十月水電站改造工程水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)選型計算分析

舒 婧

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

新疆自治區(qū)水能理論蘊(yùn)藏量超過3355.45萬kW，可開發(fā)的水能資源約為853.5億kW。為充分利用水能資源，自治區(qū)各級政府大力發(fā)展各類型水力發(fā)電設(shè)施，經(jīng)過近20年發(fā)展取得了很大成績。但隨著地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，自治區(qū)很多老舊水電站存在效率低下、設(shè)備老化等問題，對該些水電站進(jìn)行改造升級成為當(dāng)前自治區(qū)水利工程建設(shè)的重要內(nèi)容。

1 工程概況

十月水電站位于溫泉縣哈日布呼鎮(zhèn)，博爾塔拉河北岸，東距博樂市38 km，西距溫泉縣城50 km，該水電站是對原四級電站和五級電站兩個電站進(jìn)行改造，使兩級電站合為一級開發(fā)，為引水式水電站，改造后的十月水電站設(shè)計流量9.5 m3/s，設(shè)計水頭22.8m，最大水頭24.2m，最小水頭21.84m，裝機(jī)容量1800kW。

2 水電站水利動能計算

根據(jù)溫泉水文站31年實(shí)測徑流資料，選定三個設(shè)計代表年：豐水年P(guān)=10%、平水年P(guān)=50%、枯水年P(guān)=90%。其中選取1998年為P=10%典型年，1981年為P=50%典型年，1993年為P=90%典型年。生態(tài)基流取為年均流量的10%，排冰排沙取為年均流量的5%，扣除這一部分流量后，將博爾塔拉河溫泉站豐、平、枯三年的月平均流量按流量遞減次序排列。

十月水電站的水能計算成果見表1（部分），其出力～保證率關(guān)系曲線見下圖1；出力～電量累積曲線見下圖2；流量～保證率累積曲線見下圖3；流量~出力曲線見下圖4。本水電站設(shè)計保證率P=75%，可在曲線上查出保證出力Np=600 kW，對應(yīng)的保證流量Q=1.5 m3/s。根據(jù)徑流調(diào)節(jié)計算的原則和方法及采用的基礎(chǔ)資料進(jìn)行計算，得出十月水電站保證出力為600 kW，多年平均年發(fā)電量670.45萬kW·h，裝機(jī)年利用小時數(shù)3725 h。

表1 十月水電站水能指標(biāo)計算表（部分）

圖1 十月水電站出力～保證率關(guān)系曲線

圖2 十月水電站出力～電量累積曲線

圖3 十月水電站流量～保證率累積曲線

圖4 十月水電站流量~出力曲線

3 水輪機(jī)選型確定分析

（1）水輪機(jī)機(jī)組形式確定

根據(jù)十月水電站的設(shè)計水頭和水頭變化范圍，可選擇的機(jī)組形式有軸流式機(jī)組和混流式機(jī)組，兩種形式的機(jī)組優(yōu)缺點(diǎn)對比如下：①軸流式機(jī)組的汽蝕系數(shù)是混流式機(jī)組的2倍，因此增加了廠房造價；②軸流式機(jī)組的水推力系數(shù)約為混流式的2倍～4倍，推力軸承荷重大，機(jī)組造價較高。綜合分析：本項(xiàng)目適合選擇混流式水輪機(jī)組[1]。

（2）水輪機(jī)機(jī)組型號確定

通過市場調(diào)研，適合本項(xiàng)目的混流式機(jī)型有HLA551、HL820等。雖然上述兩種機(jī)型轉(zhuǎn)輪高效區(qū)范圍都較廣，但從經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析優(yōu)選HLA551轉(zhuǎn)輪，理由如下：①HLA551轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)、葉片材質(zhì)均選用0Cr13Ni4M，空蝕系數(shù)為0.19，抗空蝕、耐磨性能好；②該輪機(jī)模型單位流量大，最高效率達(dá)93.2%[2]；③蝸殼采用全圓端面直接搭接座環(huán)焊接結(jié)構(gòu)及特殊水力設(shè)計，從0～45°范圍內(nèi)，斷面尺寸不變，減少了因斷面面積突然縮小所帶來的水流撞擊和摩擦損失，保證了機(jī)組的高效性；④在國內(nèi)很多中小型水電站得到廣泛應(yīng)用，技術(shù)成熟可靠。因此最終擬定十月水電站小機(jī)選HLA551-WJ-75型水輪機(jī)（模型特性曲線見圖5），大機(jī)選HLA551-WJ-105型水輪機(jī)，具體參數(shù)見表2[3]。

圖5 HLA551-WJ-75型水輪機(jī)模型特性曲線

表2 水輪機(jī)型號及詳細(xì)參數(shù)

4 發(fā)電機(jī)選型分析

水輪機(jī)型號確定后，與之配套的水輪發(fā)電機(jī)型號也就確定了，十月水電站設(shè)計選擇的臥軸水輪發(fā)電機(jī)型號及具體參數(shù)見表3[4]。

表3 發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

5 水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)組合方案確定分析

5.1 組合方案設(shè)計

由于十月水電站要求保證出力為284 kW，根據(jù)該河段干渠各月來水分配情況，初擬以下兩種機(jī)組組合方案：方案一，一臺600 kW和一臺1200 kW，總裝機(jī)容量為1800 kW；方案二，3臺600 kW的機(jī)組，總裝機(jī)容量為1800 kW。具體兩種方案的各項(xiàng)設(shè)計參數(shù)見表4[5]。

表4 兩種設(shè)計方案具體參數(shù)

5.2 組合方案比選分析

在此從以下幾個方面對表4中的兩種方案進(jìn)行比選分析：①從水資源利用方面分析，方案一和方案二均能充分利用水資源，此方面兩方案無差別；②從經(jīng)濟(jì)效益方面分析，方案一的投資較方案二少133.84萬元，此方面方案一占優(yōu)；③從施工角度分析，方案一為兩套設(shè)備，方案二為三套設(shè)備，施工工期方案一占優(yōu)。綜合分析：十月水電站最終確定方案一為最終方案。

5.3 調(diào)節(jié)保證驗(yàn)算分析

調(diào)節(jié)保證計算目的是要在甩負(fù)荷工況中，正確而合理地解決導(dǎo)水葉關(guān)閉時間、壓力管的壓力上升值及機(jī)組速率上升值三者之間的關(guān)系。根據(jù)相關(guān)規(guī)范：機(jī)組容量占電力系統(tǒng)容量比重小時，甩全負(fù)荷時最大轉(zhuǎn)速上升率不允許超過50%，水輪機(jī)蝸殼最大水錘相對升高值不超過70%。十月水電站的小機(jī)、大機(jī)調(diào)保計算公式如下[6]：

式中：ζ相對為水錘相對升高值；σ為特性系數(shù)。

經(jīng)計算，十月水電站的小機(jī)水錘壓力相對升高值為54.1%，速率升高值為41.1%；大機(jī)水錘壓力相對升高值為57.5%，速率升高值為45.2%，均滿足規(guī)范要求，可保證機(jī)組和管道安全。

5.4 主要電氣設(shè)備選擇

十月水電站所在區(qū)海拔高程823.5 m，年平均氣溫3.5℃，極端最高氣溫25.9℃，極端最低氣溫-18.1℃，最大凍土深度1.8 m，年最大風(fēng)速2.6 m/s，地震設(shè)防烈度Ⅶ度。

（1）廠用變壓器容量選擇

一般小型水電站廠用電容量只占全站總裝機(jī)容量的1%～3%，本站廠變?nèi)萘咳?%，則變?nèi)萘縎j=（600+1200）×3%/0.8=67.5 kVA，故廠變?nèi)萘窟x擇100 kVA，其型號為SC-100/10.5（放置在高壓開關(guān)柜內(nèi)）。

（2）10 kV高壓開關(guān)柜

高壓開關(guān)柜選用XGN2-12型固定式，柜內(nèi)主開關(guān)采用ZN28A—12/630-25 kA真空斷路器，配CT—19Ⅱ型彈簧操動機(jī)構(gòu)，隔離開關(guān)采用GN30—12D/630型旋轉(zhuǎn)式。

6 結(jié)語

通過結(jié)合十月水電站的實(shí)際情況，本項(xiàng)目最終確定選用1×600kW+1×1200kW的水輪機(jī)搭配方案，并且選擇了SFW600-12/1180和SFW1200-16/2150發(fā)電機(jī)與之組合。經(jīng)過調(diào)節(jié)保證驗(yàn)算分析后得出小機(jī)和大機(jī)的水錘壓力均滿足規(guī)范要求，說明本項(xiàng)目的選型是合理的。水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)是核心設(shè)備，必須經(jīng)過詳細(xì)比選論證，不可照搬其他工程，否則無法將設(shè)備發(fā)揮出最大效益。