淺談月潭水庫工程水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)

程 瓊

(黃山市月潭水庫管理處，安徽 黃山 245000)

1 概 述

月潭水庫地處新安江主源率水河中上游，壩址位于黃山市休寧縣海陽鎮(zhèn)首村下琳溪組下游約500 m處,距休寧縣城18.5 km，距黃山市區(qū)29 km。月潭水庫控制流域面積908 km2，多年平均流量35.4 m3/s，多年平均徑流量為11.10億m3。月潭水庫是一座以防洪為主，結(jié)合城鎮(zhèn)供水和發(fā)電，兼顧灌溉的綜合水利樞紐。水庫規(guī)模為大(2)型，工程等別為Ⅱ等。水庫正常蓄水位為165.0 m，總庫容為1.57億m3。

月潭水庫電站為壩后式，發(fā)電廠房布置于左岸壩后。凈水頭范圍在13.7～24 m，電能加權(quán)平均凈水頭為19.15 m，水輪機(jī)額定水頭為18.0 m，規(guī)劃設(shè)計(jì)總裝機(jī)容量為20 MW。該水頭段較適合的水輪機(jī)型式有軸流轉(zhuǎn)槳式和燈泡貫流式。本文主要通過對該兩種機(jī)型的布置、投資、施工難度、水輪機(jī)效率及機(jī)組結(jié)構(gòu)性能等方面進(jìn)行綜合分析和比較，并最終確定合理的水輪機(jī)機(jī)型。

2 電站主要技術(shù)參數(shù)

電站裝機(jī)容量20 MW。水庫死水位157.0 m，汛限水位160.5 m，正常蓄水位165.0 m，100年一遇設(shè)計(jì)最高洪水位170.3 m， 1 000年一遇校核標(biāo)準(zhǔn)洪水位為172.1 m。發(fā)電廠房下游100年一遇下游洪水位為150.9 m，正常尾水位為142.6 m，最低尾水位為141.00 m，最大毛水頭為24.0 m，加權(quán)平均毛水頭為19.4 m，最小毛水頭為14.0 m，額定水頭為18.0 m。

3 水輪機(jī)機(jī)型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組縱軸線與壩軸線距離50.5 m，機(jī)組安裝高程為138.5 m，基坑開挖高程129.17 m，主廠房(含安裝間)長48.3 m，下部寬23.173 m，安裝間層以上寬16.2 m，高36.2 m。副廠房布置于上游側(cè)，長29.3 m，寬15.6 m，高14.9 m。引水道穿越壩體，采用一機(jī)一管方式，引水管道直徑4.5 m，進(jìn)水口底坎高程為147.0 m，高于淤沙高程即146.0 m，壩前進(jìn)水口各設(shè)1道攔污柵，孔口寬為6.8 m；事故檢修閘門孔口尺寸為6.0 m×7.0 m(寬×高)；電站尾水檢修門2扇，孔口尺寸為3.652 m×3.598 m。壩前攔污柵與檢修事故閘門及尾水門采用移動式門機(jī)啟閉。其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組結(jié)構(gòu)布置圖

3.2 燈泡貫流式機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

燈泡貫流式機(jī)組縱軸線與壩軸線距離46.0 m，機(jī)組安裝高程為134.7 m，基坑開挖高程128.5 m，主廠房(含安裝間)長46.95 m，下部寬32.404 m，安裝間層以上寬20.9 m，高36.6 m。副廠房布置于下游側(cè)，長度與主廠房一致，寬7.5 m，高10.0 m。引水方式和進(jìn)水口布置與軸流轉(zhuǎn)槳式相同。電站尾水檢修門1扇，孔口尺寸5.045 m×5.056 m。其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 燈泡貫流式機(jī)組結(jié)構(gòu)布置圖

4 水輪機(jī)機(jī)型的比較與選擇

4.1 工程投資及施工對比

根據(jù)兩種機(jī)型的發(fā)電廠房建筑物布置和結(jié)構(gòu)尺寸，分別進(jìn)行工程量和投資計(jì)算，各機(jī)型主要工程量及投資對比詳見表1。

通過表1的對比可知，軸流轉(zhuǎn)槳式的投資比燈泡貫流式少138萬元，從投資角度考慮采用軸流轉(zhuǎn)槳式更節(jié)省。從施工難度分析，軸流轉(zhuǎn)槳式廠房基坑開挖長度為22.373 m，燈泡貫流式廠房基坑開挖長度為26.092 m，且開挖深度較軸流轉(zhuǎn)槳式加深0.67 m。廠房基坑開挖和消力池左邊墻必須在一期導(dǎo)流前完成，并利用消力池左邊墻作為一期縱向圍堰，燈泡貫流式相比軸流轉(zhuǎn)槳式增加了一期施工難度和風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)對比軸流轉(zhuǎn)槳式比較合適。

表1 發(fā)電廠房型式投資比較表

4.2 機(jī)組結(jié)構(gòu)性能對比

燈泡貫流式機(jī)組在超低水頭段的優(yōu)勢相對較明顯，《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5186-2004)中也規(guī)定“對于最大水頭20 m及以下的徑流式水電廠，宜優(yōu)先選用貫流式水輪機(jī)?！?本站最大水頭為24.0 m，加權(quán)平均凈水頭達(dá)19.15 m，國內(nèi)近些年興建了大量的燈泡貫流式水電站，但在已建的電站中，額定水頭達(dá)到20 m且運(yùn)行很成功的實(shí)例很少。如湖南沅江干流上的某電站，其水頭范圍為8.4～27.3 m，額定水頭20 m，是我國目前應(yīng)用水頭較高的燈泡貫流式電站，自2003年投產(chǎn)以來，由于工作水頭高，機(jī)組振動、擺度較大，一直存在著諸如轉(zhuǎn)子支臂裂紋和筋板斷裂、槳葉接力器聯(lián)接螺栓斷裂、重錘機(jī)不動作、槳葉接力器銅套漏油等各種問題。本站水頭范圍和該電站很接近，如采用燈泡貫流機(jī)組方案，由于機(jī)組容量比該電站小，雖不一定會出現(xiàn)諸如上述的問題，但目前可供選擇的高水頭段的貫流式水力模型較少，可供選擇的供貨商范圍也相對較少。并且本站轉(zhuǎn)輪直徑2.75 m左右，由于尺寸較小，其結(jié)構(gòu)布置上有很多不便的地方。而對于軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組，近些年，隨著我國水力設(shè)計(jì)技術(shù)水平的提高，軸流式水輪機(jī)在效率水平上有了大幅度的提高，最優(yōu)效率提高了3%～4%，大流量區(qū)的效率提高了近8%～10%，本站最低水頭為13.7 m，軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組可以在本站水頭范圍內(nèi)安全穩(wěn)定運(yùn)行。故從機(jī)組性能角度考慮,建議采用軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組。

4.3 水工結(jié)構(gòu)布置對比

月潭電站上游校洪水位為172.0 m，如從底板開挖面高程128.5 m算起，如做成站身直接擋水的河床式結(jié)構(gòu)，其擋水高度達(dá)43 m左右，不利于廠房的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且水庫淤沙高程較高，河床式的燈泡貫流廠房難以滿足沖沙要求。而且本站廠房尾水的校核洪水位為150.9 m，考慮到防洪要求，不論采用何種方案,其廠房安裝間地面高程都將抬高至151.5 m以上，這將使燈泡貫流式機(jī)組在廠房高度上的優(yōu)勢在本站也得不到發(fā)揮。因此，從水工結(jié)構(gòu)布置角度，本站更適合軸流轉(zhuǎn)槳式。

4.4 后期運(yùn)行維護(hù)對比

從運(yùn)行維護(hù)角度而言，燈泡貫流式機(jī)組全部處于水下，要求嚴(yán)密的密封結(jié)構(gòu)和良好的通風(fēng)防潮性能，維護(hù)上比軸流轉(zhuǎn)槳式更困難。另外，項(xiàng)目周邊已建成的軸流轉(zhuǎn)槳式電站比較多。而幾乎無燈泡貫流式水電站，建設(shè)單位對于燈泡貫流式機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)的借鑒也比較缺乏。因此，從后期維護(hù)方面考慮,也建議采用軸流轉(zhuǎn)槳式。

綜上所述，月潭水電站最終確定采用軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)方案。

5 結(jié) 論

月潭水電站水輪機(jī)根據(jù)電站參數(shù)初步選取了軸流轉(zhuǎn)槳式和燈泡貫流式兩種類型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過對廠房布置的工程投資、施工難度、機(jī)組結(jié)構(gòu)性能、水工結(jié)構(gòu)布置以及后期運(yùn)行維護(hù)等方面進(jìn)行綜合對比，并結(jié)合已建電站類似機(jī)組的運(yùn)行情況及水輪機(jī)制造技術(shù)的水平，最終確定采用軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組。