高水頭、多泥沙水電站水輪機(jī)機(jī)型選擇

張寶勇，胡雄峰

（中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

1 問題的提出

印度尼西亞某水電站位于印尼南蘇拉威西省，主要由大壩、溢洪道、進(jìn)水口、引水隧洞、調(diào)壓池、電站開關(guān)站和輸電線路等組成，年發(fā)電量約1 919 GW · h。電站最大水頭437 m，最小水頭404 m，總裝機(jī)容量為315 MW，其中一期工程裝機(jī)容量為2×45 MW，二期工程裝機(jī)為容量為3×75 MW。電站河水含沙量較大，河流多年平均含沙量為1.090 kg/m3，多年平均過機(jī)含沙量為1.039 kg/m3，其中粒徑大于0.050 mm的泥沙占50%以上。

在300~700 m水頭段、多泥沙水電站開發(fā)過程中，根據(jù)DL/T 5186—2004《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》，既可以選擇混流式水輪機(jī)，也可以選擇沖擊式水輪機(jī)[1]。本文依托印度尼西亞某高水頭、多泥沙電站，從機(jī)組設(shè)計(jì)制造難度、運(yùn)行穩(wěn)定性、泥沙影響、投資等方面進(jìn)行分析和對比，優(yōu)化選出適用于該類型電站的最佳水輪機(jī)組型式及主要參數(shù)。

2 水輪機(jī)組型式選擇

從機(jī)組設(shè)計(jì)制造難度、運(yùn)行穩(wěn)定性、水頭利用率、過機(jī)泥沙磨損影響、參數(shù)及投資等方面對混流式和沖擊式2種水輪機(jī)組方案進(jìn)行分析和對比。

2.1 設(shè)計(jì)、制造難度

混流式方案的水輪發(fā)電機(jī)組屬于高水頭、高轉(zhuǎn)速機(jī)組，電站一期和二期的機(jī)組額定功率分別為45，75 MW，經(jīng)初步計(jì)算，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速分別為600，500 r/min。從發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)制造來看，機(jī)組的轉(zhuǎn)速較高，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑偏小，由離心力產(chǎn)生的風(fēng)量有限，風(fēng)道狹窄，而高速大容量機(jī)組的損耗大，發(fā)熱高，保證溫升在規(guī)范范圍內(nèi)所需的風(fēng)量較大，因此發(fā)電機(jī)的通風(fēng)設(shè)計(jì)有一定困難?；炝魇剿啓C(jī)組的制造難度不大，但其水輪機(jī)模型的水力開發(fā)難度較大。

若采用沖擊式機(jī)組方案，經(jīng)計(jì)算，電站一期和二期的機(jī)組轉(zhuǎn)速分別為333，300 r/min，發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)、制造難度相對較小。沖擊式水輪機(jī)組制造相對容易，但是水力性能較為優(yōu)良的轉(zhuǎn)輪模型開發(fā)難度較大。

2.2 運(yùn)行穩(wěn)定性

混流式機(jī)組在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)存在脈動(dòng)、振動(dòng)問題以及受高空化的影響，而沖擊式機(jī)組不存在該缺點(diǎn)。

從水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行范圍來看，沖擊式水輪機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是可以根據(jù)出力變化切換噴嘴數(shù)，從而達(dá)到調(diào)整出力和穩(wěn)定運(yùn)行的目的，其穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域更寬廣。優(yōu)秀的轉(zhuǎn)輪模型甚至可以在10%~100%額定出力范圍內(nèi)長期連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，遠(yuǎn)優(yōu)于混流式水輪機(jī)所對應(yīng)的45%~100%額定出力運(yùn)行范圍，且沖擊式水輪機(jī)的高效率區(qū)域也更寬廣。本電站屬于徑流電站，水庫調(diào)節(jié)能力較差，選擇沖擊式機(jī)組更有利于電站適應(yīng)來流變化。此外，電站所處的南蘇拉威西島電網(wǎng)較小，選擇沖擊式機(jī)組更容易適應(yīng)用電負(fù)荷的變化。

2.3 水頭利用率

高水頭混流式機(jī)組吸出高度通常為負(fù)值，其安裝高程在最低尾水位以下，因此能夠完全利用上下游水庫的落差發(fā)電。而沖擊式機(jī)組吸出高度通常為正值，其安裝高程與下游最高水位之間需要一定的高度差作為排氣通道，因此不能完全利用上下游水位差發(fā)電，與混流式機(jī)組方案相比，其利用水頭低約2~4 m，水能利用率偏低。

雖然少數(shù)沖擊式水輪機(jī)可采用強(qiáng)制壓水的方式，達(dá)到完全利用水頭的目的，但是需要額外配置中壓氣系統(tǒng)用于壓水，為機(jī)組的設(shè)計(jì)、運(yùn)行、維護(hù)、檢修帶來不便。目前世界上已投入運(yùn)行的沖擊式水電站中罕有采用此種方式。

2.4 過機(jī)泥沙磨損影響

通常情況下，過機(jī)泥沙平均粒徑大于0.050 mm、多年平均過機(jī)沙量超過0.200~0.400 kg/m3的電站，在選擇機(jī)型時(shí)需考慮泥沙磨損的影響[2]。水輪機(jī)的泥沙磨損程度通常與泥沙含量及特性、含泥沙水流的流態(tài)、水輪機(jī)過流表面的形狀，過流部件材料表面的抗磨能力，機(jī)組運(yùn)行方式等多種因素有關(guān)。水輪機(jī)過流部件泥沙磨損的程度，與過流部件表面相對流速的2次方到3次方成正比[3]。機(jī)組運(yùn)行過程中，水輪機(jī)通流部件會受到空蝕和泥沙磨損的聯(lián)合作用造成材料損失。

本電站年平均過機(jī)泥沙含量為1.039 kg/m3，泥沙含量高，泥沙粒徑也比較大，其中粒徑大于0.050 mm的泥沙占50%以上。因此機(jī)組的泥沙磨損問題對電站機(jī)組機(jī)型選擇影響較大。

表1為國內(nèi)部分高水頭電站過機(jī)泥沙參數(shù)表。從表1中電站的運(yùn)行情況可以看出，過機(jī)泥沙含量較大或者泥沙粒徑較大的電站選擇混流式機(jī)組時(shí)，會對機(jī)組運(yùn)行帶來較大的影響，具體表現(xiàn)為磨損較嚴(yán)重、大修周期短。與本電站水頭相近且已投入運(yùn)行的磽磧、獅子坪和金康等選用混流式機(jī)型的電站，過機(jī)泥沙磨損相對較輕微，運(yùn)行情況較好。

表1 國內(nèi)部分高水頭電站過機(jī)泥沙參數(shù)表

續(xù)表1

如果本電站采用混流式機(jī)組，按表1中的電站運(yùn)行情況類比，預(yù)計(jì)本電站的機(jī)組轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、抗磨板、頂蓋、底環(huán)、固定迷宮環(huán)和轉(zhuǎn)動(dòng)迷宮環(huán)等部件受到高泥沙水流的磨蝕后，可能在短期內(nèi)需要進(jìn)行打磨補(bǔ)焊等檢修工作，且每次檢修需要長時(shí)間停機(jī)進(jìn)行拆卸、修復(fù)和重新組裝。雖然過流部件采用適當(dāng)?shù)姆滥ノg涂層后，可以在一定程度上緩解泥沙磨損的影響，但是混流式機(jī)組的迷宮、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪被磨蝕后，將導(dǎo)致水輪機(jī)效率降低，在上述部件未修復(fù)前運(yùn)行時(shí)，機(jī)組的發(fā)電量會下降[6-7]。

若采用沖擊式機(jī)組，則機(jī)組的大修周期較混流式機(jī)組長。同時(shí)，由于沖擊式水輪機(jī)過流部件和密封部件較少，且在不需要拆卸發(fā)電機(jī)的情況下，轉(zhuǎn)輪和噴嘴可從下部通道拆出，有利于縮短機(jī)組檢修時(shí)間。此外，如果電站配置備品轉(zhuǎn)輪及噴嘴，可進(jìn)一步縮減機(jī)組的檢修時(shí)間。從泥沙磨蝕對效率的影響來看，沖擊式機(jī)組主要是水斗和噴嘴的過流表面受泥沙磨損影響，主體結(jié)構(gòu)依然保持完好，因此由磨蝕造成的效率下降較小。

2.5 機(jī)組參數(shù)及投資對比

混流式機(jī)組和沖擊式機(jī)組的參數(shù)及投資對比見表2。從表2可知，與混流式機(jī)組方案相比，沖擊式機(jī)組方案投資高出約1 079.8萬美元，主要是因?yàn)闆_擊式機(jī)組轉(zhuǎn)速比混流式機(jī)組低，機(jī)組尺寸更大，導(dǎo)致機(jī)電設(shè)備投資和建筑工程投資比混流式機(jī)組大。

表2 2種機(jī)組的參數(shù)及投資對比表

續(xù)表2

2.6 評價(jià)結(jié)果

根據(jù)本電站的水頭范圍、泥沙含量等基本條件，從機(jī)組設(shè)計(jì)制造難度、電站運(yùn)行穩(wěn)定性和高效性、應(yīng)對泥沙磨損危害、機(jī)組檢修時(shí)間、機(jī)組投資等方面考慮，建立各影響因素按照權(quán)重分布的評分結(jié)果表（見表3）。從表3中可以看出，考慮維護(hù)保養(yǎng)難度和初期投資權(quán)重較大的情況下，沖擊式機(jī)組分?jǐn)?shù)相對較高，因此本電站推薦采用沖擊式機(jī)組方案。

表3 影響因素按權(quán)重分布評分結(jié)果表

3 水輪機(jī)主要參數(shù)選擇

在現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)公式和經(jīng)驗(yàn)值的基礎(chǔ)上，考慮到本電站泥沙含量大，選擇較低的水輪機(jī)額定比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)，并結(jié)合現(xiàn)有的該水頭段水輪機(jī)模型綜合特性曲線計(jì)算分析，初擬的水輪機(jī)主要參數(shù)見表4。

表4 初擬的水輪機(jī)主要參數(shù)表

4 結(jié) 語

高水頭、多泥沙水電站在選擇水輪機(jī)機(jī)型時(shí)，應(yīng)充分論證采用混流式機(jī)組和沖擊式機(jī)組2種方案的優(yōu)缺點(diǎn)。本電站泥沙含量大，雖然混流式機(jī)組有初期投資低、水輪機(jī)最優(yōu)效率高等優(yōu)點(diǎn)，但是由于沖擊式機(jī)組的抗磨蝕性能更好，其后期檢修、維護(hù)工作量少，發(fā)電時(shí)間高于混流式機(jī)組，因此沖擊式機(jī)組方案在全壽命周期內(nèi)的費(fèi)用將比混流式機(jī)組方案更低。同時(shí)考慮沖擊式機(jī)組具有部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)效率高、運(yùn)行靈活等特點(diǎn)，本電站宜選擇沖擊式機(jī)組。

盡管本電站選擇抗磨蝕性能相對優(yōu)良的沖擊式機(jī)組，但泥沙磨蝕仍然是本電站面臨的最大問題。為改善水輪機(jī)的抗磨性能，提高水輪機(jī)運(yùn)行的可靠性，延長機(jī)組的大修周期，建議汛期合理調(diào)節(jié)庫水位運(yùn)行，汛期進(jìn)行溯源沖沙、排沙；在取水口采取攔截裝置，以堵截推移質(zhì)；選擇耐磨的過流部件或采用相應(yīng)工藝措施，提高過流部件表面的抗磨能力；控制水輪機(jī)的運(yùn)行范圍，盡可能使水輪機(jī)在合理工況下運(yùn)行[8]。