玉龍水電站機(jī)組額定水頭選擇設(shè)計(jì)

李 陽

(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

玉龍喀什水利樞紐工程位于新疆和田，其建設(shè)任務(wù)為：在保證向塔里木河下泄生態(tài)水量目標(biāo)的前提下，通過與烏魯瓦提水利樞紐聯(lián)合調(diào)度，以調(diào)控生態(tài)輸水、灌溉補(bǔ)水為主，結(jié)合防洪，兼顧發(fā)電等綜合利用。水庫總庫容5.39億m3，正常蓄水位2 170 m，電站裝機(jī)容量200 MW，為Ⅱ等大(2)型工程。電站建成后可向南疆四地州輸送5.20億kW·h的電量。

2 電站基本參數(shù)

(1)電站動(dòng)能指標(biāo)

裝機(jī)容量200 MW，多年平均年發(fā)電量5.20億kW·h，年利用小時(shí)數(shù)2 600 h。

(2)尾水位

校核洪水位1 977.07 m，設(shè)計(jì)洪水位1 976.48 m，正常尾水位1 966.07 m，設(shè)計(jì)尾水位1 962.56 m。

(3)水輪機(jī)工作水頭

最大水頭207.10 m，最小水頭109.13 m，全年加權(quán)平均水頭161.20 m，汛期加權(quán)平均水頭154.20 m，非汛期加權(quán)平均水頭177.40 m。

3 額定水頭選擇

水輪機(jī)額定水頭是指機(jī)組發(fā)出額定出力的最小水頭。

額定水頭的選擇應(yīng)根據(jù)水電廠的運(yùn)行水頭及出力范圍、水輪機(jī)運(yùn)行特性及其穩(wěn)定運(yùn)行的要求、水電廠出力受阻及電量損失的限制條件、水庫調(diào)節(jié)特性與運(yùn)行方式、機(jī)組在電網(wǎng)中的作用及其運(yùn)行方式，以及輸水系統(tǒng)水頭損失等因素綜合考慮，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選定。水輪機(jī)最優(yōu)效率區(qū)的工作區(qū)域應(yīng)既滿足蓄水期在較高水頭下穩(wěn)定運(yùn)行和多發(fā)電量的要求，又兼顧汛期在較低水頭下能靠近無空化或低空化區(qū)運(yùn)行，以減輕磨蝕損壞。

本電站全年加權(quán)平均水頭161.2 m，汛期加權(quán)平均水頭154.2 m，非汛期加權(quán)平均水頭177.4 m。水輪機(jī)最大工作水頭與最小工作水頭之間差距約100 m，Hmax/Hmin=1.91，水頭變幅很大。根據(jù)本工程調(diào)度運(yùn)行方式,電站建成后將按“電調(diào)服從水調(diào)”模式運(yùn)行。

一般來說，對(duì)于水頭變幅較大的電站，額定水頭越低，在高水頭區(qū)域運(yùn)行時(shí)越不穩(wěn)定，容易導(dǎo)致機(jī)組產(chǎn)生高頻振動(dòng)；額定水頭越高，在低水頭區(qū)域出力受阻就越嚴(yán)重。因此，選擇合理的水輪機(jī)額定水頭尤為重要。

為確定機(jī)組額定水頭，對(duì)規(guī)劃專業(yè)提供的長(zhǎng)系列月平均及汛期旬平均水頭、流量數(shù)據(jù)，按全年、非汛期、汛期及汛期分旬平均水頭、流量分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(見表1、表2)。

表1 各統(tǒng)計(jì)時(shí)段流量、水頭極值

表2 各時(shí)段水頭統(tǒng)計(jì)

從表2可以看出，非汛期月均水頭在高水頭附近出現(xiàn)概率較高，水頭在190 m及以上出現(xiàn)的概率占比已超過35%；汛期月均水頭在145～165 m之間出現(xiàn)的概率占比也超過30%。

考慮本電站機(jī)組在非汛期運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)約為8個(gè)月，此時(shí)段機(jī)組多數(shù)時(shí)間運(yùn)行在較高水頭，且流量最大值不超過36 m3/s。因此，機(jī)組額定水頭的選擇應(yīng)在保證機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的前提下充分提高發(fā)電效益，故額定水頭不宜過低。

同時(shí)，根據(jù)本工程調(diào)度運(yùn)行方式、年內(nèi)流量分布特點(diǎn)及表2的統(tǒng)計(jì)成果可以看出，汛期流量充沛但機(jī)組月均水頭及分旬水頭均較非汛期有大幅降低。從充分利用汛期的水量及水能資源，減少機(jī)組在低水頭運(yùn)行時(shí)的出力受阻和氣蝕，避免機(jī)組在高水頭運(yùn)行時(shí)誘發(fā)振動(dòng)的角度而言，機(jī)組額定水頭的選擇也不宜過高。

經(jīng)多次試算發(fā)現(xiàn)，如將額定水頭靠近汛期運(yùn)行水頭選取，非汛期運(yùn)行時(shí)有較大可能導(dǎo)致高水頭振動(dòng)；而將額定水頭靠近非汛期運(yùn)行水頭選取，汛期運(yùn)行時(shí)必然導(dǎo)致出力受阻及空蝕加劇。由于該矛盾不可調(diào)和，故機(jī)組額定水頭的確定十分困難。

為確定機(jī)組額定水頭，向國(guó)內(nèi)數(shù)家水輪發(fā)電機(jī)組生產(chǎn)制造商及科研院所進(jìn)行了咨詢。咨詢結(jié)果表明，各咨詢單位均無可適應(yīng)玉龍樞紐水頭變幅及運(yùn)行方式的轉(zhuǎn)輪，多數(shù)咨詢單位建議水輪機(jī)采用下拆方案；即配備2個(gè)不同額定水頭的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪(汛期低水頭轉(zhuǎn)輪，非汛期高水頭轉(zhuǎn)輪)以適應(yīng)機(jī)組不同時(shí)期的運(yùn)行要求。另有部分咨詢單位建議針對(duì)玉龍水利樞紐工程的實(shí)際工況進(jìn)行轉(zhuǎn)輪模型專項(xiàng)研發(fā)。考慮模型轉(zhuǎn)輪研發(fā)周期長(zhǎng)、費(fèi)用高，研發(fā)成果是否符合預(yù)期尚不明確，本階段初定機(jī)組采用下拆方案，通過更換不同額定水頭的轉(zhuǎn)輪及相應(yīng)附件以適應(yīng)本工程特點(diǎn)。同時(shí)，考慮非汛期最大流量不超過36 m3/s的限制，采用下拆方案的機(jī)組容量只需滿足非汛期過流要求即可，其余機(jī)組額定水頭的選擇應(yīng)在滿足汛期大流量、偏低水頭運(yùn)行要求的前提下，盡可能多發(fā)電以提高電站的經(jīng)濟(jì)效益。

3.1 汛期低水頭轉(zhuǎn)輪額定水頭的選擇

為確定汛期轉(zhuǎn)輪的額定水頭，對(duì)表2中的汛期月均及汛期分旬水頭統(tǒng)計(jì)成果進(jìn)行整理后如下所示(見表3)。

表3 汛期水頭統(tǒng)計(jì)成果整理

從表3可以看出，在不考慮流量限制及機(jī)組運(yùn)行工況的前提下，機(jī)組的額定水頭越低，實(shí)際運(yùn)行水頭高于機(jī)組汛期額定水頭的概率就越高。根據(jù)本工程實(shí)際情況，考慮汛期機(jī)組應(yīng)盡可能多140 m出力，結(jié)合表3統(tǒng)計(jì)成果，初擬汛期額定水頭方案如下所示(見表4)。

表4 初擬汛期額定水頭方案

3.2 非汛期高水頭轉(zhuǎn)輪額定水頭的選擇

為確定非汛期轉(zhuǎn)輪的額定水頭，對(duì)表2中的非汛期月均水頭統(tǒng)計(jì)成果進(jìn)行整理后如下所示(見表5)。

表5 非汛期水頭統(tǒng)計(jì)成果整理

從表5可以看出，非汛期實(shí)際運(yùn)行水頭較汛期有較大提高。考慮電站機(jī)組在非汛期運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)約為8個(gè)月，此時(shí)段內(nèi)機(jī)組運(yùn)行水頭較高，且該時(shí)段流量最大值不超過36 m3/s，非汛期額定水頭的選擇應(yīng)在保證機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的前提下充分提高發(fā)電效益，結(jié)合表5統(tǒng)計(jì)成果，初擬非汛期額定水頭方案如下所示(見表6)。

表6 初擬非汛期額定水頭方案

3.3 不同額定水頭的組合方式

為保證機(jī)組無論汛期還是非汛期，多數(shù)時(shí)間均能夠發(fā)足出力，根據(jù)表4和表6，按汛期及非汛期滿發(fā)概率基本相同的原則，初擬了以下5個(gè)額定水頭組合方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選(見表7、表8)。為便于比較，額定水頭技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選時(shí)裝機(jī)方案統(tǒng)一按2×30 MW+2×70 MW考慮。

表7 初擬額定水頭組合方案

表8 不同額定水頭比較

從表8可知，各方案水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑相差不大，機(jī)組制造與運(yùn)輸難度系數(shù)相當(dāng)。隨著額定水頭的提高，轉(zhuǎn)輪尺寸減小、重量減輕，靜態(tài)總投資及多年平均發(fā)電量均隨額定水頭的提高而減少。

從水輪機(jī)運(yùn)行范圍而言，提高額定水頭會(huì)使真機(jī)的運(yùn)行區(qū)域在水輪機(jī)模型綜合特性曲線向上移動(dòng)，減小運(yùn)行區(qū)與振動(dòng)區(qū)的交叉范圍，達(dá)到降低振動(dòng)影響的目的。同時(shí)，由于玉龍樞紐年內(nèi)來流量多在汛期，此時(shí)機(jī)組運(yùn)行水頭較低，為有效增加汛期發(fā)電量，額定水頭也不宜過高。

對(duì)于本工程而言，汛期及非汛期的額定水頭越低，滿發(fā)概率越高；但考慮本工程水頭變幅極大，在流量充沛的前提下，只需保證多數(shù)時(shí)間機(jī)組能夠發(fā)足出力即可。方案一和方案二的滿發(fā)概率分別約為80%和75%，略偏高；方案四和方案五的滿發(fā)概率分別約為55%和45%，略偏低；方案三的滿發(fā)概率約為65%，較為合適。

經(jīng)綜合分析比較，本階段初定水輪機(jī)汛期額定水頭為140 m，非汛期額定水頭為170 m。

4 結(jié) 語

玉龍喀什水利樞紐工程的建設(shè)，是確保玉龍河生態(tài)供水的需要，是玉龍河流域防洪減災(zāi)、促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的需要。通過參數(shù)計(jì)算分析和比選，確定水輪機(jī)額定水頭，對(duì)今后工程的實(shí)施建設(shè)具有一定指導(dǎo)作用。

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