長距離輸水工程出口消能電站機組選擇

馬傳波

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧沈陽110003）

長距離輸水工程出口消能電站機組選擇

馬傳波

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院，遼寧沈陽110003）

消能電站是應(yīng)用于長距離輸水工程末端滿足輸水及消能功能，并可充分利用能量的工程措施。通過工程實例，綜合考慮調(diào)水工程達產(chǎn)前后的流量及水頭變化過程，并結(jié)合不同類型水輪機組特點，擬定組合方案，最終在滿足調(diào)水安全的前提下，推薦技術(shù)合理、經(jīng)濟合適的機組。

長距離；輸水工程；消能電站；機組選擇

近年來，跨流域調(diào)水工程日益增多，有些調(diào)水工程進出口會具有較大的水頭差。水頭差大會產(chǎn)生高速水流，將帶來一系列問題，主要有以下四方面：一是會發(fā)生強烈的壓強脈動，由于高速水流的高度紊動使動水壓強產(chǎn)生強烈的脈動，強烈的脈動有可能引起建筑物的震動，危害極大；二是當流速大時，有自由表面的水流中將摻入大量空氣，變成乳白色的摻氣水流，破壞液體連續(xù)性；三是水流不穩(wěn)定時，邊界發(fā)生急劇變化時，流線發(fā)生分離，形成旋渦，就會產(chǎn)生低壓區(qū)，產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象；四是發(fā)生波浪，由于流速快，局部很小的變化，都可能形成波浪，當波浪傳到下游出口，使消能造成困難。因此必須在出口布設(shè)消能設(shè)施，以減少出流對隧洞出口處的沖刷和破壞。

消能閥和消能電站都是常見的消能型式。消能閥利用水流和空氣大面積的摩擦生產(chǎn)霧化來進行消能，消能效果十分突出，同時對環(huán)境損害很小，而且其布置緊湊，占地小，操作靈活，運行管理方便、可靠，綜合成本較低，適用于小流量調(diào)水工程。消能電站是將機械能轉(zhuǎn)化為電能，由于需要布設(shè)發(fā)電廠房等設(shè)施，因此需要具備修建廠房的地形地貌條件，需要占用部分土地，且管理人員相對消能閥而言要增加，但是對于大流量、高水頭的調(diào)水工程卻可以創(chuàng)造一定的經(jīng)濟效益。消能電站選擇合適機組對于工程良性運行至關(guān)重要。以某消能電站機組選擇過程為實例，以調(diào)水工程水頭、調(diào)水流量過程為基礎(chǔ)，綜合考慮軸流式水輪機和混流式水輪機的運行特點以及調(diào)研目前國內(nèi)生產(chǎn)廠家實際情況，最終從技術(shù)和經(jīng)濟兩方面確定推薦方案。

1 消能電站概況

該調(diào)水工程是利用輸水隧洞將某大型水庫的水自流引水臨近流域某中型水庫，輸水隧洞全長99.54 km。調(diào)水進口水庫正常蓄水位為318.48 m，死水位為281.48 m；出口水庫正常蓄水位為236 m（電站尾水位）；最大凈水頭為70 m，最小凈水頭為12.50 m，加權(quán)平均水頭為33.02 m；設(shè)計調(diào)水流量77 m3/s，最大調(diào)水流量120 m3/s。

2 電站機組方案比選原則

2.1 方案比較原則

1）工程主要任務(wù)是調(diào)水，發(fā)電只是輸水的消能方式。所以電站運行首先考慮滿足調(diào)水要求，其次才是發(fā)電。在滿足輸水消能的前提下，對各機組方案進行經(jīng)濟比較，據(jù)此確定經(jīng)濟合理的消能方案。

2）以調(diào)水過程線為依據(jù)，計算各方案多年平均發(fā)電量，根據(jù)方案投資、發(fā)電收益計算各方案經(jīng)濟指標。通過經(jīng)濟技術(shù)比較推薦采用經(jīng)濟較優(yōu)且運行安全的方案。

2.2 機組水頭范圍論證

工程調(diào)水存在以下特點：

1）達產(chǎn)后調(diào)水特點：調(diào)大流量時間較長，調(diào)70 m3/s以上占60%；低水位調(diào)水時間長，水頭50 m以下占75%，15～12.5 m占10%。

2）初期未達產(chǎn)時，存在著高水位調(diào)小流量的運行時段。正常高水位318.48 m以下，調(diào)30～50 m3/s以下，水頭可達70 m。

水頭范圍選擇既要滿足達產(chǎn)后中低水頭段長期運行要求，又要兼顧初期小流量調(diào)水高水頭發(fā)電要求?？紤]以上因素，確定機組水頭范圍為70～12.5 m。

2.3 軸流式和混流式水輪機特點

因電站水頭變幅大，采用一種機型無法滿足運行要求?；炝魇剿啓C運行水頭范圍較小并適合高水頭段運行，軸流式水輪機運行范圍較寬，但適合在低水頭段運行。

軸流式水輪機的水頭范圍差異也較大，最大水頭與最小水頭比值通常不超過2.3倍，其最大可以達到3.5倍。軸流式運行范圍對電站裝機容量影響較大。軸流式水輪機水頭變蝠較大的電站工程實例見表1。變蝠較大的工程實例較少，而多集中在哈電、東方為代表的一流企業(yè)名下。

表1 軸流式水輪機變蝠較大的電站工程實例

通過對有代表性的水輪機生產(chǎn)廠調(diào)研后，有天發(fā)、杭州江河、浙江舜飛3家水輪機廠對消能電站軸流機組50～12.5 m運行范圍進行了CFD分析，根據(jù)CFD分析結(jié)果，3家均認為50～12.5 m運行是不穩(wěn)定的。舜飛的結(jié)論是45～12.5 m可以保證穩(wěn)定運行；江河的結(jié)論是40～12.5 m可以保證穩(wěn)定運行；天發(fā)的結(jié)論是45～12.5 m可以保證穩(wěn)定運行，但需要進行詳細復(fù)核計算。

參考以上3家的CFD計算結(jié)果及工程實例，軸流式水輪機水頭范圍按3種考慮：45～12.5 m，40～12.5 m，35～12.5 m。其中45～12.5 m和40～ 12.5 m都沒有相近工程實例，如果采用需做模型試驗。35～12.5 m的最大與最小比值達到2.8倍，超過常規(guī)，但有相近工程實例。而且，從各家提供的模型特性曲線上判斷，都在模型特性曲線范圍內(nèi)。參考專家意見，采用水頭運行范圍35～12.5 m的軸流式水輪機是可以不做模型試驗的。

2.4 方案擬定及經(jīng)濟比較

根據(jù)軸流式的水頭范圍，擬定以下3組方案進行比較。

A組：采用軸流和輪流兩種機型，2臺軸流式水輪機（水頭范圍12.5～45 m），2臺混流式水輪機（水頭范圍42～70 m）。

表2 A組方案水輪機參數(shù)表

2臺機型1與2臺機型2～5分別組合，擬定4套方案，針對4套方案進行經(jīng)濟比較：方案1投資11 211萬元，多年平均發(fā)電量11 237萬kW·h；方案2投資11 569萬元，多年平均發(fā)電量11 433萬kW·h；方案3投資11 687萬元，多年平均發(fā)電量11 530萬kW·h；方案4投資12 075萬元，多年平均發(fā)電量11 618萬kW·h。采用差額內(nèi)部收益率方法進行比較，方案2與方案1差額內(nèi)部收益率13.09%，投資大的方案2較優(yōu)；方案3與方案2差額內(nèi)部收益率19.23%，投資大的方案3較優(yōu)；方案4與方案3差額內(nèi)部收益率7.32%，投資小的方案3較優(yōu)。則A組中方案3較優(yōu)。

B組：同樣采用兩種機型，2臺軸流式水輪機（水頭范圍12.5～40 m），2臺混流式水輪機（40～70 m）。

方案組合同A組，同樣擬定4套方案并進行經(jīng)濟比較：方案1投資11 201萬元，多年平均發(fā)電量10 443萬kW·h；方案2投資11 499萬元，多年平均發(fā)電量10 731萬kW·h；方案3投資11 667萬元，多年平均發(fā)電量10 948萬kW·h；方案4投資11 997萬元，多年平均發(fā)電量11 028萬kW·h。采用差額內(nèi)部收益率方法進行比較，方案2與方案1差額內(nèi)部收益率18.85%，投資大的方案2較優(yōu)；方案3與方案2差額內(nèi)部收益率39.64%，投資大的方案3較優(yōu)；方案4與方案3差額內(nèi)部收益率7.77%，投資小的方案3較優(yōu)。則B組中方案3較優(yōu)。

表3 B組比較方案水輪機主要參數(shù)

C組：采用3種機型，2臺軸流式水輪機（水頭范圍12.5～35 m），2臺混流式水輪機,其中，1臺低水頭運行（35～55 m)，1臺高水頭運行（42～70 m)。

表4 C組比較方案水輪機主要參數(shù)

2臺機型1與2臺機型2～5分別組合，擬定4套方案。針對4套方案進行經(jīng)濟比較：方案1投資11 350萬元，多年平均發(fā)電量10 180萬kW·h；方案2投資11 786萬元，多年平均發(fā)電量10 590萬kW·h；方案3投資11 889萬元，多年平均發(fā)電量10 770萬kW·h；方案4投資12 309萬元，多年平均發(fā)電量10 944萬kW·h。采用差額內(nèi)部收益率方法進行比較，方案2與方案1差額內(nèi)部收益率21.77%，投資大的方案2較優(yōu)；方案3與方案2差額內(nèi)部收益率37.92%，投資大的方案3較優(yōu)；方案4與方案3差額內(nèi)部收益率7.9%，投資小的方案3較優(yōu)。則C組中方案3較優(yōu)。

A、B、C組方案中，都是方案3為最經(jīng)濟方案。對3組中較優(yōu)方案再進行經(jīng)濟比較，A3方案投資17 884萬元，多年平均發(fā)電量11 530萬kW·h；B3方案投資17 884萬元，多年平均發(fā)電量10 948萬kW·h；C3方案投資18 560萬元，多年平均發(fā)電量10 770萬kW·h。從經(jīng)濟上比較，A3方案投資最省，發(fā)電量最多，為最經(jīng)濟方案，其次為B3。C3投資最大、發(fā)電量最小，為最不經(jīng)濟方案。A3運行范圍寬，靈活性、經(jīng)濟性最好，但安全性最差。本著安全第一的原則，不推薦采用A3方案。C3方案因其水頭范圍相對較窄，所以其運行安全可靠性最高。但其發(fā)電量最少、投資最大，為最不經(jīng)濟方案；且機型數(shù)量多，調(diào)度、運行復(fù)雜，日常維護工作也大；同時在高水頭段只能一臺機組運行，在高水位最大調(diào)水量僅為30.5 m3/s，少于隧洞能達到的調(diào)水量，運行靈活性較差。B3方案安全可靠性強于A3，與C3方案比，除安全靠性稍差外，其經(jīng)濟性、運行靈活型性均優(yōu)于C3方案。B3水頭范圍稍寬，但根據(jù)已掌握的部分水輪機模型曲線和參考幾家CFD分析成果多數(shù)廠家是可以達到的，參考專家意見需要做模型試驗已保證其運行安全可靠性。綜合比較，推薦采用B3方案，2臺12 000 kW軸流式水輪機（40～12.5 m），2臺13 000 kW混流式水輪機（70～42 m），電站最大運行容量為26 000 kW。

3 結(jié)論

綜上所述，長距離輸水工程消能電站機組選型不僅要考慮到調(diào)水工程達產(chǎn)時的調(diào)水流量變化及水頭變化情況，也要兼顧大型調(diào)水工程在運行初期不能達產(chǎn)情況下的流量及水頭變化情況，同時根據(jù)國內(nèi)外水輪機組的實際情況合理配置，最終在滿足調(diào)水要求的前提下，采用經(jīng)濟指標確定安全可靠、經(jīng)濟適用的機組。

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