徑流式高水頭水電站水輪機選型設(shè)計

大唐雅安電力開發(fā)有限公司 魏勃陽

天全縣境內(nèi)河流眾多，水量豐沛、河流落差大（總落差達3590m），水能資源豐富。全縣水力資源理論蘊藏量114萬kW，可開發(fā)量71.3萬kW，開發(fā)潛力極大。故天全縣“十五”計劃及“十一五”的規(guī)劃中將水電開發(fā)列在該縣工業(yè)發(fā)展的首位。水電開發(fā)是天全縣能源工業(yè)的支柱，也是帶動天全縣其他工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的龍頭。 盆帶口電站為白沙河流域梯級開發(fā)的第九級電站，為引水式開發(fā)，電站為徑流式，裝機容量18.9MW，該電站的建設(shè)是符合四川電力發(fā)展要求的，對促進地方經(jīng)濟的發(fā)展將起到十分重要的作用。

1 工程概況

本工程主要建筑物由白沙河壩區(qū)樞紐、引水系統(tǒng)、陰山溝壩區(qū)樞紐、引水系統(tǒng)及廠區(qū)樞紐等建筑物組成。白沙河壩址位于鴨子溝溝口下游約130米處，右岸取水，經(jīng)開敞式沉砂池、長5550.71米的無壓隧洞至引水合洞；陰山溝壩址位于陰山溝中游，左岸取水，經(jīng)開敞式沉砂池、長2175.47米的無壓隧洞與白沙河隧洞匯合后進入合洞。合洞長103.78米，其后接開敞式壓力前池。壓力管道主管長431.44米，順坡而下，側(cè)向引進主廠房。盆帶口水電站工程規(guī)模為18.9MW。盆帶口水電站水能參數(shù)如下：

氣溫濕度：極端最高氣溫33.9℃、極端最低氣溫-5.3℃、多年平均氣溫15.1℃、多年平均相對濕度83%；水庫參數(shù)：前池正常水位1722.17m、前池最高水位1722.63m、前池最低水位1720.67m、設(shè)計水頭265.71m；水文動能參數(shù)：裝機容量18.9MW、多年平均發(fā)電量8315.9億kWh、年利用小時數(shù)4400h、保證出力1599MW、裝機引用流量2.885m3/s、設(shè)計水頭265.71m、引用流量8.7m3/s；流域懸移質(zhì)：白壩懸移質(zhì)年均含砂量0.563kg/m3、陰壩懸移質(zhì)年均含砂量0.561kg/m3。

2 裝機方案選擇

電站機組型號及臺數(shù)的選擇原則考慮機組運行維護管理、機電設(shè)備投資和廠房土建工程量等因素。盆帶口電站基本屬于徑流式水電站，無流量調(diào)節(jié)，故在裝機方案的選擇時應著重考慮機組穩(wěn)定運行范圍、調(diào)度靈活性、運行維護簡便和投資經(jīng)濟性。

2.1 機組臺數(shù)選擇

經(jīng)過水文水能的計算論證，本站的裝機規(guī)模調(diào)整為18900千瓦。機組臺數(shù)的選擇，由于采用一臺機和四臺機明顯不合理，故重點進行了二臺機和三臺機的比較。詳見表1。

表1 機組臺數(shù)比較表

上列比較表中，二機方案單機容量較大，只能選用立式機組，如選擇混流式機型則額定轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分（如用750轉(zhuǎn)/分，無合適的工況點供選擇）、轉(zhuǎn)輪直徑1.05米、用400米水頭段轉(zhuǎn)輪；但1000轉(zhuǎn)/分的立式機組目前尚無成熟的制造和運行經(jīng)驗，故二機方案只能選用立式?jīng)_擊式機型、根據(jù)單機流量采用4噴嘴、轉(zhuǎn)輪直徑1.5米；三機方案采用臥式、混流式機組，額定轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分，轉(zhuǎn)輪直徑0.95米、用400米水頭段轉(zhuǎn)輪HLA542，有成熟的制造和運行經(jīng)驗。

從上表兩方案對比分析可知，設(shè)計工況點效率三機方案比二機方案高；二機方案沖擊式機組要少利用3米水頭；機組設(shè)備造價三機方案比二機方案少375萬元；三機方案主廠房須增加一個機組間距，但二機方案為立式機組多層廠房、綜合土建投資三機方案比二機方案少80萬元；主廠房橋機造價三機方案比二機方案少36萬元；電氣設(shè)備造價三機方案比二機方案多60萬元。

綜合兩方案的廠房、機、電設(shè)備造價，三機方案比二機方案共少431萬元。故三臺機方案經(jīng)濟性最好，技術(shù)性也能滿足本站要求，本階段設(shè)計推薦三臺機方案。

2.2 水輪機選型

在本站的水頭條件下，有混流式和沖擊式兩種系列的水輪機適合本站采用?？晒┻x擇的水輪機轉(zhuǎn)輪型號有HLA179、HLD54、HLA542、CJA237、CJA475等。各轉(zhuǎn)輪模型參數(shù)見表2、3。

表2 本站適用的各轉(zhuǎn)輪模型參數(shù)（混流式）

表3 本站適用的各轉(zhuǎn)輪模型參數(shù)（沖擊式）

從以上各轉(zhuǎn)輪的分析比較看，混流式方案中，三種轉(zhuǎn)輪均為目前中高水頭段普遍使用的能量指標和汽蝕指標均較好的混流式轉(zhuǎn)輪、均可用于本電站。其中HLA542轉(zhuǎn)輪的效率最高、氣蝕性能也好，轉(zhuǎn)輪為長短葉片且葉片數(shù)多，是專門為高水頭段設(shè)計的混流式轉(zhuǎn)輪。HLA179和HLD54兩方案轉(zhuǎn)輪的效率和氣蝕性能相差不大，其中HLA179方案的運行高效率區(qū)更理想。故本電站采用HLA179或HLA542轉(zhuǎn)輪更適宜。進一步選型比較以HLA179和HLA542轉(zhuǎn)輪進行。

沖擊式方案中，CJA237和CJA475轉(zhuǎn)輪的運行效率和最高效率都相差不大，CJA237機型的水斗根部應力小于CJA475機型，在防止甩斗的安全可靠性方面CJA237機型有優(yōu)勢，是目前使用較多、技術(shù)指標較優(yōu)的一個轉(zhuǎn)輪。故以CJA237轉(zhuǎn)輪參與本電站的進一步選型比較。各對應轉(zhuǎn)輪的水機選型比較詳見表4（Hp=260.4M、N=6300kW）。

表4 水機選型技術(shù)經(jīng)濟比較表

經(jīng)比較分析可知，第Ⅲ方案沖擊式機組其經(jīng)濟性遠不如第Ⅰ、 Ⅱ方案的混流式機組；由于沖擊式機組方案根據(jù)本站的水頭、流量條件，雙噴嘴不能滿足流量要求，只能采用4噴嘴機型，這樣機組裝置方式為采用立式機型，故其機組和廠房造價大幅上升，與第Ⅰ、Ⅱ方案相比機組造價高369萬元、廠房造價高約90萬元，且少利用3米水頭。所以本站不宜采用第Ⅲ方案沖擊式機組。

第Ⅰ、 Ⅱ方案均為中高水頭段較優(yōu)秀的混流式轉(zhuǎn)輪，能量和汽蝕指標都較好，均在高效區(qū)運行。相對而言，第Ⅱ方案HLA542機型最高效率和運行效率均優(yōu)于第Ⅰ方案。第Ⅱ方案汽蝕性能指標也比第Ⅰ方案優(yōu)，機組吸出高度為-0.47米，第Ⅰ方案機組吸出高度為-1.801米。廠房土建造價第Ⅱ方案比第Ⅰ方案少8萬元。兩方案機組造價基本相同。

綜合比較后，認為第Ⅱ方案機組技術(shù)經(jīng)濟指標最優(yōu)、最適合本電站采用，該方案HLA542系列機組有較多的實際運行電站例子、運行情況較好。本次設(shè)計推薦HLA542機型為本電站采用主機。

2.3 水輪發(fā)電機組主要參數(shù)

水輪機型號HLA542-WJ-95、額定轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/分、額定出力6667千瓦、額定流量2.868米3/秒、吸出高度≤-0.47米、飛逸轉(zhuǎn)速1670轉(zhuǎn)/分、運行最高效率92%、設(shè)計工況效率91%、發(fā)電機型號SFW6300-6/1730、額定電壓10.5千伏、額定轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/分、額定功率6333千瓦、額定功率因素0.8、額定容量7920千伏安。

綜上，本次設(shè)計推薦HLA542機型為本電站采用主機，HLA542系列機組有較多的實際運行電站例子、運行情況較好。