河南省出山店水電站水輪發(fā)電機(jī)組選擇研究

秦鐘建

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司 合肥 230601）

1 工程概況

河南省出山店水庫位于河南省信陽市游河鄉(xiāng)出山店村附近，壩址在京廣鐵路以西14km 的淮河干流上，距信陽市約15km，是一座以防洪為主，結(jié)合供水、灌溉并兼顧發(fā)電等綜合利用的大型水利樞紐工程。電站總裝機(jī)2900kW，多年平均發(fā)電量約757萬kW·h，年平均利用小時(shí)數(shù)約2609 h。電站建成后向電網(wǎng)供電，不擔(dān)任電網(wǎng)系統(tǒng)中的調(diào)峰任務(wù)。

2 電站基本參數(shù)

2.1 氣象條件

最高氣溫 41.1℃

最低氣溫 -20.3℃

多年平均氣溫 15℃

2.2 特征水位

水庫正常蓄水位 88.00m

水庫死水位 84.00m

水庫校核洪水位 98.12m

水庫設(shè)計(jì)洪水位 95.78m

下游校核洪水位 84.30m

下游設(shè)計(jì)洪水位 82.85m

電站最低尾水位 74.08m

電站設(shè)計(jì)尾水位 74.91m

2.3 電站水頭

最大水頭 12.72m

最小水頭 8.72m

平均水頭 11.13m

3 水輪機(jī)選擇

3.1 額定水頭選擇

水輪機(jī)額定水頭的選擇涉及水能利用、機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行、工程投資及經(jīng)濟(jì)效益等多種因素。出山店水庫具有一定的庫容調(diào)節(jié)能力，因此采用等于電站平均水頭的簡(jiǎn)化方法確定水輪機(jī)的額定水頭，即電站水輪機(jī)的額定水頭確定為11.13m。

3.2 機(jī)組臺(tái)數(shù)選擇

機(jī)組臺(tái)數(shù)的選擇綜合考慮電站適應(yīng)生態(tài)期流放水和洪水期棄水不同運(yùn)行期間電站水輪機(jī)出力變化調(diào)節(jié)、低水頭時(shí)機(jī)組受阻容量盡可能小、工程投資節(jié)省及能夠充分發(fā)揮工程效益等因素，出山店水電站采用安裝1 臺(tái)400kW 機(jī)組用于生態(tài)基流放水時(shí)發(fā)電和2 臺(tái)1250kW 機(jī)組用于洪水期棄水發(fā)電“一小兩大”的設(shè)計(jì)方案。

圖1 出山店水電站ZDJP502-LH -160 機(jī)組剖面圖

3.3 機(jī)組型式選擇

3.3.1 軸流式水輪機(jī)

軸流式水輪機(jī)用于開發(fā)低水頭，較大流量的水力資源，在我國(guó)的大中小型低水頭水電站也有著廣泛的應(yīng)用。該機(jī)組具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、檢修方便及造價(jià)低等特點(diǎn)。如安徽省牛角沖水電站、甘肅省清水水電站等工程采用的立軸軸流定槳式水輪機(jī)機(jī)組。

經(jīng)適應(yīng)出山店電站運(yùn)行水頭范圍內(nèi)的多個(gè)轉(zhuǎn)輪水力模型的比選，出山店電站選用JP502 轉(zhuǎn)輪。該轉(zhuǎn)輪是中國(guó)水利水電科學(xué)院借鑒軸流轉(zhuǎn)槳式轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)方法和成果，充分利用定槳式轉(zhuǎn)輪的特點(diǎn)設(shè)計(jì)開發(fā)轉(zhuǎn)輪，具有最優(yōu)效率高、高效率運(yùn)行區(qū)范圍寬、空化性能好等綜合性能優(yōu)異的特點(diǎn)，并已應(yīng)用于多座小型軸流定槳式水電站且收效顯著[1]。

出山店水電站大機(jī)組立軸式水輪機(jī)組立剖面如圖1 所示。

3.3.2 軸伸式

適合出山店電站水頭范圍的有燈泡式、軸伸式、豎井式及全貫流式等多種型式的水輪機(jī)。由于出山店電站單機(jī)容量小，不適合采用燈泡貫流式，而采用軸伸貫流式水輪機(jī)。

軸伸貫流式水輪機(jī)是針對(duì)開發(fā)低水頭水力資源并提高利用率而研究開發(fā)的，軸伸貫流式水輪機(jī)流道由進(jìn)水管、座環(huán)、錐形導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪室、尾水錐管和“S” 形尾水肘管及尾水渠組成。水流能平行于水輪機(jī)軸流向轉(zhuǎn)輪，均勻地引入錐形導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)輪室，并高效地轉(zhuǎn)化為水輪機(jī)的機(jī)械能。國(guó)內(nèi)成功研制出能基本覆蓋軸伸貫流式水輪機(jī)使用范圍且具有優(yōu)良水力特性GZ006、GZ007 和GZ008 等系列的水力模型，該系列轉(zhuǎn)輪應(yīng)用于江西上羅水電站、南平沙溪口水電站及廣東蘇拱水電站等工程[4，5]。GZ007 軸伸貫流式水力模型適合出山店電站使用，出山店水電站大機(jī)組軸伸貫流式水輪機(jī)組立剖面如圖2 所示。

3.3.3 方案比較

圖2 出山店水電站GD007-WZ-160 機(jī)組剖面圖

表1 JP502 和GZ007 模型轉(zhuǎn)輪主要參數(shù)表

根據(jù)軸流式和軸伸貫流式兩種水輪機(jī)型式比較，出山店電站所用JP502 和GZ007 水力模型最優(yōu)工況點(diǎn)參數(shù)見表1，根據(jù)模型綜合特性曲線計(jì)算電站大小機(jī)組的主要參數(shù)見表2。

由表1 可以看出：JP502 轉(zhuǎn)輪效率高、單位流量大、臨界空化系數(shù)小及GZ007 單位轉(zhuǎn)速稍高的特點(diǎn)。

根據(jù)模型參數(shù)確定電站大小機(jī)組的主要參數(shù)由表2 可看出：軸流式機(jī)組與軸伸貫流機(jī)組相比，主要特點(diǎn)有：大機(jī)組ZDJP502-LH-160 和GD007-WZ-160 的轉(zhuǎn)輪直徑和額定轉(zhuǎn)速參數(shù)相同；小機(jī)組ZDJP502-LH-90 和GD007-WZ-100 的額定轉(zhuǎn)速相同，但前者轉(zhuǎn)輪直徑小于后者；軸流式機(jī)組的在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的效率稍低于軸伸貫流式機(jī)組；前者安裝高程高于后者、前者廠房寬度小于后者，軸流式機(jī)組有利于減少工程開挖量、有利于在大壩后側(cè)布置電站主廠房和副廠房及減少工程投資等特點(diǎn)。

表2 JP502 和GZ007 水輪機(jī)原型參數(shù)比較表

表3 電站大、小水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)表

綜合考慮河南省出山店水庫的總體布置及電站特點(diǎn)，出山店水電站選用“一小兩大”定槳軸流式水輪機(jī)組。

4 選定方案機(jī)組參數(shù)

出山店電站水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)如表3。

5 結(jié)語

通過軸流式與軸伸貫流式兩種型式水輪機(jī)組的綜合比較后，出山店水電站采用高效率軸流定槳式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，在滿足工程設(shè)計(jì)要求的同時(shí)節(jié)省了工程投資并能充分發(fā)揮水電站的經(jīng)濟(jì)效益。

JP502 軸流定槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪具有較高的效率和過流能力，其部分特性達(dá)到或超過軸伸貫流式水輪機(jī)，該水力模型在出山店工程中的應(yīng)用為新建或更新改造的低水頭中小型水電站提供更多設(shè)計(jì)參考方案■