淺談涇河?xùn)|莊水電站水輪機(jī)選擇

張新萍，楊 森，趙 晗，胡 靜，張曉晗

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710001）

水輪機(jī)選擇是在動能計算擬定的水電站工作水頭范圍、引用流量及裝機(jī)規(guī)模方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。內(nèi)容包括確定單機(jī)容量及機(jī)組臺數(shù)；選定機(jī)型和裝置方式；選定水輪機(jī)的軸功率、轉(zhuǎn)輪直徑、同步轉(zhuǎn)速、吸出高度、安裝高程等基本參數(shù)[1]。對于高泥沙、中高水頭的東莊水電站，水輪機(jī)選擇決定空化性能、抗磨蝕性能及機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

1 工程概況

涇河?xùn)|莊水利樞紐位于陜西省涇河干流，距西安市約90 km。是國家172項節(jié)水供水重大水利工程之一。工程的開發(fā)任務(wù)是以防洪減淤為主，兼顧供水、發(fā)電和改善生態(tài)等綜合利用，水庫為年調(diào)節(jié)，總庫容32.76億m3，為Ⅰ等大（1）型工程。東莊水電站裝機(jī)容量110 MW，裝設(shè)2臺35 MW和2臺20 MW立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。引水系統(tǒng)為1洞4機(jī)方式，地下廠房。東莊電站承擔(dān)電力系統(tǒng)的調(diào)峰任務(wù)進(jìn)行調(diào)峰運(yùn)用。日調(diào)峰4 h～6 h，其余時間（20 h～18 h）按生態(tài)基流、工業(yè)供水流量、灌溉流量以及棄水流量進(jìn)行發(fā)電。機(jī)組選型應(yīng)同時滿足生態(tài)基流和工業(yè)供水流量泄放以及機(jī)組高效運(yùn)行的要求[2]。

2 電站基本參數(shù)

電站基本參數(shù)：最大水頭為200.92 m；最小水頭為152.04m；出力加權(quán)平均水頭為182.9 m；電站引用流量為69.4 m3/s；多年平均（最大）含沙量（建庫前天然河道）為140 kg/m3（310.0 kg/m3）；建庫后含沙量為 15.7 kg/m3～101.22 kg/m3；平均粒徑為0.018 mm；電站年發(fā)電量為年利用小時數(shù)為2593 h；電站保證出力為17 MW；生態(tài)流量為5.33 m3/s～15.99 m3/s，保證率100%；工業(yè)供水為3.12 m3/s（考慮日變化系數(shù)），保證率95%；灌溉流量為0～32.4 m3/s（日平均），保證率50%；棄水流量為 0～51.0 m3/s。

3 水輪機(jī)選擇

東莊水電站水頭范圍152.04 m～200.92 m，屬中高水頭段，適用的水輪機(jī)型式為混流式，故選定混流式機(jī)型。

3.1 額定水頭選擇分析

根據(jù)水輪機(jī)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177.0 m。若降低額定水頭為170 m，則水輪機(jī)造價增加約4%，工程造價亦會相應(yīng)增加，而年發(fā)電量增加幅度并不大，同時機(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。若提高額定水頭，不宜大于加權(quán)平均水頭，提高的空間有限，且不能降低機(jī)組造價。通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較，額定水頭選取177.0 m。

3.2 水輪機(jī)臺數(shù)選擇分析

機(jī)組臺數(shù)的選取在考慮運(yùn)行調(diào)度靈活性、工程投資等因素的同時，還應(yīng)在保證出力下機(jī)組能穩(wěn)定運(yùn)行，以發(fā)揮最大的發(fā)電效益。

將生態(tài)基流及工業(yè)供水流量合并看作常流量（8.45 m3/s～19.11 m3/s）進(jìn)行發(fā)電。在所有水頭范圍內(nèi)生態(tài)基流及工業(yè)供水流量均有泄放可能，因此，在確定裝機(jī)臺數(shù)及單機(jī)容量時，需保證在最大水頭下，水輪發(fā)電機(jī)組應(yīng)能通過生態(tài)基流及工業(yè)供水流量最大值，同時可以長期高效穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)估算，非調(diào)峰時，在最大水頭、無灌溉及棄水時，生態(tài)基流及工業(yè)供水流量的出力約15 MW～33 MW，其中出力可能時長15 MW約7.5個月，24 MW～33 MW約4.5個月。根據(jù)《水利水電工程機(jī)電設(shè)計技術(shù)規(guī)范》（SL 511-2011）規(guī)定：機(jī)組臺數(shù)宜不少于2臺。從電站調(diào)度靈活性、設(shè)備投資、滿足生態(tài)基流及工業(yè)供水發(fā)電穩(wěn)定性等方面考慮，對電站裝機(jī)臺數(shù)3臺機(jī)和4臺機(jī)兩個大的方案進(jìn)行比較分析。

電站裝機(jī)3臺時，1臺機(jī)組常年利用生態(tài)流量及工業(yè)供水流量進(jìn)行發(fā)電，另2臺機(jī)組作為備用或調(diào)峰時投入運(yùn)行?？山M合成2個方案，均為2大1小異型機(jī)組：2×45 MW+1×20 MW、2×47.5 MW+1×15 MW。2個方案在小機(jī)檢修或事故時，大機(jī)不能作為備用投入，需要從大壩泄放流量，均會損失電量。因此3臺機(jī)組方案不合適。

電站裝機(jī)4臺時，可組合成A、B、C、D共4個方案：2×45 MW+2×10 MW、2×40 MW+2×15 MW、2×35 MW+2×20 MW、4×27.5 MW。

（1）電站接入陜西電網(wǎng)擔(dān)負(fù)電網(wǎng)調(diào)峰運(yùn)行，裝機(jī)臺數(shù)應(yīng)考慮滿足電站保證出力因素。方案A單臺或2臺小機(jī)無法滿足發(fā)滿保證出力要求，單臺大機(jī)組可滿足；方案B雖單機(jī)無法滿足保證出力的要求，但兩臺小機(jī)組同時運(yùn)行時可滿足；方案C和方案D在發(fā)足保證出力時，大小機(jī)組均在混流式水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)。

（2）為滿足生態(tài)基流及工業(yè)供水發(fā)電流量的要求，所選方案在所有水頭范圍內(nèi)，通過生態(tài)基流及工業(yè)供水流量時應(yīng)處于混流式水輪機(jī)的45%～100%穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)。且由于其運(yùn)行小時數(shù)較長（日運(yùn)行時間大于18 h），還應(yīng)保證在通過該流量時，電站機(jī)組盡可能處于高效率區(qū)。

從發(fā)電過程比較，方案A發(fā)電流量不連續(xù)，流量受阻，有棄水發(fā)生。方案B、C和D在生態(tài)及工業(yè)供水流量范圍內(nèi)均可組合發(fā)電。但方案B在最大水頭泄放小流量時需2臺小機(jī)運(yùn)行，出力及水輪機(jī)效率偏低；方案D在泄放小流量時1臺機(jī)出力及水輪機(jī)效率偏低；方案C有2臺小機(jī)組，小出力時有備用機(jī)組投入，效率較高，發(fā)電效益較好；當(dāng)有灌溉流量時，大、小機(jī)組的組合運(yùn)行靈活；方案C在出力9 MW～110 MW范圍，發(fā)電流量連續(xù)，無棄水發(fā)生，比方案D年發(fā)電量多552萬kW·h，優(yōu)勢比較明顯。

（3）電站雖地處山區(qū)，但各方案單機(jī)容量不大，外圍交通條件較好，機(jī)電設(shè)備各大重件經(jīng)鐵路或公路運(yùn)輸至主廠房安裝間，運(yùn)輸條件不是機(jī)組臺數(shù)選擇的限制條件。

（4）以上4臺機(jī)方案中，機(jī)組的設(shè)計制造均是可行的，但水輪機(jī)工藝難度系數(shù)隨單機(jī)容量的增加而增加。

（5）廠房寬度及高度主要與各方案中大機(jī)組的容量有關(guān)，其容量越大，廠房越寬，高度也越高。且上述方案中，方案A機(jī)電設(shè)備投資最高，方案C、方案B次之，方案D投資最少。

綜合以上分析，選定方案C為推薦方案，即2×35 MW+2×20 MW方案。

方案C小機(jī)組最小發(fā)電流量6.21 m3/s。根據(jù)水能45年統(tǒng)計資料，小于6.21 m3/s的生態(tài)流量占比為0.65%，比例非常小，這部分流量機(jī)組不能發(fā)電，或電站因故機(jī)組不能發(fā)電時，可利用二道壩壩身設(shè)置檢修放空孔泄放流量。在初期蓄水期機(jī)組不能發(fā)電時，生態(tài)基流通過大壩下游導(dǎo)流洞和大壩排沙底孔向下游泄放，滿足生態(tài)、工業(yè)以及灌溉供水要求。

機(jī)組檢修可安排在9月～次年4月，本時段大多數(shù)情況下泄放流量較小、1臺機(jī)組運(yùn)行，可以安排其它機(jī)組檢修或輪換檢修，滿足運(yùn)行要求。

因此，電站裝設(shè)2大2小異型機(jī)組方案（2×35 MW+2×20 MW）是合適的。

3.3 水輪機(jī)參數(shù)選擇

比轉(zhuǎn)速ns及比速系數(shù)K值是表征水輪機(jī)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)水平的重要特征參數(shù)。在同樣水頭和出力下，高比速的水輪機(jī)轉(zhuǎn)速高、尺寸小，因而水輪機(jī)造價降低。但提高水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速需提高水輪機(jī)的單位轉(zhuǎn)速和單位流量，從而使水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪內(nèi)相對流速增加，過高的相對流速造成流道內(nèi)壓力降低，對水輪機(jī)的空化性能、穩(wěn)定性及抗磨蝕性能造成不利的影響。

黃河小浪底、萬家寨等電站機(jī)組選型的設(shè)計經(jīng)驗及運(yùn)行實踐表明，除了其具有較好的水力設(shè)計、加工工藝和材質(zhì)因素外，較低的參數(shù)水平也是水輪機(jī)具有良好抗磨蝕性能的重要保證。東莊電站運(yùn)行水頭高、含沙量大，水輪機(jī)參數(shù)水平的選擇應(yīng)把電站的長期穩(wěn)定運(yùn)行放在首位，比轉(zhuǎn)速的選取應(yīng)低于清水河流電站；同時為保障電站機(jī)組安全運(yùn)行，應(yīng)適當(dāng)加大機(jī)組淹沒深度。

綜合分析計算，確定水輪機(jī)比速系數(shù)值在1300～1700之間選取，相應(yīng)的比轉(zhuǎn)速為96.0 m·kW～126.7 m·kW，且水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出口相對流速W2不大于38 m/s。經(jīng)過比較，選定大（?。C(jī)額定轉(zhuǎn)速為333.3 r/min（428.6 r/min），額定比轉(zhuǎn)速為98.0 m·kW（95.3 m·kW），比速系數(shù) K 值為 1304（1268），水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出口相對流速W2為37.62 m/s（36.62 m/s）。

3.4 機(jī)組參數(shù)選擇

通過對國內(nèi)中小型水輪機(jī)廠進(jìn)行咨詢和調(diào)研，有5個機(jī)組廠提供并推薦選型方案。根據(jù)各廠提供的模型轉(zhuǎn)輪資料，較合適的模型轉(zhuǎn)輪主要有HLA351E、HLA542這兩種型號。兩種轉(zhuǎn)輪的單位流量相差不大；HLA351E效率比HLA542高；空化性能HLA542比HLA351E要好一些，但對于地下廠房優(yōu)勢并不明顯。經(jīng)選型計算，兩種轉(zhuǎn)輪方案大小機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑相同、機(jī)組運(yùn)行范圍均基本包含高效區(qū)，推薦能量指標(biāo)好的HLA351E模型轉(zhuǎn)輪。轉(zhuǎn)輪型號的選用采用比轉(zhuǎn)速數(shù)字表示，不用具體的型號，即為 HL（98）-LJ-260（大機(jī)）、HL（95.3）-LJ-200（小機(jī)）。其主要參數(shù)[2]見表1。

表1 水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)表

3.5 水輪機(jī)吸出高度H s和安裝高程

根據(jù)引水系統(tǒng)一洞四機(jī)的布置形式，考慮四臺機(jī)組的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中心線在同一高程。因此，在計算安裝高程時，需分別計算大、小機(jī)組的吸出高度后，根據(jù)兩種機(jī)型較小的吸出高度來確定安裝高程。經(jīng)計算，小機(jī)組的吸出高度大于大機(jī)組的吸出高度。

在含沙水流條件下，空化往往提前發(fā)生，而且空蝕與磨損的聯(lián)合作用又將進(jìn)一步加重水輪機(jī)的磨蝕損壞程度，預(yù)留足夠的空化安全系數(shù)是抑制空化發(fā)生的途徑之一。參考相關(guān)多泥沙河流電站的經(jīng)驗，確定大機(jī)組的相應(yīng)吸出高度為Hs=-9.0 m，裝置空化系數(shù)為0.08。按一臺小機(jī)最小發(fā)電流量對應(yīng)尾水位588.64 m，確定四臺機(jī)組的水輪機(jī)安裝高程579.64 m。

3.6 水輪機(jī)檢修方案

高水頭、多泥沙水電站水輪機(jī)通流部件的磨損破壞是不可避免的。由于水輪機(jī)按照低參數(shù)原則進(jìn)行選型，通過采用合適的不銹鋼抗磨蝕材料和抗磨涂層保護(hù)，可以有效延長機(jī)組大修期。此外，小機(jī)組運(yùn)行小時數(shù)較長，其檢修頻率較高，大機(jī)組則較少?？紤]到小機(jī)組裝機(jī)容量不大，其上拆和中拆方案的難易程度基本相當(dāng)。因此選擇水輪機(jī)檢修采用上拆方案。

4 結(jié)語

東莊水電站屬高含沙量、中高水頭的中型水電站，水輪機(jī)參數(shù)的選擇，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，確定裝設(shè)2臺35 MW和2臺20 MW立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組，大、小機(jī)組轉(zhuǎn)速分別為333.3 r/min、428.6 r/min，吸出高度-9 m。選型方案合理可行。