秘魯霍扎水電站水輪機機型選擇

郜曉輝，王亞坤，張恰，李志遠，侯國恩，魏秀峰

(1.邯鄲市水利水電勘測設(shè)計研究院，河北邯鄲 056001;2.磁縣水利局，河北邯鄲 056599)

霍扎水電站是由國內(nèi)某公司總承包、邯鄲市水利水電勘測設(shè)計研究院設(shè)計分包的機電設(shè)備EPC項目，項目設(shè)計工作開始于2009年12月。

霍扎水電站工程地處南美秘魯，位于秘魯首都利馬以東約130km處，為長引水式水電站。電站總裝機容量95.76MW，裝設(shè)2臺單機容量為47.88MW的水輪發(fā)電機組。水庫正常蓄水位4058m，調(diào)節(jié)庫容36.85萬m3。該工程開發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電。電站主要參數(shù)如下:

最大工作水頭 691.5m

最小工作水頭 648.0m

額定水頭 654.0m

電站裝機容量 95.76MW

電站引用流量 15.8m3/s

電站裝機高程 3351.5m

年利用小時數(shù) 3837h

年平均發(fā)電量 3.674×108 kW·h

1 機型方案的比較

霍扎水電站水頭范圍為648～691.5m，國內(nèi)外在這個水頭段應(yīng)用的有混流式和水斗式兩種水輪機機型。根據(jù)本電站實際情況，從技術(shù)合理、造價經(jīng)濟及運行維護方便等幾個方面考慮。對水斗式和混流式兩種機型方案進行綜合分析比較如下。

1.1 技術(shù)比較

(1)技術(shù)難度。根據(jù)機型資料的統(tǒng)計分析來看，國內(nèi)、外知名廠家設(shè)計、生產(chǎn)制造適合該電站水頭段(600m以上)、單機容量 (50 MW)的水斗式水輪機和混流式水輪機在技術(shù)上都是可行的。

(2)從機組運行穩(wěn)定性分析。水斗式水輪機具有雙重調(diào)節(jié)機構(gòu)，就運行而言，易將壓力上升和機組轉(zhuǎn)速上升控制在較低的數(shù)值，使機組具有較好的調(diào)節(jié)保證參數(shù)，尤其對長引水管電站 (本電站壓力管道長達2900多m)，在運行穩(wěn)定性方面較混流式機組更具有優(yōu)勢。

機組穩(wěn)定運行區(qū)域比較:由于霍扎電站在系統(tǒng)中具有調(diào)峰任務(wù)，要求機組出力變化范圍大。水斗式水輪機能在相應(yīng)水頭下的機組最大保證功率的25%～100%范圍內(nèi)穩(wěn)定運行，而混流式水輪機在相應(yīng)水頭下的機組最大保證功率的45%～100%范圍內(nèi)穩(wěn)定運行。所以對應(yīng)水斗式水輪發(fā)電機組，電站機組穩(wěn)定運行范圍大，運行調(diào)度靈活性較好，具有一定的優(yōu)越性。

(3)從適應(yīng)水頭變化的能力分析。具有長、短葉片的混流式水輪機等效率曲線呈近似圓形，而水斗式水輪機呈扁平的橢圓形，其適應(yīng)水頭變化的能力不如混流式。但本電站水頭變幅不大，最小水頭與最大水頭之比為648/691.5=0.937，不會發(fā)生水斗式機組因水頭變化而發(fā)生效率陡變的情況。

(4)機組運行維護分析。對于高水頭電站 (尤其450m以上水頭段)，水斗式水輪發(fā)電機組運行經(jīng)驗成熟，而混流式水輪發(fā)電機組運行經(jīng)驗相對較少。另外，本電站水頭高、海拔高，機組易發(fā)生汽蝕和磨損現(xiàn)象。而在高水頭下混流式水輪機過流部件泥沙磨損和汽蝕破壞較水斗式水輪機嚴重;混流式水輪機迷宮環(huán)及導(dǎo)葉端面間隙小，受泥沙磨損影響后更換不方便，檢修工作量大;而水斗式水輪機在大氣中運行，汽蝕磨損較輕，而且汽蝕磨損多集中在針閥、噴嘴和水斗等部位，但這些部件更換方便，檢修時間短。因此，在運行維護方面，水斗式水輪機更具優(yōu)勢。

(5)水能利用情況對比。水斗式水輪機由于排出高度的要求，轉(zhuǎn)輪需裝設(shè)在最高尾水位以上，會引起水頭利用不充分，造成一定電量損失。本電站下游水位變幅很小，其排出高度不大于3.5m，選擇水斗式機組與混流式機組相比造成約5m的水頭浪費，僅占額定水頭的0.7%左右。對電量的影響不大。

(6)機組綜合效率分析。水斗式水輪機與混流式水輪機相比雖然最高效率略低，但效率曲線平坦，在負荷變化時效率的改變較混流式水輪機小，尤其是多噴嘴水斗式水輪機可以通過調(diào)整使用噴嘴的數(shù)目適應(yīng)負荷的變化，有良好的負荷適應(yīng)性。對于本電站而言，機組出力變化范圍大，水斗式水輪機的出力加權(quán)平均效率比混流式機組高，更具優(yōu)勢。

(7)從技術(shù)難度分析。經(jīng)初步計算，混流式水輪發(fā)電機組的額定轉(zhuǎn)速要達到750～1000r/min，對于這樣大容量發(fā)電機的制造國內(nèi)還沒有先例，有相當(dāng)?shù)碾y度;高水頭混流式水輪機多采用長、短葉片轉(zhuǎn)輪，但長、短葉片轉(zhuǎn)輪因其葉片數(shù)量較多，組焊時比較困難，比水斗式機組的設(shè)計和制造難度增加很多，水斗式水輪發(fā)電機組的額定轉(zhuǎn)速為600r/min，經(jīng)向制造廠家咨詢，國內(nèi)可以生產(chǎn);相比之下也宜選用水斗式水輪機。

(8)不確定性分析。目前國內(nèi)600m水頭段混流式轉(zhuǎn)輪沒有開發(fā)資料，只能采用進口轉(zhuǎn)輪，且無國內(nèi)運行經(jīng)驗。而在建的高水頭大容量電站采用水斗式水輪機的相對較多。可交流的信息資料較豐富，有利于工程建設(shè)。

綜上所述，在技術(shù)、設(shè)計制造難度、運行穩(wěn)定性和靈活性、安全運行維護等各方面水斗式水輪發(fā)電機組均較優(yōu)，而混流式水輪發(fā)電機組比水斗式機組的設(shè)計和制造難度增加很多，相應(yīng)的技術(shù)和質(zhì)量風(fēng)險加大，從安全可靠的原則出發(fā)，宜選用水斗式水輪機。

1.2 投資比較

(1)機電設(shè)備投資方面。因水斗式水輪機比轉(zhuǎn)速比混流式水輪機低，水斗式機型方案比混流式機型方案同步轉(zhuǎn)速低2～3檔，設(shè)備重量相對增加。但混流式機組發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速與飛逸轉(zhuǎn)速高，而水輪機轉(zhuǎn)輪直徑偏小，設(shè)計制造難度大，其單位重量價格高。經(jīng)過向生產(chǎn)廠家咨詢并分析，該電站兩臺47.88MW混流式水輪發(fā)電機組 (水輪機引進技術(shù)和關(guān)鍵部件)價格為5000萬元左右，若發(fā)電機也引進，價格將達到7000萬元以上，兩臺水斗式機組方案 (關(guān)鍵部件進口)機組價格為7000萬元左右，設(shè)備投資比兩臺混流式機組方案 (進口轉(zhuǎn)輪)約多2000萬元。若考慮水斗式機組的全國產(chǎn)化，價格差距還可以縮小。

(2)土建投資方面。水斗式機組廠房地面以上的長度和寬度都要大一些，由于采用地面廠房布置方案，該部分尺寸增大所增加的土建工程量有限;混流式機組比水斗式機組安裝高程低15m左右，增加廠房開挖深度及尾水部分的開挖，在綜合考慮平面尺寸、開挖深度、廠內(nèi)起重機及荷載差異等因素后，混流式機組比水斗式機組方案的土建工程投資增加約1000萬元。

(3)機組甩負荷時，水斗式水輪機可利用折向器迅速遮開水流，從而控制壓力和轉(zhuǎn)速上升，調(diào)節(jié)保證計算容易滿足，與混流式水輪機相比可降低壓力引水系統(tǒng)部分的工程造價。尤其本電站水頭高、壓力引水管長，該部分投資降低將更可觀。

(4)從工程直接投資分析來看，水斗式機組方案的機電、壓力管道和土建投資總和與混流式機組方案相差不大?？紤]水斗式機型工程應(yīng)用實例多，技術(shù)較為成熟，生產(chǎn)廠家較多，有利于將來機組招標(biāo)采購;可以保證工程投資的控制。

1.3 其他因素比較

對于霍扎這種引水式電站，水頭變幅小，適合水斗式水輪機的應(yīng)用特點;另外本工程為跨流域調(diào)水，調(diào)節(jié)水庫庫容不大，為日調(diào)節(jié)，不具備較強的調(diào)節(jié)性能，電站的流量會根據(jù)調(diào)水流域的水文情況變化較大，這就要求機組具有隨著流量的變化能夠保持較高運行效率的特性，使得電站綜合效益最大。水斗式水輪機在較寬廣的出力變化范圍內(nèi)效率變化平緩，平均效率較高，可以滿足這種要求。

電站地面式廠房布置在河流右岸，尾水退入河道，因地形狹窄，廠區(qū)距離河道較近，大部分為開挖山體形成，如裝機高程太低，將增加防洪部分工程措施;結(jié)合地形條件水斗式機組的電站布置有利，同時機組運行維護管理方便，綜合分析比較，選用水斗式水輪機。

2 機型方案的確定

挪威水電站以高水頭為特點，所有大型水電站的水頭幾乎都在400m以上。因此挪威的大學(xué)、研究所和水輪機公司都曾把研究、發(fā)展的重點放在沖擊式水輪機和高水頭混流式水輪機上，使他們在這方面長期以來處于世界先進水平。

下頁圖為挪威水電經(jīng)驗中介紹的兩種機型選擇的參考圖，曲線為經(jīng)常在25%～100%額定負荷下運行的機組機型選擇分界線，在曲線的上方為沖擊式 (包括水斗式)，下方為混流式機型。

根據(jù)GB/T 15468—2006《水輪機基本技術(shù)條件》要求水輪機穩(wěn)定運行功率范圍“混流式為45%～100%相應(yīng)水頭下的機組最大保證功率”，因此該圖也基本可作為我們設(shè)計高水頭電站時的選型參考。由該圖可知，霍扎電站水頭范圍在648～691.5m，水輪機落在曲線的上方。

通常從理論和技術(shù)條件方面來講，將混流式水輪機的應(yīng)用水頭上限提高到700m以上是可能的，但從運行和經(jīng)濟角度來考慮，挪威水電經(jīng)過研究并經(jīng)實踐證明混流式水輪機應(yīng)用水頭不宜超過600m;加拿大GE公司通過總結(jié)長期的設(shè)計和制造經(jīng)驗，認為混流式水輪機的最大應(yīng)用水頭不宜超過500m。

基于技術(shù)、投資和電站調(diào)節(jié)特性、地形條件等各方面比較，并參考國際先進的研究結(jié)果、設(shè)計水平和制造經(jīng)驗，該電站機型選定為水斗式水輪機。

水輪機選型參考圖

3 結(jié)語

項目進入實施階段后，國內(nèi)某知名水輪機廠就水斗式機型進行了CFD分析，在水輪機內(nèi)部流動和斗葉強度分析基礎(chǔ)上，研究開發(fā)出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的水輪機轉(zhuǎn)輪模型，在哈動國家水力發(fā)電設(shè)備工程技術(shù)研究中心有限公司水輪機試驗臺上進行了模型試驗。效率達到91.66%。試驗結(jié)果表明該機型完全適用于霍扎電站，且具有較好的性能指標(biāo)，證明了我們的選型是合適的，同時試驗結(jié)果得到了業(yè)主、咨詢公司和業(yè)主工程師的認可，并通過驗收。

［1]本手冊編寫組.水電站機電設(shè)計手冊:水力機械［M］.北京:水利電力出版社，1983.

［2]DL/T 5186—2004，水力發(fā)電廠機電設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國電力出版社，2004.

［3]GB/T 15468—2006，水輪機基本技術(shù)條件［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［4]劉大愷.水輪機:第三版［M］.北京:中國水利水電出版社，1996.

［5]哈爾濱大電機研究所.水輪機設(shè)計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1976.