蘭州市水源地建設(shè)工程彭家坪調(diào)流調(diào)壓站機(jī)組選型設(shè)計(jì)

楊尚宇　劉紹謙　王文先

摘 要：蘭州市水源地建設(shè)工程是以供水為主、發(fā)電為輔的工程，機(jī)組主要作用是消能，裝機(jī)容量確定及機(jī)組選型均有別于常規(guī)電站項(xiàng)目。本文詳細(xì)論述了本工程的設(shè)計(jì)思路，可為同類型項(xiàng)目提供一定的設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：水源地建設(shè)工程;調(diào)流調(diào)壓站;裝機(jī)容量;機(jī)組選型

中圖分類號(hào)：TV554 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）32-0101-02

Unit?Selection?Design?of?Pengjiaping?Regulating?Station?of?Water

Source?Construction?Project?in?Lanzhou

YANG?Shangyu LIU?Shaoqian WANG?Wenxian

（Yellow?River?Survey，?Planning，?Design?and?Research?Institute?Co.，?Ltd.，Zhengzhou?Henan?450000）

Abstract：?The?water?source?construction?project?in?Lanzhou?city?is?mainly?water?supply，?followed?by?power?generation.?The?main?function?of?the?unit?is?energy?dissipation.?The?determination?of?installed?capacity?and?unit?selection?are?different?from?conventional?power?station?projects.?In?this?paper，?the?design?idea?of?the?project?was?discussed?in?detail，?which?could?provide?some?design?reference?for?the?same?type?of?project.

Keywords：?water?source?construction?project;flow?regulation?station;installed?capacity;unit?selection

1 工程概況

蘭州市水源地建設(shè)工程是為了將劉家峽水庫(kù)作為引水水源地向蘭州市供水。彭家坪支線調(diào)流調(diào)壓站消能設(shè)施布置在分水井的下游，距離分水井處約300.0m，分水井與取水口之間為長(zhǎng)31.29km的有壓輸水隧洞。彭家坪支線調(diào)流調(diào)壓站的主要功能是將水流的富余能量消除，使水流可自流至彭家坪水廠。水輪發(fā)電機(jī)組以滿足流量供應(yīng)為主，流量調(diào)節(jié)是其主要職責(zé)，發(fā)電效益次之。

2 調(diào)流調(diào)壓站基本參數(shù)

校核洪水位為1?738.00m，正常蓄水位為1?735.00m，最低發(fā)電水位為1?717.00m，死水位為1?694.00m;正常尾水位（流量Q=15.0m3/s）為1?639.00m，一臺(tái)機(jī)滿發(fā)尾水位（流量Q=5.0m3/s）為1?637.85m;最大水頭為101.00m，水輪機(jī)發(fā)電最小水頭為73.40m，極限最小水頭為50.40m，加權(quán)平均水頭為81.20m;近期引水流量為11.6m3/s，遠(yuǎn)期引水流量（遠(yuǎn)期）為15.5m3/s，彭家坪水廠水處理能力為（4×2.95）m3/s。

3 裝機(jī)容量選擇

裝機(jī)容量的確定有別于常規(guī)的發(fā)電項(xiàng)目。為充分利用水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，選型時(shí)應(yīng)保證理論計(jì)算的水輪機(jī)總流量大于供水流量。根據(jù)混流式水輪機(jī)運(yùn)行特性及水頭變幅，水輪機(jī)最大流量發(fā)生在額定水頭工況，但由于發(fā)電機(jī)出力限制，水輪機(jī)最小流量發(fā)生在最大水頭工況（101m）[1]。為此，對(duì)于不同的裝機(jī)臺(tái)數(shù)，水輪機(jī)最大水頭時(shí)的流量應(yīng)不小于11.6m3/s，確定調(diào)流調(diào)壓站總裝機(jī)容量為10.5MW，即3×3.5MW方案。

4 額定水頭選擇

額定水頭按照加權(quán)平均水頭的90%～100%選取，取額定水頭為81.0m。相應(yīng)最大水頭與額定水頭（[Hmax/Hr]）比值約為1.25，最小水頭與額定水頭（[Hmin/Hr]）比值約為0.91。

電站最小水頭73.4m是按照劉家峽水庫(kù)實(shí)際最低運(yùn)行水位為1?717.00m時(shí)確定的，而劉家峽水庫(kù)死水位為1?694.00m，對(duì)應(yīng)最小極限水頭為50.4m。在機(jī)組招標(biāo)采購(gòu)時(shí)，需要兼顧水輪機(jī)在低于73.4m時(shí)的運(yùn)行穩(wěn)定性要求。

5 額定轉(zhuǎn)速選擇

針對(duì)3×3.5MW裝機(jī)方案，結(jié)合模型轉(zhuǎn)輪的計(jì)算情況，適合機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速有1?000、750、600r/min三檔，對(duì)應(yīng)的比轉(zhuǎn)速為247.8、185.9、148.7m·kW，比速系數(shù)K分別為2?230.5、1?673.1和1?338.3。

對(duì)于臥式水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速選擇，應(yīng)把機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行放在首位，并結(jié)合噪聲影響、土建投資等因素綜合考慮。通過(guò)咨詢國(guó)內(nèi)多家制造廠，以上三種轉(zhuǎn)速的水輪發(fā)電機(jī)組在生產(chǎn)制造上均無(wú)較大的生產(chǎn)制造難度。

低轉(zhuǎn)速的機(jī)組運(yùn)行噪聲會(huì)低些，但機(jī)組造價(jià)及土建投資會(huì)提高，而高轉(zhuǎn)速的機(jī)組反之。因此，綜合考慮投資因素及噪聲因素，確定水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速為750r/min。

6 水輪機(jī)參數(shù)選擇

本工程水輪機(jī)水頭為73.40～101.00m，適合該水頭段的水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪較多。綜合考慮效率、空化性能和轉(zhuǎn)輪使用業(yè)績(jī)等因素，較合適的模型轉(zhuǎn)輪有HLA438-35（方案一）、HLA606-35（方案二）和HLA671-36（方案三）。

由于供水項(xiàng)目的特殊性，使水輪機(jī)的參數(shù)選擇有別于常規(guī)以發(fā)電為主的水輪機(jī)。在計(jì)算本工程的水輪機(jī)參數(shù)時(shí)，除常規(guī)參數(shù)外，還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注如下問(wèn)題：機(jī)組各水頭下，發(fā)出預(yù)想出力時(shí)的流量是否滿足供水流量要求;單臺(tái)水輪機(jī)流量為2.95m3/s時(shí)，其運(yùn)行穩(wěn)定性及效率指標(biāo)情況。

各模型轉(zhuǎn)輪方案機(jī)組參數(shù)比較計(jì)算如表1、表2所示。

三個(gè)方案均能滿足供水流量11.6m3/s的要求。但從運(yùn)行范圍來(lái)看，方案一的運(yùn)行范圍偏離高效區(qū)較多，加權(quán)效率指標(biāo)偏低，方案二和方案三的運(yùn)行范圍優(yōu)于方案一。從水輪機(jī)特性來(lái)看，方案二的水輪機(jī)可運(yùn)行的水頭區(qū)間最大。根據(jù)供水要求，彭家坪水廠的水處理設(shè)備在近期不會(huì)完全工作，而存在小流量運(yùn)行的特點(diǎn)（即1×2.95m3/s或2×2.95m3/s）。機(jī)組的過(guò)流能力應(yīng)保證與上述流量工況相匹配，且應(yīng)保證機(jī)組在流量2.95m3/s時(shí)能以較高效率穩(wěn)定運(yùn)行。從表1、表2可以看出，方案二最優(yōu)，方案三次之，方案一最差。

由于機(jī)組存在小流量、工況長(zhǎng)期運(yùn)行的特點(diǎn)，從該工況調(diào)流調(diào)壓站效益方面來(lái)看，方案二的發(fā)電量相對(duì)較高，方案三次之，方案一最差。

綜合以上分析，從機(jī)電設(shè)備投資、水頭范圍的適應(yīng)性、機(jī)組總體效率、流量匹配性等方面確定方案二為推薦方案。

7 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目的特點(diǎn)為供水為主、發(fā)電次之，水輪發(fā)電機(jī)組的選型設(shè)計(jì)需要完全滿足工程供水的要求。該類型項(xiàng)目裝機(jī)容量的確定和機(jī)組選型是需要重點(diǎn)關(guān)注的因素，都有別于常規(guī)電站項(xiàng)目。這在近幾年內(nèi)黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院承擔(dān)的供水發(fā)電類項(xiàng)目及考慮生態(tài)基流發(fā)電項(xiàng)目中非常常見(jiàn)，本文可為此類項(xiàng)目設(shè)計(jì)提供一定的思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)：水力機(jī)械[M].北京：水利電力出版社，1983.