下坂地電站水輪機(jī)參數(shù)及機(jī)型選擇

張新萍

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西西安710001）

1 工程概況

下坂地水利樞紐工程位于新疆塔什庫爾干河中下游，地處喀什地區(qū)塔什庫爾干塔吉克自治縣班迪爾鄉(xiāng)境內(nèi)，距塔什庫爾干塔吉克自治縣45 km，距喀什市315 km，距自治區(qū)首府烏魯木齊市1815 km。該工程是塔里木河流域近期綜合治理中惟一的山區(qū)水庫樞紐工程，水利樞紐為多年調(diào)節(jié)水庫。主要任務(wù)是以生態(tài)補(bǔ)水及春旱供水為主，結(jié)合發(fā)電的綜合性Ⅱ等大（2）型工程。樞紐建筑物由攔河壩、導(dǎo)流泄洪洞、引水發(fā)電洞和電站廠房四部分組成。電站廠房為地下式。

電站安裝3臺(tái)50 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)150 MW，為中型水電站。裝機(jī)容量占兩地州電網(wǎng)系統(tǒng)最大負(fù)荷的17.24%左右。電站在系統(tǒng)中承擔(dān)峰荷以及主要事故備用、負(fù)荷備用任務(wù)。

2 電站基本參數(shù)

正常蓄水位：2960.0 m

極限最低水位：2915.0 m

校核洪水位（P=0.2%）：2964.6 m

設(shè)計(jì)洪水位（P=1%）：2963.2 m

總庫容：8.67億m3

最高尾水位（Q=803 m3/s）：2746.87 m

正常尾水位（Q=89.69 m3/s）：2746.76m

最低尾水位（Q=14.95 m3/s）：2744.61 m

最大凈水頭：214.80 m

最小凈水頭：155.76 m

出力加權(quán)平均水頭：194.33 m

機(jī)組額定水頭：190 m

電站引用流量：89.69 m3/s

多年平均含砂量（建庫前天然河道）：0.491 kg/m3實(shí)測(cè)最大含砂量（建庫前天然河道）：16.8 kg/m3平均粒徑：0.138 mm

裝機(jī)容量：150 MW

機(jī)組臺(tái)數(shù)：3臺(tái)

單機(jī)容量：50 MW

電站年發(fā)電量：4.644×108 kW·h

年利用小時(shí)數(shù)：3096 h

電站保證出力：35.9 MW

3 水輪機(jī)選擇

水能計(jì)算確定下坂地電站裝機(jī)容量為150 MW[1]。根據(jù)電站實(shí)際情況，從運(yùn)行管理的靈活性及節(jié)省投資等方面考慮[2]，機(jī)組臺(tái)數(shù)宜在2 ～4臺(tái)范圍內(nèi)選取，臺(tái)數(shù)少于2臺(tái)，則運(yùn)行調(diào)度不靈活，臺(tái)數(shù)多于4臺(tái)，則投資增加較大，不經(jīng)濟(jì)。根據(jù)電力系統(tǒng)負(fù)荷上漲速度、典型日負(fù)荷圖、電網(wǎng)結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)要求的備用容量、重復(fù)容量以及電站的保證出力、發(fā)電和供水流量的匹配等因素對(duì)電站的裝機(jī)方案進(jìn)行計(jì)算分析，比選論證2臺(tái)、3臺(tái)、4臺(tái)3個(gè)方案的合理性，其單機(jī)容量分別為75 MW、50 MW、37.5 MW，擇優(yōu)推薦。

電站裝機(jī)容量一定時(shí)，在一定范圍內(nèi)單機(jī)容量愈大，其綜合經(jīng)濟(jì)效益愈大。當(dāng)電站裝2臺(tái)機(jī)組時(shí)，單機(jī)容量為75 MW，檢修備用容量偏大，電站運(yùn)行調(diào)度也不靈活，同時(shí)，對(duì)于在系統(tǒng)中承擔(dān)峰荷的電站，單機(jī)容量過大，會(huì)降低電站小出力調(diào)節(jié)靈活性，難于適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷變化對(duì)電站出力的要求，此方案不合理，故不選用2臺(tái)機(jī)組方案。對(duì)于3臺(tái)和4臺(tái)2個(gè)方案，從以下幾方面進(jìn)行比較分析。

機(jī)組參數(shù)：對(duì)于裝機(jī)3臺(tái)和4臺(tái)2個(gè)方案，單機(jī)容量分別為50 MW和37.5 MW，經(jīng)過計(jì)算，機(jī)組參數(shù)水平差別較小，二者在本電站均有良好的性能。

運(yùn)行管理：電站裝機(jī)37.5 MW×4臺(tái)和50 MW×3臺(tái)2個(gè)方案比較，機(jī)組臺(tái)數(shù)多一臺(tái)，相對(duì)應(yīng)的配電設(shè)備及變壓器也多一個(gè)單元，運(yùn)行檢修工作量增大，管理相對(duì)不便。對(duì)整個(gè)電站而言4臺(tái)機(jī)組較3臺(tái)機(jī)組發(fā)生事故的概率要大一些，安排機(jī)組檢修的時(shí)間也較長。

機(jī)組運(yùn)行的靈活性：就整個(gè)電站來看，承擔(dān)調(diào)峰任務(wù)，負(fù)荷變動(dòng)較大。4臺(tái)機(jī)組較3臺(tái)機(jī)組運(yùn)行靈活，對(duì)系統(tǒng)要求小負(fù)荷輸出時(shí)適配性較好。根據(jù)《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》（GB/T 15468）[3]規(guī)定：混流式水輪機(jī)在最大和最小水頭范圍內(nèi)，穩(wěn)定運(yùn)行的范圍是45% ～100%的機(jī)組最大出力。由此計(jì)算出單機(jī)37.5 MW機(jī)組在高于額定水頭時(shí)運(yùn)行所保證穩(wěn)定運(yùn)行的范圍是16.875 ～37.5 MW，單機(jī)50 MW機(jī)組是22.5 ～50 MW。兩方案穩(wěn)定出力下限相差5.6 MW，對(duì)于喀什克州兩地州電力系統(tǒng)總?cè)萘?70 MW的電網(wǎng)而言，50 MW機(jī)組單機(jī)容量與37.5 MW機(jī)組單機(jī)容量的負(fù)荷調(diào)度靈活性均能滿足系統(tǒng)要求，基本無差別。

單臺(tái)機(jī)組故障對(duì)系統(tǒng)的影響：《接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告》[4]在裝機(jī)方案中論述“從系統(tǒng)角度來看，2010年全疆電網(wǎng)已實(shí)現(xiàn)220 kV聯(lián)網(wǎng)，喀什克州電網(wǎng)220 kV目標(biāo)網(wǎng)架基本實(shí)現(xiàn)，且喀什克州電網(wǎng)裝機(jī)容量近700 MW（不含下坂地電站裝機(jī)），電網(wǎng)網(wǎng)架較為堅(jiān)強(qiáng)，下坂地電站采用單機(jī)50 MW機(jī)組，在故障情況下對(duì)電網(wǎng)的沖擊不會(huì)造成太大影響。因此，從系統(tǒng)角度考慮采用兩種裝機(jī)方案都是可行的。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，推薦采用3×50 MW方案。”

投資：電站投資主要由機(jī)組及附屬設(shè)備、電氣設(shè)備、土建、金屬結(jié)構(gòu)等部分組成。本電站為地下式廠房，4臺(tái)機(jī)方案較3臺(tái)機(jī)除多一臺(tái)主機(jī)及附屬設(shè)備外，機(jī)電設(shè)備還要相應(yīng)增加一套配電設(shè)備及變壓器，水工部分要多一條壓力鋼管（支管）、尾水管和母線洞室，主廠房和主變壓器室長度亦增加。參考廠家提供的設(shè)備尺寸和參數(shù)，進(jìn)行裝機(jī)3臺(tái)、4臺(tái)2個(gè)方案的設(shè)計(jì)和計(jì)算，得出結(jié)論：50 MW×3臺(tái)機(jī)方案較37.5 MW×4臺(tái)機(jī)方案投資少2966萬元。

從以上分析看出，50 MW×3臺(tái)機(jī)方案比37.5 MW×4臺(tái)機(jī)方案優(yōu)，因此選擇3臺(tái)機(jī)方案。

4 水輪機(jī)參數(shù)及機(jī)型選擇

4.1 水輪機(jī)型式及額定水頭選擇

電站水頭范圍155.76～214.80 m，屬中高水頭，在混流式水輪機(jī)使用水頭范圍內(nèi)。選擇混流式水輪機(jī)。

水輪機(jī)額定水頭選擇:考慮水庫運(yùn)行要滿足生態(tài)補(bǔ)水和春季灌溉的要求：在汛期蓄水，發(fā)電流量小，枯水期因下游用水需要下放流量大、發(fā)電多這一特點(diǎn)，以充分利用水量多發(fā)電，減少棄水，同時(shí)結(jié)合水輪機(jī)的特性，保證穩(wěn)定、可靠、高效運(yùn)行為準(zhǔn)則，確定水輪機(jī)額定水頭為190 m。根據(jù)水頭保證率曲線，190 m水頭對(duì)應(yīng)保證率為70%，即機(jī)組大部分時(shí)間可以發(fā)到額定出力。若降低額定水頭為180 m，則水輪機(jī)造價(jià)增加約4%，工程造價(jià)亦相應(yīng)增加，而年發(fā)電量增加不到1‰，同時(shí)機(jī)組在出現(xiàn)概率較高的高水頭運(yùn)行區(qū)域工況惡化，所以不予采用。電站出力加權(quán)平均水頭為194.33 m，通常額定水頭與加權(quán)平均水頭的比值應(yīng)滿足0.9 ～1.0的范圍，而190/194.33=0.978，符合0.9 ～1.0的比值范圍。若提高額定水頭，不宜大于加權(quán)平均水頭194.33 m，提高的空間有限，且不能降低機(jī)組造價(jià)。通過經(jīng)濟(jì)、技術(shù)分析比較，額定水頭選取190 m是合適的。

4.2 比轉(zhuǎn)速n s和比速系數(shù)K值選擇

采用經(jīng)驗(yàn)公式的方法，并對(duì)已投運(yùn)的與本電站水頭相近的250 m水頭段混流式水輪機(jī)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)的方法，確定水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K。

按國內(nèi)外一些比轉(zhuǎn)速經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算下坂地電站水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K見表1。

表1 按國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算下坂地電站水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速n s和比速系數(shù)K

通過對(duì)國內(nèi)外已建成的250 m水頭段混流式水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，進(jìn)一步了解國內(nèi)外機(jī)組的參數(shù)水平，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表2。

表2 統(tǒng)計(jì)結(jié)果表

從上述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算、電站建設(shè)統(tǒng)計(jì)資料來看，本電站比轉(zhuǎn)速ns應(yīng)在130 ～160 m·kW之間，相應(yīng)K值為1900 ～2200。經(jīng)計(jì)算本電站的機(jī)組在比轉(zhuǎn)速130 ～160 m·kW范圍內(nèi)對(duì)應(yīng)有2個(gè)同步轉(zhuǎn)速：428.6 r/min和500 r/min，當(dāng)采用同步轉(zhuǎn)速428.6 r/min時(shí)，相應(yīng)的比轉(zhuǎn)速ns=138，比速系數(shù)K=1901；當(dāng)采用同步轉(zhuǎn)速500 r/min時(shí)，相應(yīng)的比轉(zhuǎn)速ns=161，比速系數(shù)K=2219。雖然比轉(zhuǎn)速ns=160 m·kW（相應(yīng)比速系數(shù)K=2200）的方案參數(shù)高，達(dá)到國內(nèi)先進(jìn)水平，但考慮到近年在國內(nèi)出現(xiàn)一些電站因片面追求高參數(shù)而忽略了穩(wěn)定和汽蝕等問題，導(dǎo)致機(jī)組震動(dòng)、汽蝕破壞嚴(yán)重，維修工作量增大，不能充分發(fā)揮效益的情況，考慮本電站位于邊疆地區(qū)，工業(yè)技術(shù)條件相對(duì)較差的實(shí)際情況，推薦采用比轉(zhuǎn)速ns=138 m·kW、相應(yīng)比速系數(shù)K=1900、同步轉(zhuǎn)速為428.6 r/min的方案。

4.3 轉(zhuǎn)輪型號(hào)選擇

根據(jù)電站水頭參數(shù)，參考轉(zhuǎn)輪型譜和國內(nèi)制造廠提供的模型轉(zhuǎn)輪資料，從中選出適用于本電站且性能較優(yōu)的模型轉(zhuǎn)輪型號(hào)有HLA 691、HLA339、HLA575C、HLD247等，其模型參數(shù)見表3，相應(yīng)的真機(jī)主要參數(shù)見表4。

表3 水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪參數(shù)表

從表中可看出：HLA339轉(zhuǎn)輪效率偏低且吸出高度太大，予以舍去；HLA575C的額定水頭對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速與其最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速相差較遠(yuǎn)，也不予考慮；轉(zhuǎn)輪HLA691與HLD247相比，性能均較優(yōu)，模型最高效率達(dá)到93%以上，為國內(nèi)的先進(jìn)水平,機(jī)組的額定工況點(diǎn)接近模型轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)工況，都可用于本電站。其中HLD247的參數(shù)水平比HLA691要高，前者單位轉(zhuǎn)速n10′=67 r/min，最大單位流量Q1′=631L/s，比轉(zhuǎn)速ns=159.4m·kW,比速系數(shù)K=2205；而后者n10′=63.5 r/min，Q1′=568 L/s，ns=141.3 m·kW,K=1840；HLA691機(jī)型采用的額定轉(zhuǎn)速為428.6 r/min，HLD247機(jī)型的額定轉(zhuǎn)速為500 r/min。從比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)來看，轉(zhuǎn)速428.6 r/min的方案略顯保守，而轉(zhuǎn)速500 r/min的方案較為先進(jìn)。

表4 水輪機(jī)主要參數(shù)計(jì)算列表

雖然HLD247比HLA691具有效率高、汽蝕系數(shù)小、參數(shù)水平高、機(jī)組造價(jià)底等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)于本電站來說長期穩(wěn)定運(yùn)行、減少維修工作量更為重要。對(duì)混流式水輪機(jī)而言，使用水頭越高，效率、穩(wěn)定性、氣蝕性能等問題也越突出，轉(zhuǎn)速越高帶來的問題也增多，對(duì)生產(chǎn)制造的要求和運(yùn)行管理水平的要求相應(yīng)提高，檢修工作量增大?？紤]到本電站運(yùn)行水頭較高，水頭變幅較大，電站運(yùn)行要結(jié)合供水和灌溉要求，在系統(tǒng)中承擔(dān)變化的負(fù)荷，同時(shí)地處高海拔邊遠(yuǎn)地區(qū)，交通不便等諸多因素，從運(yùn)行穩(wěn)定可靠且減少維修工作量等角度考慮，選擇機(jī)組的目標(biāo)參數(shù)不宜高，以運(yùn)行穩(wěn)定、性能可靠為主，推薦水輪機(jī)比速系數(shù)K值選用1900左右，相應(yīng)比轉(zhuǎn)速為138 m·kW，同步轉(zhuǎn)速為428.6 r/min。即水輪機(jī)為HL138-LJ-205。

4.4 制造廠咨詢情況

通過向國內(nèi)制造廠家進(jìn)行咨詢，選擇參數(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)良的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行比較。各制造廠推薦的轉(zhuǎn)輪參數(shù)見表5。

根據(jù)表5，天津阿爾斯通的轉(zhuǎn)輪HLFNXBD2和東方廠的轉(zhuǎn)輪HLD307C滿足我們推薦的參數(shù)指標(biāo)，二者最高效率相當(dāng)，均達(dá)到94.9%以上的較高水平，額定效率轉(zhuǎn)輪HLFNXBD2比HLD307C高一個(gè)百分點(diǎn)，但前者轉(zhuǎn)輪直徑較大，造價(jià)較高，而吸出高度較小的優(yōu)點(diǎn)在地下廠房的電站中又表現(xiàn)不明顯。因此，推薦HLD307C轉(zhuǎn)輪作為設(shè)計(jì)參照使用。

HLD307C模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)如下：

最優(yōu)單位流量/（m3·s-1）：0.403

最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速/（r·min-1）：63.5

最高效率/（%）：93.9

最優(yōu)工況汽蝕系數(shù)：0.03

限制工況單位流量/（m3·s-1）：0.558

限制工況效率/（%）：0.90

表5 國內(nèi)制造廠推薦的轉(zhuǎn)輪參數(shù)

4.5 選定的機(jī)組參數(shù)

通過對(duì)轉(zhuǎn)輪參數(shù)的分析，對(duì)水輪機(jī)型號(hào)的選擇和對(duì)制造廠家資料的研究比較，綜合分析后選定水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)[5]見表6。

5 結(jié)語

下坂地水電站屬中高水頭的中型水電站，水輪機(jī)參數(shù)的選擇，宜結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)有的成熟技術(shù)和機(jī)型比較選擇。根據(jù)電站的參數(shù)分析，水輪機(jī)轉(zhuǎn)速采用428.6 r/min方案是可行的。

表6 水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)表

下坂地水電站已于2010年投產(chǎn)發(fā)電，通過機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況證明，機(jī)型選擇是合適的。

[1] 陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.新疆塔里木河流域近期綜合治理下坂地水利樞紐工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].2004.

[2] 水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范，DL/5186-2004.

[3] 水輪機(jī)基本技術(shù)條件，GB/T 15468-2006.

[4] 新疆電力設(shè)計(jì)院，新疆下坂地水電站接入系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告.

[5] 水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)（水力機(jī)械），水利電力出版社.