溫泉水電站水輪機(jī)選型初步計(jì)算

李 陽(yáng)

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 電站概況

溫泉水利樞紐工程是卡普斯浪河上的控制性工程，水庫(kù)正常蓄水位1 900 m，正常蓄水位相應(yīng)庫(kù)容4 772萬(wàn)m3，死水位1 855 m，死庫(kù)容567萬(wàn)m3，興利庫(kù)容4 205萬(wàn)m3，設(shè)計(jì)洪水位1 900.0 m，校核洪水位1 901.9 m，總庫(kù)容5 082萬(wàn)m3。電站裝機(jī)容量24 MW，多年平均年發(fā)電量0.9億kW·h，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)3 750 h。溫泉水利樞紐工程具有灌溉、工業(yè)供水兼顧發(fā)電等綜合利用效益。

2 水庫(kù)運(yùn)行方式

工程利用調(diào)節(jié)庫(kù)容對(duì)上游來(lái)水進(jìn)行調(diào)節(jié)，水庫(kù)運(yùn)行方式為：每年的6月初至7月底，水庫(kù)在死水位進(jìn)行排沙、沖沙運(yùn)行；其余時(shí)段根據(jù)下游農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和生態(tài)泄流需求進(jìn)行放水。

其中，每年10月至次年3月為枯水期，平均運(yùn)行水頭范圍約為95～97.5 m，平均流量范圍約為4～6 m3/s，平均出力范圍約為3 450～4 700 kW(10月份參數(shù)略高，平均流量為8.78 m3/s，平均出力為7 253 kW)，生態(tài)基流1.82 m3/s；其余時(shí)段為豐水期，下泄生態(tài)基流5.46 m3/s(見(jiàn)圖1、圖2)。

圖1 全年各月流量變化曲線

圖2 全年各月水頭變化曲線

3 電站基本參數(shù)

(1)電站動(dòng)能指標(biāo)

裝機(jī)容量24 MW，多年平均年發(fā)電量0.9億kW·h，年利用小時(shí)數(shù)3 750 h。

(2)尾水位

校核洪水位1 804.217 m，設(shè)計(jì)洪水位1 803.044 m，正常尾水位(52.4 m3/s時(shí)尾水位)1 801.355 m，設(shè)計(jì)尾水位(9.5 m3/s時(shí)尾水位)1 800.72 m。

(3)水輪機(jī)工作水頭

最大水頭99.60 m，最小水頭49.10 m，加權(quán)平均水頭77.90 m。

4 水輪機(jī)選型技術(shù)難點(diǎn)

由于本電站豐水期與枯水期水頭與流量變化很大，且電站的發(fā)電量主要來(lái)自于低水頭的豐水期；因此，既要豐水期機(jī)組多發(fā)電，又要保證枯水期高水頭工況運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，水輪機(jī)選型是一個(gè)很大的難題。

由于混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片不可調(diào)節(jié)，只有活動(dòng)導(dǎo)葉單調(diào)節(jié)，因此當(dāng)運(yùn)行工況偏離最優(yōu)點(diǎn)時(shí)，不僅水輪機(jī)效率降低，而且水流將在轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口產(chǎn)生撞擊、脫流。當(dāng)導(dǎo)葉開(kāi)度小于最優(yōu)開(kāi)度時(shí)，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口易產(chǎn)生背面脫流，開(kāi)度過(guò)小，則產(chǎn)生葉道渦；在尾水管中會(huì)產(chǎn)生正向旋轉(zhuǎn)渦帶。當(dāng)導(dǎo)葉開(kāi)度大于最優(yōu)開(kāi)度時(shí)，尾水管中會(huì)產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)的渦帶，渦帶在水力系統(tǒng)中產(chǎn)生高頻或低頻的水壓脈動(dòng)，運(yùn)行工況偏離越遠(yuǎn)，情況越嚴(yán)重。這些水力不穩(wěn)定現(xiàn)象將導(dǎo)致機(jī)組的振動(dòng)和出力擺動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)將威脅到機(jī)組的安全運(yùn)行。因此，在實(shí)際應(yīng)用中需對(duì)混流式水輪機(jī)運(yùn)行的水頭變化范圍與負(fù)荷變化范圍加以限制。

相關(guān)統(tǒng)計(jì)及研究資料表明，混流式水輪機(jī)的最佳運(yùn)行區(qū)為：?jiǎn)挝晦D(zhuǎn)速范圍為(0.95～1.15)n110，n110為水輪機(jī)的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速；導(dǎo)葉開(kāi)度范圍為(0.5～1.0)a0max，a0max為與出力限制線對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉開(kāi)度?；炝魇剿啓C(jī)可以運(yùn)行的區(qū)域?yàn)椋?0.9～1.25)n110，(0.4～1.0)a0max。上述范圍以外的區(qū)域?yàn)樗啓C(jī)不宜運(yùn)行區(qū)域。

另有研究資料表明，混流式水輪機(jī)的水頭變幅應(yīng)控制在如下范圍：Hmax/Hmin≤1.65，Hmax/Hd≤1.16，Hmax/Hr≤1.2，Hmin/Hd≥0.64，Hd為最優(yōu)工況對(duì)應(yīng)的水頭，Hr為額定水頭。

基于混流式水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍，按傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，豐水期水輪機(jī)的最高運(yùn)行水頭宜控制在65.4 m以下；考慮到近年來(lái)的技術(shù)進(jìn)步，也不應(yīng)超過(guò)72 m(Hmax/Hr=1.32)。因此，豐水期水輪機(jī)的運(yùn)行水頭范圍應(yīng)為49.1～72 m，枯水期水輪機(jī)的運(yùn)行范圍應(yīng)為70～99.6 m。也即每年5月，在電站水頭下降至70～72 m時(shí)，將枯水期水輪機(jī)更換為豐水期水輪機(jī)；每年8月，在電站水頭升高至70～72 m時(shí)，將豐水期水輪機(jī)更換為枯水期水輪機(jī)。

由于每年5月和8月都是水庫(kù)水位顯著變化期，因此，要求對(duì)更換水輪機(jī)的工期“精準(zhǔn)”把控，對(duì)水庫(kù)來(lái)水趨勢(shì)“精準(zhǔn)”預(yù)測(cè)，才能充分利用水力資源；否則就會(huì)出現(xiàn)“泄洪”棄水現(xiàn)象。在5月份，如果更換豐水期水輪機(jī)時(shí)工期偏長(zhǎng)，或水庫(kù)來(lái)水量迅速增大而超過(guò)水輪機(jī)總過(guò)流量，則將導(dǎo)致水庫(kù)水位上漲，水輪機(jī)運(yùn)行的凈水頭可能超過(guò)72 m。如此，更換的豐水期水輪機(jī)就可能無(wú)法正常運(yùn)行，此時(shí)不得不采用“泄洪”的方式強(qiáng)行將水庫(kù)水位降低至豐水期水輪機(jī)能正常運(yùn)行的水位。在8月份，在更換枯水期水輪機(jī)期間，如果水庫(kù)來(lái)水量迅速增大而超過(guò)水輪機(jī)總過(guò)流量，也將導(dǎo)致水庫(kù)水位上漲，也可能出現(xiàn)豐水期水輪機(jī)無(wú)法正常運(yùn)行的情況，此時(shí)，就不得不“泄洪”以滿足生態(tài)流量要求。

5 建議的機(jī)組方案

基于以上分析，推薦的機(jī)組方案為：4臺(tái)發(fā)電機(jī)+4臺(tái)水輪機(jī)臥式機(jī)組(便于拆裝)，4臺(tái)水輪機(jī)配置6個(gè)轉(zhuǎn)輪，即4臺(tái)豐水期轉(zhuǎn)輪+2臺(tái)枯水期轉(zhuǎn)輪的組合方案。在約72 m以下的豐水期，4臺(tái)豐水期轉(zhuǎn)輪運(yùn)行；在約70 m以上的枯水期，2臺(tái)枯水期轉(zhuǎn)輪運(yùn)行。豐水期與枯水期水輪機(jī)除轉(zhuǎn)輪與尾水錐管不同以外，其他均不變。此方案的優(yōu)點(diǎn)一是可以極大地減少豐、枯水期轉(zhuǎn)換時(shí)水輪機(jī)的拆、裝工作量，更換水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪與尾水錐管只需半天即可完成，極大地節(jié)省轉(zhuǎn)換時(shí)間與工作量。二是可以很好地應(yīng)對(duì)5月份和8月份可能出現(xiàn)的水庫(kù)水位“忽上忽下”的問(wèn)題。

6 豐水期水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪推薦方案

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號(hào)及額定轉(zhuǎn)速：JF2548B—WJ—140，n=428.6 r/min(見(jiàn)表1)。

表1 JF2548B—WJ—140水輪機(jī)典型工況參數(shù)

表2 JF2548D—WJ—140水輪機(jī)典型工況參數(shù)

7 枯水期水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪推薦方案

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號(hào)及額定轉(zhuǎn)速：JF2548D—WJ—140，n=428.6 r/min(見(jiàn)表2)。

8 方案說(shuō)明

(1)中小型水電站的水輪機(jī)組一般均在滿負(fù)荷(或滿開(kāi)度)工況下運(yùn)行，本電站推薦2臺(tái)水輪機(jī)采用枯水期與豐水期雙轉(zhuǎn)輪方案，則可以滿足水輪機(jī)從高水頭至低水頭的整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)均可以高效穩(wěn)定運(yùn)行，較好地滿足了豐水期多發(fā)電、枯水期高效穩(wěn)定的要求。

(2)本方案運(yùn)行維護(hù)方便，與更換水輪機(jī)方案相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。

(3)本方案可以方便地應(yīng)對(duì)5月份與8月份溫泉水庫(kù)可能出現(xiàn)的來(lái)水量快速變化而導(dǎo)致的水庫(kù)水位“忽上忽下”的情況，提高水力資源利用率。

9 結(jié) 語(yǔ)

溫泉水利樞紐工程的建設(shè)，是卡普斯浪河流域防洪減災(zāi)、促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要。通過(guò)參數(shù)計(jì)算分析和比選，初步確定水輪機(jī)選型方案，對(duì)今后工程的實(shí)施建設(shè)具有一定指導(dǎo)作用。