平寨水庫電站水輪機選型設計及結構特點分析

楊 超，葛 曦

(貴州省水利水電勘測設計研究院，貴州 貴陽 550002)

1 工程概況

惠水縣平寨水庫所在河流壩王河，屬珠江流域紅水河水系蒙江的一級支流。水庫工程位于壩王河中上游河段，壩址位于惠水縣雅水鎮(zhèn)打白寨附近。工程規(guī)模為中型，正常蓄水位1067m，相應庫容7170萬m3，校核洪水位1070.2m，死水位1021m，水庫有效庫容6557萬m3，總庫容0.7978億m3。工程主要任務是解決惠水、平塘、羅甸3縣7個鄉(xiāng)鎮(zhèn)共13.63萬集鎮(zhèn)人口、9.28萬農村人口及9.28萬頭大小牲畜的人畜飲水問題，并提供136733畝灌溉面積的灌溉用水及邊陽工業(yè)園區(qū)的供水，同時兼顧發(fā)電。

電站所有建筑物均布置于右岸，總布置形式為：取水口→引水隧洞→壓力鋼管→發(fā)電廠房。電站最大凈水頭75.99m，加權平均凈水頭74.3m，最小凈水頭33.9m，裝機容量3200kW，多年平均發(fā)電量974萬kW·h。

2 水輪機選型設計

2.1 機組臺數(shù)選擇

機組臺數(shù)的選擇原則主要考慮機組的運行穩(wěn)定性和運行維護管理、機電設備和廠房土建工程量等因素。電站裝機容量為3200kW，保證出力為304kW，電站引用流量為5.53m3/s，水庫下放環(huán)境水流量為0.591m3/s。綜合考慮電站機組的運行維護管理、機電設備和廠房土建工程量等因素[1- 2]，可選用2臺或3臺的裝機方案進行技術經濟比較，見表1。

表1 不同機組臺數(shù)方案設備投資比較表

從表1可知，方案1比方案2投資節(jié)省382.8萬元。雖然方案2裝機臺數(shù)多，有750kW小機組，便于機組日常靈活組合和枯水期發(fā)電[3]。但據(jù)水文專業(yè)統(tǒng)計分析，電站在出力為304～720kW(方案1單機保證出力)之間發(fā)電的幾率僅占年平均發(fā)電量的5.7%，即方案1比方案2每年少發(fā)約60萬kW·h，折合人民幣13萬元，僅占方案1比方案2投資節(jié)省額的4.1%。此外，方案2比方案1的檢修、運行維護工作量大[4]。因此推薦方案1，即裝機方案為2×1600kW。

2.2 水輪機額定水頭選擇

平寨水庫附屬電站水庫校核水位為1070.2m，正常蓄水位為1067m，死水位為1021m，電站水頭運行范圍33.90～75.99m，水頭變幅42.09m。按規(guī)范要求，對于中高水頭的水輪機，其額定水頭宜在加權平均水頭的0.95～1倍范圍內選定[5- 6]。電站水頭幾率，見表2。

表2 電站水頭幾率統(tǒng)計表

從表2可以看出，電站最大水頭為75.99m，加權平均水頭為74.30m，最小水頭為33.90m，水頭變幅很大為Hmax/Hmin=75.99/33.90=2.24，水輪機的運行很難兼顧整個水頭段[7]。根據(jù)目前國內外已運行的穩(wěn)定性較好的水電站水輪機運行水頭統(tǒng)計規(guī)律：最大水頭與最小水頭的比值小于1.5，另最大水頭與設計水頭的比值在1.07～1.1之間，最小水頭與設計水頭的比值大于或等于0.65。因此，確定水輪機最小運行水頭為51.0m，從平寨水庫附屬電站實際情況可以看出，當水頭在51.0～75.99m之間時，出現(xiàn)幾率為97.7%，此水頭段能保證機組正常穩(wěn)定運行。

電站出力和水頭關系幾率統(tǒng)計成果表明：電站出力集中在60%額定出力及以下，占到了74.5%，且該項數(shù)據(jù)中，50m水頭以上能發(fā)足60%額定出力及以下為72.2%，全出力段為97.7%。33.9～51.0m之間占的出力比例較小，如另裝低水頭機組發(fā)電不經濟。從工程任務來說，雖然主要功能供水與灌溉，但庫容較大，具有一定發(fā)電調蓄能力[8]。因此，在實際運行過程中，可對電站運行方式進行合理調節(jié)，以適應合適的水頭段與出力段。

因此，水輪機額定運行水頭設置為71.0m，最小運行水頭設置為51.0m。即水頭在51.0～75.99m之間時，機組正常發(fā)電，而水頭在33.9～51.0m之間時，機組停機不發(fā)電，通過水庫把低水頭段的能量蓄積起來，待水量充足時且機組在運行水頭范圍內才開機發(fā)電，確保能量不流失。

2.3 水輪機機型選擇

水庫正常蓄水位為1065m，水頭運行范圍為51.0～75.99m，水頭變幅為24.99m，此水頭段適合的水輪機型式為混流式。電站可選機型有HLA678、HLA696、HLA384等幾種模型轉輪，其模型轉輪主要技術參數(shù)，見表3。

在機組選型計算過程中，選擇HLA678-WJ-74(方案1)、HLA696-WJ-61(方案2)和HLA384-WJ-63(方案3)，3種方案從機組穩(wěn)定性、能量指標、氣蝕性能、運行工況、額定轉速以及廠房尺寸等方面進行優(yōu)化比選[9]，計算成果為：

(1)效率：HLA696機型的模型最高效率93.79%、原型最高效率91.79%。水輪機額定效率91.2%、最大水頭時效率91.5%、最小水頭時效率90%。在3個選型方案中HLA696機型效率是最高；HLA678機型效率次之；HLA384機型效率較低。

(2)空蝕性能：HL696和HL678空化系數(shù)均為0.08，吸出高度均為+2.2m，抗空蝕性能較好。HLA384最大空化系數(shù)高0.096，吸出高度為+1.5m，抗空蝕性能較差。

表3 水輪機模型轉輪技術參數(shù)比較表

圖1 HLA696-WJ-61水輪機模型特性曲線及運行范圍圖

(3)能量指標方面：3個方案中HLA696轉輪直徑最小為0.61m、額定轉速1000r/min；HLA384轉輪直徑次之為0.63m、額定轉速1000r/min；HLA678轉輪直徑最大為0.74m、額定轉速750r/min。

此外，綜合考慮到電站設備及土建工程量、電站運行維護管理等因素。方案1機組尺寸較大，增加廠房土建投資。方案2造價和方案3基本相當，但方案2比方案3水輪機抗空蝕性能和運行范圍均較好。因此，推薦HLA696-WJ-61為代表機型，其真機參數(shù)為：轉輪直徑0.61m，額定出力1633kW，額定水頭71.0m，額定流量2.6m3/s，額定轉速1000r/min，額定工況效率92.5%，吸出高度+2m。HLA696運行工況處于高效率區(qū)的范圍較廣，如圖1所示。

3 水輪機結構特點

水輪機轉輪采用鑄焊結構，上冠、葉片、下環(huán)材料為ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼。為了減少機組容積損失和軸向力，在轉輪的上冠設有梳齒型密封，下環(huán)設有間隙式密封。在轉輪上冠上平面與前蓋之間設置有足夠的間隙，以滿足機組軸向串動，轉輪和主軸采用法蘭聯(lián)接鍵傳遞扭矩。轉輪表面粗糙度滿足Ra3.2的要求，流道尺寸型線及流道表面粗糙度應符合GB/T10969《水輪機、蓄能泵和水泵水輪機通流部件技術條件》的要求，過流表面應光滑，呈流線型，無裂紋或凹凸不平等缺陷。

水輪機導水機構設有16個導葉，材料為ZG230- 450鑄鋼，導葉軸套采用鋼背復合自潤滑軸承，有自潤滑功能，軸套前設有O型密封圈。導葉漏水量在額定水頭下，新導葉漏水量不大于額定流量的3‰。導葉的設計應使從全開度位置至空載附近開度位置范圍內，導葉的水力矩特性具有自關閉趨勢。最大開口留有一定的裕量，當剪斷銷剪斷，導葉應不會碰撞轉輪。導葉裝有剪斷銷信號裝置，當剪斷銷破斷時，能自動報警。導葉裝有保護裝置，該裝置應能在導葉剪斷銷剪斷后不產生擺動和不穩(wěn)定運動，不碰撞相鄰導葉。導葉限位保護裝置裝于導葉拐臂處。

蝸殼采用345°的金屬蝸殼，蝸殼采用Q235鋼板焊制，具有足夠的剛度和強度能承受106.5m水壓力。全部焊縫按GB8564《水輪發(fā)電機組安裝技術規(guī)范》的要求進行無損探傷檢查，探傷按國家標準執(zhí)行。座環(huán)采用ZG230-450焊接結構。蝸殼底部設有Φ50排水閥。上部設有放氣閥。蝸殼進口應裝有測量進口水壓的壓力表及壓力變送器。

尾水管為彎后直錐形尾水管，尾水管內設有補氣管。尾水管材質應能適應當?shù)貧鉁刈兓菜芎穸炔荒艿陀?0mm。水輪機主軸密封采用甩水環(huán)等密封方式進行密封。前、后蓋板采用鑄件ZG230-450，應具有足夠強度和剛度。前、后蓋板上塞焊厚度不小于6mm的不銹鋼抗磨板。水輪機主要部件上設有吊環(huán)螺栓、吊耳、吊環(huán)等以便吊裝。導葉接力器采用容器鋼。

4 結語

平寨水庫電站由于水頭變幅較大為Hmax/Hmin=2.24，常規(guī)水輪機運行很難兼顧整個水頭段。如按照大小機組合防滲，以滿足高低水頭段發(fā)電需求，則會大大增加工程投資，不經濟。結合水庫具有多年調節(jié)特性，合理舍棄部分低水頭段，優(yōu)選合理運行水頭和水輪機機型尤為重要。經詳細技術結構、綜合投資、調控運行等因素的論證分析，最終確定水輪機額定的運行水頭為71m，同時選擇高效且結構穩(wěn)定的HLA696機型，能減少土建開挖工程量，減少水庫棄水提高水能利用率，增加發(fā)電量，最大限度發(fā)揮工程灌溉供水和引水發(fā)電效益。