(nèi)分配見表1。

表1 多年平均徑流量年內(nèi)分配表

2 選型設(shè)計

2.1 電站基本參數(shù)

TSY水電站為喀什河上游梯級開發(fā)的徑流式電站，電站上游沒有控制性具有調(diào)節(jié)性能的水利設(shè)施，水電站保證出力為5.26 MW，裝機(jī)容量80 MW，多年平均年發(fā)電量為2.80億kW·h，裝機(jī)年利用小時數(shù)3 500 h，電站最大水頭67 m，最小水頭62.40 m，水頭變幅較小，電量加權(quán)平均水頭為64.53 m，根據(jù)水輪機(jī)適用水頭范圍，選用立軸混流式水輪機(jī)。

2.2 機(jī)組臺數(shù)和單機(jī)容量的確定

常規(guī)水電站在水輪發(fā)電機(jī)組選型時，為了有利于工程設(shè)計和設(shè)備制造、運(yùn)行管理、維護(hù)檢修、備品備件的種類和數(shù)量、節(jié)省投資、降低成本，一般一座電站幾臺機(jī)組都選擇同型號、同規(guī)格的機(jī)組。季節(jié)性流量變化不大的河流，水電站單機(jī)流量大于或接近河流最小月平均流量?？κ埠佣嗄昶骄鶑搅髁浚陜?nèi)徑流隨季節(jié)變化懸殊，豐水期流量是冬季枯水期流量的幾十倍。

本電站裝機(jī)容量為80 MW，占系統(tǒng)比重不大，考慮到冬季和夏季來水量變幅比較大，而且電站保證出力較小，可研階段結(jié)合河流特性，兼顧混流式機(jī)組不宜在40%額定負(fù)荷以下運(yùn)行等情況，從機(jī)組運(yùn)行的靈活性、電站在電力系統(tǒng)中的作用及機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行等方面考慮，初擬機(jī)組臺數(shù)為3臺（2大1小和1大2小機(jī)組）、4臺、6臺4個方案，其單機(jī)容量分別為 1×10 MW+2×35 MW（方案 1）、2×10 MW+1×60 MW（方案 2）、2×10 MW+2×30 MW（方案 3）和 6×13.4 MW（方案 4）。

TSY水電站是以發(fā)電為主的徑流式水電站，在電力系統(tǒng)中承擔(dān)基荷任務(wù),機(jī)組臺數(shù)的確定應(yīng)考慮單機(jī)容量占系統(tǒng)比重，機(jī)組運(yùn)行方式，電站樞紐布置，機(jī)組制造水平等因素，通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較確定。

根據(jù)電站發(fā)電引水流量情況對電站裝機(jī)3臺（2大1小和1大2小機(jī)組）、4臺、6臺機(jī)組共4個方案進(jìn)行了詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，TSY水電站裝機(jī)臺數(shù)、單機(jī)容量、主要技術(shù)參數(shù)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)見表2機(jī)組臺數(shù)比較表。

表2 TSY水電站機(jī)組臺數(shù)比較表

根據(jù)表2的分析，結(jié)合圖1可以得出以下結(jié)論：

（1）3臺（2大1小機(jī)組）裝機(jī)方案，機(jī)電設(shè)備投資和總投資較低，機(jī)組運(yùn)行靈活性最差，冬季枯水期小機(jī)組運(yùn)行時間較長，而且大、小機(jī)組流量銜接不順暢。

（2）3臺（1大2小機(jī)組）裝機(jī)方案，機(jī)電設(shè)備投資最低，土建投資和總投資較低，但機(jī)組運(yùn)行靈活性差，而且大、小機(jī)組流量銜接不順暢，大機(jī)組偏大，部分負(fù)荷運(yùn)行效率偏低。

（3）4臺裝機(jī)方案，機(jī)電設(shè)備投資與3臺機(jī)方案相當(dāng)，總投資最低；機(jī)組運(yùn)行靈活性好，基本上根據(jù)引水量多少可以發(fā)多少電，發(fā)電效率高，冬季枯水期能更好的保證機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行，機(jī)組布置和互換性好，但廠房布置尺寸比3臺裝機(jī)方案增大，安裝工期較長。

（4）6臺機(jī)方案可以充分利用冬季枯水期流量，機(jī)組運(yùn)行靈活性好，機(jī)組互換性最好，運(yùn)行管理較方便等優(yōu)點(diǎn)，但存在機(jī)組臺數(shù)多，廠房長度較大，機(jī)電設(shè)備和土建投資明顯增加，總投資最大等缺點(diǎn)。

綜合上述分析比較，考慮流域梯級開發(fā)情況、水工建筑物布置要求、電氣設(shè)備布置要求和發(fā)電引水流量情況等，推薦裝設(shè)4臺（2×10+2×30 MW）機(jī)組方案的水輪發(fā)電機(jī)組。

圖1 TSY水電站發(fā)電引水流量～保證率曲線

2.3 機(jī)組主要參數(shù)

電站以發(fā)電為主，運(yùn)行水頭范圍62.40～67.00 m，采用混流式水輪機(jī)，立軸，金屬蝸殼，通過招標(biāo)階段與設(shè)備制造廠家充分協(xié)商一致，最后確定的水輪機(jī)基本技術(shù)參數(shù)如表3：

表3 水輪機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

旋轉(zhuǎn)方向：從發(fā)電機(jī)端向下看為順時針旋轉(zhuǎn)。

目前TSY水電站已投入運(yùn)行2年，機(jī)組各運(yùn)行指標(biāo)良好，充分發(fā)揮大、小機(jī)組合理搭配運(yùn)行的優(yōu)勢，對新疆經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展提供優(yōu)質(zhì)清潔的電能。

3 結(jié)束語

沒有調(diào)節(jié)性能的徑流式水電站，結(jié)合電站自身特點(diǎn)，通過大、小機(jī)組合理搭配的選型設(shè)計，根據(jù)不同季節(jié)河流來水量不同，投入不同的機(jī)組組合，使電站在較大流量范圍內(nèi)均高效、穩(wěn)定運(yùn)行，可以提高電站的發(fā)電效益和水能利用率，對機(jī)組選型階段有借鑒價值。

TSY水電站已投入運(yùn)行幾年，向北疆地區(qū)持續(xù)不斷提供大量廉價潔凈的電能，對促進(jìn)新疆經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展，提高新疆各族人民生活水平，實(shí)現(xiàn)全面建成小康社會發(fā)揮著積極作用。