蓋孜水電站高水頭水輪機選型設計

安剛

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

蓋孜水電站高水頭水輪機選型設計

安剛

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

針對蓋孜水電站高水頭水輪機的特點，通過可研和招標階段設計對水輪機參數(shù)進行優(yōu)化，提高了電站長期運行的穩(wěn)定性和可靠性。

蓋孜水電站；高水頭水輪機；機組選型；混流式；水斗式

1 工程概況

蓋孜水電站是蓋孜河流域梯級開發(fā)的第二級電站，電站位于新疆維吾爾自治區(qū)克孜勒蘇柯爾克孜州阿克陶縣境內，距阿克陶縣城約67 km，距喀什市約120 km。電站為徑流式電站，采用引水式開發(fā)，裝機容量為116 MW，工程開發(fā)任務是水力發(fā)電，與布侖口—公格爾電站同步運行，承擔電力系統(tǒng)調峰任務。工程主要有引水調節(jié)池、發(fā)電引水系統(tǒng)、壓力管道（一管三機，約11.45 km）、電站地面廠房、尾水渠、尾水節(jié)制退水閘、反調節(jié)池和反調節(jié)池引水閘及放空檢修洞等組成。

2 電站基本參數(shù)

（1）前池特性

正常水位 2 625.67 m

最低水位 2 624.792 m

調節(jié)性能 無

（2）尾水位

最高尾水位 2 254.47 m

正常尾水位（3臺機滿發(fā)） 2 254.06 m

設計尾水位（1臺機滿發(fā)） 2 252.77 m

（3）水頭

最大水頭（毛水頭） 373.77 m

加權平均水頭（凈水頭） 360.48 m

額定水頭（凈水頭） 347.0 m

最小水頭（凈水頭） 346.33 m

（4）多年平均懸移質含沙量 0.021kg/m3

（5）電站動能指標

裝機容量 116 MW

多年平均年發(fā)電量 3.83億kW·h

年利用小時數(shù) 3 308 h

保證出力 38.3 MW

3 機組機型和臺數(shù)選擇

蓋 孜 水 電 站 水 頭 為 346.33～373.77 m，Hmax/Hr=1.077、Hmin/Hr=0.998、Hmax/Hmin=1.079，在該水頭段可供選擇的水輪機型式有混流式與水斗式兩種?？晒┻x擇機組臺數(shù)有2臺、3臺和4臺。對于4臺機方案，由于其單機容量偏小、額定轉速偏高、機組尺寸小、設計制造運行維護困難，可能給機組的穩(wěn)定運行留下隱患，而且在初期投資和年維護費用方面，也比其它方案大。故4臺機方案不宜推薦。

綜上所述，對機組機型和機組臺數(shù)的選擇可組合成2×54 MW混流式、水斗式，3×38.7 MW混流式、水斗式四個方案作全面的分析。

3.1 機組機型選擇

（1）在技術經濟參數(shù)方面，由下頁表1可知，混流式機型與水斗式機型相比，具有以下優(yōu)點：

1）投資低，3臺混流機型方案分別比2臺水斗和3臺水斗機型少354萬元和631萬元；

2）混流式水輪機效率高，最高效率比水斗式高，有試驗資料表明，通常采用長短葉片的混流式水輪機在出力范圍為(50%～100%)Nr時的效率始終比水斗式水輪機高。水斗式水輪機效率隨出力變化較小，但對水頭變化敏感?；炝魇綑C型的多年平均發(fā)電量要比水斗式多。

表1 四個方案的性能和經濟比較表

3）由于排出高度和吸出高度的要求，水斗式水輪機轉輪需裝設在最高尾水位以上約3 m，而混流式水輪機轉輪需裝設在設計尾水位以下8 m，考慮下游尾水位變幅，由此水斗式水輪機會因水頭利用不充分造成一定電量損失。

近期（不考慮其下游梯級規(guī)劃的托尕依水電站調節(jié)池）尾水變幅，水斗式水輪機比混流式水輪機將少利用水頭約4.5m，造成年電量損失約800萬kW·h。

4）蓋孜電站負荷變化范圍一般在40～116MW，低于40 MW的機會小，有利于發(fā)揮混流式機型的優(yōu)勢。

（2）在運行維護方面，水斗式機型與混流式機型相比，有以下特點：

1）混流式水輪機結構復雜，易損部件較水斗式水輪機多，檢修、更換和維護工作量大，運行維護費用較高。

2）混流式水輪機過流部件多，迷宮及導葉端面間隙小，受泥沙磨損影響后更換不方便，檢修工作量大。但蓋孜水電站過機泥沙小，預計泥沙磨損輕微，大修間隔時間較長。

3）水斗式水輪機在含沙水流下運行，噴針頭、噴嘴口環(huán)及水斗分水刃的磨損也非常劇烈，但這些部件相對獨立，更換方便（在有備件的情況下，1～2 d即可完成）。

4）混流式機組發(fā)生振動、噪音及不穩(wěn)定的機率較高，但大多制造廠家認為只要設計合理，尾水管壓力脈動幅值 (即峰峰值)ΔH一般可控制在相應水頭的3%。

鑒于以上原因，混流式機型初期投資低，效率高，多年平均發(fā)電量高約800萬kW·h；水斗式水輪機具有運行、維護簡單和零部件更換方便，檢修工期短等特點，具有較好的運行維護性能；而蓋孜電站機組過機泥沙含量輕微，由泥沙磨損引起的機組檢修機會少。

因此本階段推薦選用混流式機型。

3.2 機組臺數(shù)選擇

由表1可得，兩種混流式方案水輪機工作范圍及所得電量相當；主要機電設備及主廠房土建投資3臺機方案高約213萬。但3臺機運行靈活、方便，檢修時對電站出力影響小一些。另外，2臺機比3臺機在出力分配上出現(xiàn)高水頭、小出力工況的可能性大，可能給機組的安全穩(wěn)定運行留下隱患；另一方面蓋孜電站接布侖口水電站的尾水，與布侖口水電站聯(lián)合調峰，裝機臺數(shù)與之匹配有利于水能資源充分利用。從提高梯級電站聯(lián)合運行效率及靈活性角度，故推薦選用3臺機方案。

4 模型轉輪參數(shù)對比

根據(jù)蓋孜水電站水頭范圍，可以選用400 m水頭段混流式水輪機，根據(jù)現(xiàn)有模型轉輪資料，可供選用的水輪機轉輪有HLD381B、HLA351、HL（E）等。其模型參數(shù)見表2。

表2 混流式機型轉輪參數(shù)對比表

經技術分析比較，HLD381B轉輪綜合性能較好，本階段暫以HLD381B轉輪參數(shù)作為混流式機型的計算依據(jù)。

5 水輪機安裝高程

根據(jù)推薦的HLD381B轉輪和各工況點參數(shù)，經制造廠的比較計算，結合其他制造廠提供的相關資料，本階段Hs取-8 m。

按設計尾水位（1臺機滿負荷運行，Q=12.6 m3/s）為2 252.77 m，選擇蓋孜電站水輪機安裝高程為2 244.77 m。

6 選定方案機組參數(shù)

通過可研、招標、技施各階段對水輪機參數(shù)的優(yōu)化設計，最終確定水輪機主要參數(shù)如下：

水輪機型號 HL(EF)-LJ-190.6

轉輪直徑 1.906 m

額定流量 12.35 m3/s

額定出力 39.87MW

額定轉速 600 r/min

飛逸轉速 1 000 r/min

額定工況點效率 94.84%

最高效率 95%

額定比轉速 97.9 m·kW

允許吸出高度 -8 m

7 結束語

蓋孜水電站屬高水頭電站，通過對混流式和水斗式機型比選，并結合電站自身特點，對水輪機參數(shù)進行了優(yōu)化，為該電站今后長期安全穩(wěn)定運行奠定了良好基礎。

[1]張延峰,高敏.功果橋水電站機組機型比選[J].西北水電，2012(S1)：38-40.

[2]段威,胡平.木星土水電站水輪機選型設計[J].西北水電, 2012(S1)：44-47.

[3]吳勝華,黃靖乾,陸星,等.錦屏二級水電站水輪機主要參數(shù)選擇[J].水力機械技術,2015(3)：9-18.

TK730

B

1672-5387（2017）06-0010-03

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.06.004

2017-03-09

安 剛（1975-），男，高級工程師，從事水電站水力機械設計工作。