金雞灘水電站參數(shù)確定及機型選擇

丁 榕

(廣西南寧水利電力設計院 南寧 530001)

1 工程概況

廣西隆安金雞灘水利樞紐位于右江中下游段,壩址距隆安縣城上游約8km,至南寧市96km。為右江綜合利用規(guī)劃中的第六座梯級,是一座以發(fā)電、航運為主,兼有電灌、供水養(yǎng)殖和旅游等綜合效益的水利樞紐工程。

金雞灘壩址多年平均流量為472m3/s,正常蓄水位88.6m,死水位87.6m,水庫調(diào)節(jié)庫容為0.148億m3,裝機容量為72MW,廠內(nèi)安裝3臺單機容量為24MW的燈泡貫流式機組,工程于2006年3月第一臺機組發(fā)電,2007年3月全部建成投產(chǎn)。

2 水輪機臺數(shù)的選擇

電站裝機臺數(shù)按二、三、四臺分別進行論證。當裝機四臺時,雖然調(diào)節(jié)特性較為靈活,但廠房長度較長,受樞紐壩址地形的限制,致使溢流前緣縮短,影響洪水泄流、增加上游淹沒,且樞紐布置較困難,若溢流前緣不縮短,則增加開挖量及施工的難度,增加投資。因此,廠房不宜裝機四臺;當裝機兩臺時,廠房長度短,有利于樞紐布置,但單機容量大,相對低水頭電站,轉(zhuǎn)輪直徑大,單機設備貴,制造工藝及安裝相對困難,且廠房較寬,廠房土建及機組設備投資與裝機三臺相當;當裝機三臺時,機組運行工況較裝機兩臺為優(yōu),尤其電站在低出力狀況下單機容量小的機型運行穩(wěn)定,有利于利用枯水期的水能,運行方式較裝機兩臺靈活,且與上游魚梁水電站 (三臺燈泡貫流式機組)運行匹配合理;根據(jù)樞紐布置、投資及運行工況綜合考慮,確定裝機三臺,電站裝機規(guī)模為3×24.0MW,總裝機規(guī)模為72.0MW。

3 水輪機機型的選擇

本電站為河床式電站,水頭變幅范圍3.5～14.5m。水輪機可選擇燈泡貫流式機組或立軸轉(zhuǎn)漿式機組兩種。以下就3×24.0MW立軸轉(zhuǎn)漿式機組和3×24.0MW燈泡貫流式機組進行技術(shù)經(jīng)濟比較。技術(shù)及經(jīng)濟比較參數(shù)見表1。

燈泡貫流式機組與立軸轉(zhuǎn)漿式機組相比,具有以下優(yōu)點:(1)貫流式機組進、出水管軸向貫通,形狀簡單,水流條件好,水力損失小,施工方便;(2)貫流式機組具有較高的過流能力和較大的比轉(zhuǎn)速,故在水頭和功率相同條件下,其轉(zhuǎn)輪直徑要比轉(zhuǎn)漿式機組小10%左右;(3)貫流式機組單位流量大,運行效率比軸流式機組約高3%;(4)貫流式機組結(jié)構(gòu)緊湊,尺寸較小,可減少廠房建筑面積和工程量,土建可節(jié)約10～20%的工程量。

綜上所述,燈泡貫流式機組的技術(shù)經(jīng)濟指針明顯優(yōu)于立軸轉(zhuǎn)漿式機組,故本電站推薦使用燈泡貫流式機組。

表1 金雞灘電站機組方案比較表

4 水輪機額定水頭

低水頭徑流式水電站機組額定水頭為水輪發(fā)電機組發(fā)足額定出力所對應的水頭,經(jīng)計算本電站機組滿發(fā)出力的臨界水頭為12m,根據(jù)經(jīng)驗機組額定水頭可為臨界棄水頭的85～95%。據(jù)此,本階段對額定水頭為Hr=10.5m、11m、11.5m三個方案的水輪機主要參數(shù)及電站綜合投資進行了比較,比較結(jié)果見表2。

表2 額定水頭及裝機容量方案比較表

由表2可知:隨著裝機容量的增大,其多年平均發(fā)電量也隨著增加,但增加的幅度逐步減少,并且枯水期電量基本不增加,只是增加豐水期的電量;另外隨著裝機容量的增大,電站的總投資也逐步增加,而其單位千瓦投資漸次減少,單位電度投資、補充單位千瓦投資和補充電能投資也相應減少,當裝機為3x24MW時,這三項指標同時降到最低值。

根據(jù)本電站的水頭特性,其臨界棄水點相應的水頭為12m,考慮到電站調(diào)峰時上游水庫的消落深度,額定水頭不宜高于11m,以免電站調(diào)峰出力受阻。金雞灘水電站雖為日調(diào)節(jié)水電站,但上游有已建的澄碧河為多年調(diào)節(jié)水庫和百色水利紐樞為不完全多年調(diào)節(jié)水庫。綜上所述,本階段選定水輪機額定水頭11m,相應轉(zhuǎn)輪直徑5.4m。

5 水輪機額定轉(zhuǎn)速

燈泡機組額定轉(zhuǎn)速選擇特點在于最優(yōu)設計轉(zhuǎn)速偏離最優(yōu)工況區(qū)較遠。原因在于電站在汛期的發(fā)電量主要取決于水輪機的過流能力,而非汛期的發(fā)電量取決于水輪機的運行效率。

式中:

K — —偏離系數(shù),取值范圍0.2～ 0.35,本電站取值0.2;

HW——加權(quán)平均水頭;

n110——模型轉(zhuǎn)輪最優(yōu)工況單位轉(zhuǎn)速,取148r/min(廠家推薦值);

D ——轉(zhuǎn)輪直徑

根據(jù)標準同步轉(zhuǎn)速,選用n=107.1r/min。經(jīng)驗算:在加權(quán)平均水頭上運行時,該轉(zhuǎn)速在最高效率區(qū)內(nèi)。因此所選的參數(shù)是合理的。

6 水輪發(fā)電機組安裝高程

燈泡貫流式機組的安裝高程應同時滿足在各種可能出現(xiàn)的運行工況下避免空蝕以及尾水管出口最小淹沒深度的要求。為滿足水輪機在額定工況下空化特性的控制要求,本電站的安裝高程為:

其中:

▽尾水——在額定工況下,三臺機組發(fā)流量所對應的下游水位,▽尾水=76.1m;

Hs——水輪機吸出高度,Hs≤10-▽/900-σ H-D1/2=-9.3 m(廠供)

考慮到電站下游沖刷后水位下降,以及尾水出口頂部的淹沒,初定安裝高程為▽66.1m。

核算安裝高程:規(guī)范要求尾水管出口上緣淹沒深度應大于500mm。經(jīng)核算安裝高程為▽66.10m時,滿足尾水管出口淹沒深度大于500mm的要求。

因此,水輪機的安裝高程定為▽安=66.10m。

7 水輪發(fā)電機組的基本參數(shù)

經(jīng)過招標,機組主要參數(shù)如下:

(1)水輪機型號 GZ(K241)-WP-540

額定功率 N=24.72MW

額定水頭 Hr=11.0m

最大水頭 Hmax=14.5m

最小水頭 Hmin=3.5m

額定流量 Qr=244.5m3/s

額定轉(zhuǎn)速 n=107.1r/min

最大飛逸轉(zhuǎn)速 n飛=356r/min

轉(zhuǎn)輪直徑 D1=5.4m

額定點效率 ηr=94.0%

最高效率 ηmax=95.3%

(2)發(fā)電機型號 SFWG24-56/6000

額定功率 N=24.0MW

發(fā)電機效率 ηmax=97.5%

功率因素 cosφ=0.9

額定電壓 10.5kV

8 結(jié)語

金雞灘水電站經(jīng)過近3年的運行,水輪發(fā)電機組運行穩(wěn)定,機組能夠滿出力甚至超出力運行,電能指標達到設計要求,因此所選機型是合理的。

1 田樹棠.貫流式水輪發(fā)電機組及其選擇方法[M].北京:中國電力出版社,2000.