蓋下壩水電站水輪機參數(shù)選擇

李樹剛，馬經(jīng)童，徐志軍，趙亞男

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021）

1 電站概況

蓋下壩水電站位于重慶市云陽縣云峰鄉(xiāng)境內(nèi)的長江南岸的一級支流長灘河上。本工程是長灘河流域梯級開發(fā)的龍頭電站。電站為引水式電站，是以發(fā)電為主，兼顧防洪、旅游等綜合利用的大型水電工程。電站由水庫、引水系統(tǒng)、廠房、地面開關站及副廠房組成。引水系統(tǒng)采用1洞3機的布置方式，設有上游調(diào)壓井?？傃b機容量120 MW，裝設3臺單機容量為40 MW的立軸混流式水輪發(fā)電機組。電站建成后承擔重慶市電網(wǎng)的調(diào)峰和事故備用任務。

2 電站基本參數(shù)

2.1 水輪機凈水頭

最大水頭183.3 m

額定水頭157.0 m

最小水頭132.2 m

2.2 泥沙特性

壩址多年平均懸移質(zhì)輸沙量為118.9×104t，多年平均推移質(zhì)輸沙量估算按多年平均懸移質(zhì)輸沙量的20%計，為23.8×104t。多年平均懸移質(zhì)含沙量為1.18 kg/m3。

3 機組臺數(shù)和單機容量的選擇

電站總裝機容量120 MW?？尚行匝芯吭O計階段對2臺×60 MW、3臺×40 MW、4臺×30 MW3個機組臺數(shù)方案進行了技術(shù)經(jīng)濟比選，比選結(jié)果見表1。

表1 機組臺數(shù)方案比選結(jié)果

由表1中可以看出：

投資情況：2臺機方案投資最少，3臺機方案較2臺機多571萬元，4臺機方案較2臺機多1 092萬元；年平均電能情況：2臺機方案年平均電能最少，3臺機方案較2臺機多543×104kW·h，4臺機方案較2臺機多425×104kW·h，3臺機方案最好。

電力系統(tǒng)情況：本電站裝機容量為120 MW，占電力系統(tǒng)容量比重較小，當1臺機組故障和檢修時，各方案對系統(tǒng)影響均較小。樞紐布置條件：機組臺數(shù)為2臺、3臺、4臺時，均對樞紐布置影響較小，3個方案都是可行的。機組設備制造能力和技術(shù)水平：3個方案的機組在制造方面均不存在制約因素；國內(nèi)的機組制造廠家的技術(shù)水平和加工能力能夠滿足各方案機組的要求。機組大、重件的運輸要求：機組臺數(shù)為2臺、3臺、4臺時，單機容量分別為60 MW、40 MW、30 MW。各個方案的機組大、重件的運輸要求均不會對外交通形成制約因素。

綜合以上因素，特別是從機組運行的靈活性和工程投資的經(jīng)濟性綜合分析比較，可行性研究設計階段推薦采用3臺×40 MW方案。

4 水輪機型式及預期參數(shù)選擇

4.1 水輪機型式選擇

本電站運行水頭范圍為132.2～183.3 m，適合選用立軸混流式水輪機。

4.2 水輪機預期參數(shù)

（1）水輪機比轉(zhuǎn)速

比轉(zhuǎn)速ns是水輪機的重要特征參數(shù)之一，它表征水輪機的綜合經(jīng)濟技術(shù)水平，應結(jié)合電站的具體情況合理選擇。

各類統(tǒng)計公式計算的蓋下壩水電站水輪機比轉(zhuǎn)速結(jié)果見表2。

表2 各類統(tǒng)計公式計算的水輪機比轉(zhuǎn)速結(jié)果

國內(nèi)外與蓋下壩水電站水頭段相近的水輪機參數(shù)見表3。

表3 國內(nèi)外與蓋下壩水電站水頭段相近的水輪機參數(shù)

根據(jù)當前國內(nèi)外水輪機的實際設計制造水平和國內(nèi)外已運行電站機組的統(tǒng)計資料（混流式水輪機水頭與比轉(zhuǎn)速關系曲線見圖1），本電站額定水頭Hr=157 m，可取比轉(zhuǎn)速 ns=170～180 m·kW，比速系數(shù)K=2 130～2 255。考慮本電站水頭變幅較大的具體情況和運行特點，本設計階段估取水輪機比轉(zhuǎn)速ns≈170 m·kW，相應比速系數(shù)K≥2 130。

圖1 大型混流式水輪機比轉(zhuǎn)速隨水頭變化關系曲線

（2）水輪機效率

根據(jù)當前國內(nèi)、外水輪機的實際設計制造水平，并參考已經(jīng)得到的咨詢資料，力求水輪機具有寬廣的高效區(qū)范圍和較高的加權(quán)平均效率，同時要求水輪機額定效率不低于92.5%，最高效率不低于93.5%。

（3）水輪機單位轉(zhuǎn)速和單位流量

額定工況點確定以后，單位轉(zhuǎn)速n1’及單位流量Q1’的匹配將影響電站的技術(shù)經(jīng)濟指標，參考表3所列電站的單位轉(zhuǎn)速值，對比統(tǒng)計公式的計算結(jié)果及參考電站資料，并結(jié)合蓋下壩水電站水輪機的運行條件進行綜合分析比較，在本設計階段取額定點單位轉(zhuǎn)速72 r/min，單位流量0.69 m3/s。

（4）水輪機空蝕

水輪機裝置空蝕性能和水輪機比轉(zhuǎn)速有關，根據(jù)不同經(jīng)驗公式計算出的本電站水輪機裝置空蝕系數(shù)如表4。

表4 不同經(jīng)驗公式計算出的本電站水輪機裝置空蝕系數(shù)表

電站使用的裝置系數(shù)與水輪機比轉(zhuǎn)速有關，根據(jù)在電站統(tǒng)計資料基礎上總結(jié)分析得出的統(tǒng)計公式及已統(tǒng)計國內(nèi)外混流式水輪機σy～ns關系曲線（見圖2）?？紤]本電站地質(zhì)條件和廠房開挖情況，取裝置空蝕系數(shù)σy＝0.10。

圖2 混流式水輪機σy～ns關系曲線

綜上所述，取水輪機預期參數(shù)如表5：

表5 水輪機預期參數(shù)

5 原型水輪機參數(shù)選擇

5.1 水輪機轉(zhuǎn)輪的選擇

通過咨詢國內(nèi)主要水輪機制造廠家，適合于本電站的轉(zhuǎn)輪主要有HLA692、HLA575C、HL160/D46、HLJF2062、HLA685等，轉(zhuǎn)輪的模型主要參數(shù)見表6。

表6 適合于本電站的轉(zhuǎn)輪模型參數(shù)

從表6中可以看出：HLA575轉(zhuǎn)輪單位流量小，效率也不是很高；HLA692轉(zhuǎn)輪空蝕性能最差，單位流量較?。籋L160/D46轉(zhuǎn)輪空蝕性能最好，但效率偏低；HLJF2062轉(zhuǎn)輪效率較高，空蝕性能較好，單位流量也較大；HLA685轉(zhuǎn)輪效率較高，空蝕性能較好，單位流量最大。根據(jù)現(xiàn)有資料，HLJF2062與HLA685轉(zhuǎn)輪的整體性能基本相當，考慮2個轉(zhuǎn)輪的實際使用情況，經(jīng)綜合分析比較，可研階段暫按HLA685機型開展工作。

5.2 原型水輪機主要參數(shù)

可行性研究設計階段選用原型水輪機主要參數(shù)詳見表7。

表7 可行性研究設計階段選用水輪機主要參數(shù)表

5.3 水輪機安裝高程的確定

水輪機裝置空蝕系數(shù)的取用與多種因素有關，反映在統(tǒng)計值的分布規(guī)律很離散，因此各種統(tǒng)計公式僅能供參考之用。根據(jù)HLA685轉(zhuǎn)輪空蝕特性計算的吸出高度為-4.5 m（ 至水輪機導葉水平中心線高程）。按一臺機組發(fā)額定功率時的過流量所對應的尾水位206.20 m確定水輪機的安裝高程為201.70 m（ 導葉水平中心線高程）。

6 結(jié)束語

類似蓋下壩水電站容量的中型機組，一般不會重新設計新的轉(zhuǎn)輪，基本是套用已研發(fā)的水輪機轉(zhuǎn)輪。這就需要在設計過程中充分了解相近水頭的機組的使用情況，在設計中盡量處理好效率、空蝕性能和穩(wěn)定性的關系，以便電站在機組的采購招標過程中選用到合適的機組。在蓋下壩水電站選型設計時做了一些工作，不夠全面，不當之處請專業(yè)同仁予以指正。