金沙水電站水輪發(fā)電機組選型設(shè)計研究與實踐

黃剛　章勛　桂紹波　陳笙

摘要：金沙水電站具有低水頭的特點，可選用燈泡貫流式和軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、運行穩(wěn)定性和運行維護(hù)等方面，對這兩種機型進(jìn)行了綜合比較分析，確定金沙水電站采用軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組。基于電站裝機臺數(shù)和額定轉(zhuǎn)速比選，確定了水輪發(fā)電機組的主要性能參數(shù)。研究成果可為同水頭段水輪發(fā)電機組選型設(shè)計以及同類型大中型機組安全穩(wěn)定高效運行提供借鑒。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機組; 選型設(shè)計; 軸流轉(zhuǎn)槳式; 燈泡貫流式; 金沙水電站

中圖法分類號：TV734 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.07.012

文章編號：1006 - 0081（2022）07 - 0072 - 06

0 引 言

金沙水電站位于金沙江干流中游末端的攀枝花河段上，是金沙江中游河段10級水電基地規(guī)劃的第9級電站。電站總裝機容量560 MW，多年平均發(fā)電量為25.07億kW·h，裝機年利用小時數(shù)4 480 h，保證出力207 MW。金沙壩址多年平均懸移質(zhì)含沙量為0.886 kg/m3，輸沙量主要集中在7～9月，占全年的80%以上，懸移質(zhì)級配中值粒徑0.014 mm，平均粒徑0.053 mm，最大粒徑1.721 mm，年平均推移質(zhì)沙量為156.3萬t[1-3]。

金沙水電站具有水頭低、流量大的特點，根據(jù)電站運行特點及國內(nèi)外低水頭徑流式電站機組的選型設(shè)計經(jīng)驗[4～5]，通過比選機組型式、裝機臺數(shù)及轉(zhuǎn)速等，確定了機組的各項主要參數(shù)，可為低水頭、大流量、大容量的水輪發(fā)電機組選型設(shè)計和機組安全穩(wěn)定運行提供借鑒。

1 金沙水電站基本參數(shù)

1.1 上下游水位

金沙水電站上游校核洪水位（0.1%）為1 025.30 m;上游設(shè)計洪水位（1%）為1 022.00 m;上游正常蓄水位為1 022.00 m;上游死水位為1 020.00 m;下游校核洪水位 （0.1%）為1 019.49 m; 下游設(shè)計洪水位（1%）為1 016.10 m 。

1.2 水 頭

金沙水電站最大水頭為26.8 m;加權(quán)平均水頭為19.9 m;最小水頭為8.0 m;額定水頭為16.8 m。

2 機組型式選擇

金沙水電站水頭變化范圍為8.0～26.8 m，屬低水頭范圍，可選機型有軸流轉(zhuǎn)槳式和燈泡貫流式水輪發(fā)電機組[6]。

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組發(fā)展歷史悠久，國內(nèi)外部分已建和在建電站大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機主要參數(shù)見表1，具有單機容量大，設(shè)計、制造及運行維護(hù)方便等優(yōu)勢，適用水頭范圍為3～80 m。自20世紀(jì)70年代以來，隨著葛洲壩（轉(zhuǎn)輪直徑11.3 m、單機容量170 MW）、樂灘（轉(zhuǎn)輪直徑10.4 m、單機容量150 MW）、桐子林（轉(zhuǎn)輪直徑10.4 m、單機容量150 MW）等多座水電站的成功投產(chǎn)，大型軸流轉(zhuǎn)槳式機組的相關(guān)技術(shù)已非常成熟，單機容量和適用水頭都在不斷提升[7]，其設(shè)計、生產(chǎn)、安裝、運行等都有較為豐富的經(jīng)驗。與金沙水電站水頭、容量相近的已投運電站軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機比速系數(shù)集中在2 500～2 700左右。

燈泡貫流式機組比速系數(shù)基本在2800～3100之間，具有參數(shù)水平高、過流能力大、運行穩(wěn)定等優(yōu)點。在最大水頭低于20 m的電站，燈泡貫流式水輪機具有較大優(yōu)越性。目前，國內(nèi)廠家已生產(chǎn)、投運的大型燈泡貫流機組有橋鞏（轉(zhuǎn)輪直徑7.4 m、單機容量57 MW）和巴西杰瑞（轉(zhuǎn)輪直徑7.9 m、單機容量75 MW）。但是，燈泡貫流式機組采用臥式布置，單機容量受限，大容量機組存在設(shè)計、制造難度大及運行維護(hù)不便等因素[8]。

在考慮現(xiàn)有不同水輪發(fā)電機組機型加工制造能力的基礎(chǔ)上，通過分析計算，金沙水電站采用軸流轉(zhuǎn)槳式和燈泡貫流式兩種方案的機組主要技術(shù)參數(shù)以及機組造價、土建投資的對比，如表2所示。

比較上述主要技術(shù)參數(shù)，可得出以下結(jié)論。

（1） 參數(shù)水平。金沙水電站兩種機型方案水輪機參數(shù)水平符合對應(yīng)機型統(tǒng)計規(guī)律，軸流轉(zhuǎn)槳式機組比速系數(shù)在2 650左右，燈泡貫流式機組比速系數(shù)在3 000左右。后者參數(shù)水平高于前者。燈泡貫流式機組軸線順?biāo)鞑贾?，流道順暢，水輪機效率在整個運行范圍內(nèi)要比軸流轉(zhuǎn)槳式機組高，多年平均發(fā)電量會比軸流轉(zhuǎn)槳式機組略多。燈泡貫流式機組運行穩(wěn)定性較好，發(fā)生空蝕的可能性及損壞程度要比軸流轉(zhuǎn)槳式機組小。但是，對于高水頭、大容量的燈泡貫流式機組，其發(fā)電機散熱問題較為突出，可能會影響到發(fā)電機效率和設(shè)備運行。同時對于燈泡貫流式機組而言，最高水頭26.8 m屬于高水頭段，在實際運行中，國內(nèi)數(shù)座高水頭燈泡貫流式電站出現(xiàn)過轉(zhuǎn)子支臂裂紋、發(fā)電機內(nèi)部散架、發(fā)電機氣息不均勻等故障，設(shè)計、制造水平有待進(jìn)一步提高與完善。相較于燈泡貫流式機組而言，軸流轉(zhuǎn)槳式機組技術(shù)成熟，適用水頭寬，機組運行穩(wěn)定，可選用的轉(zhuǎn)輪模型多，隨著技術(shù)發(fā)展，軸流轉(zhuǎn)槳式機組效率也有所提高。

（2） 水輪機的加工能力。金沙水電站軸流轉(zhuǎn)槳式機組方案的轉(zhuǎn)輪直徑為10.65 m，與葛洲壩、樂灘、桐子林等水電站大型軸流轉(zhuǎn)槳式機組直徑相當(dāng)，燈泡貫流式機組方案的轉(zhuǎn)輪直徑與橋鞏水電站大型燈泡貫流式機組直徑相當(dāng)，在同類機型中均屬國內(nèi)可生產(chǎn)的大型機組。國內(nèi)各大機組生產(chǎn)制造廠家擁有各類大型加工設(shè)備及使用經(jīng)驗，制造、運行經(jīng)驗成熟，故兩種類型的機組在制造加工能力上均不存在制約。

（3） 樞紐布置。經(jīng)初步分析，燈泡貫流式機組方案比軸流轉(zhuǎn)槳式機組方案廠房前沿長度約15.2 m。由于金沙水電站壩址處河床較狹窄，兩岸山坡較陡，裝設(shè)8臺燈泡貫流式機組方案廠房要較大幅度增加對左岸山體的擴挖，樞紐布置難度顯著增加。從機組本身設(shè)計角度看，燈泡貫流式機組方案機組底板（最低點）高程比軸流轉(zhuǎn)槳式機組方案有大幅提高，可大幅減少開挖和澆筑方量。但由于壩址區(qū)覆蓋層較厚，廠房壩段和電站泄洪壩段基礎(chǔ)設(shè)計均要求挖掉覆蓋層，使其坐落在微新巖體上。從地勘工作情況看，金沙壩址覆蓋層的開挖與軸流轉(zhuǎn)槳式機組方案的開挖要求基本一致，因此燈泡貫流式機組方案減少開挖和澆筑方量的優(yōu)勢不明顯。經(jīng)綜合計算分析，燈泡貫流式機組方案廠房土建投資比軸流轉(zhuǎn)槳式機組方案要多1 970萬元左右。

（4） 機組設(shè)備投資。燈泡貫流式機組單位流量、單位轉(zhuǎn)速比軸流轉(zhuǎn)槳式機組略高，同時額定轉(zhuǎn)速也比軸流轉(zhuǎn)槳式機組高，機組尺寸比同等容量的軸流轉(zhuǎn)槳式機組小，總重量要輕?？紤]到燈泡貫流式機組裝機臺數(shù)多，經(jīng)綜合計算分析，燈泡貫流式機組方案主要機電設(shè)備投資比軸流轉(zhuǎn)槳式機組方案低840萬元左右。

（5） 檢修、運行維護(hù)。受單機容量限制，燈泡貫流式機組方案所裝設(shè)的機組臺數(shù)較多，檢修、運行維護(hù)工作量較大。而軸流轉(zhuǎn)槳式機組發(fā)展歷史較長，運行維護(hù)經(jīng)驗成熟，同時機組臺數(shù)少，有利于后期檢修及運行維護(hù)。

綜上所述，金沙水電站采用軸流轉(zhuǎn)槳式或燈泡貫流式這兩種機型在技術(shù)上均是可行的。燈泡貫流式機組方案機組臺數(shù)較多，總投資較大，廠房占樞紐前沿較長，山體擴挖較大，樞紐布置較困難，同時設(shè)備檢修、運行維護(hù)工作量較大，而軸流轉(zhuǎn)槳式機組方案機組運行穩(wěn)定，運行范圍廣，適用水頭范圍較廣，低水頭區(qū)及高水頭區(qū)機組運行穩(wěn)定，同時能保證較高效率，因此推薦金沙水電站采用軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組。

3 單機容量及裝機臺數(shù)選擇

單機容量主要根據(jù)電站動能特性、電站運行方式、工程布置條件以及機組設(shè)計制造水平和適應(yīng)條件綜合考慮擬定[9-11]。

考慮到金沙水電站壩址處屬中山峽谷地貌，河谷橫斷面呈較對稱“V”字形，兩岸山坡較陡，采用較大的單機容量可減少機組臺數(shù)，降低樞紐布置難度。擬定裝機3臺186.7 MW、4臺140 MW及5臺112 MW的方案進(jìn)行比較。不同單機容量及裝機臺數(shù)的水輪發(fā)電機組主要技術(shù)參數(shù)以及機組造價、土建投資的對比，如表3所示。

（1） 參數(shù)水平。金沙水電站不同裝機臺數(shù)方案水輪機參數(shù)水平相近，比速系數(shù)均在2 650左右。

（2） 水輪機的加工能力。從機組制造運行經(jīng)驗看，國內(nèi)已運行最大五葉片轉(zhuǎn)輪直徑10.4 m（樂灘水電站，單機容量150 MW），最大四葉片轉(zhuǎn)輪直徑11.3 m（葛洲壩水電站，單機容量170 MW），最大出力已達(dá)204 MW（水口水電站）。方案1轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)12.4 m，從尺寸上講，已超過了現(xiàn)有工程實際應(yīng)用經(jīng)驗。由于加工設(shè)備限制，轉(zhuǎn)輪直徑超過12 m的軸流機組的加工制造相對困難。同時，由于軸流式水輪機葉片的懸臂結(jié)構(gòu)特點，轉(zhuǎn)輪直徑超過12 m的水輪機運行時，在結(jié)構(gòu)、剛強度及疲勞破壞方面不確定性增加，風(fēng)險加大。而方案2，3的機組尺寸均在生產(chǎn)廠制造能力的范圍內(nèi)。

（3） 樞紐布置。隨著機組臺數(shù)增加，廠房尺寸也增大，相應(yīng)壩軸線長度也隨之增加，為滿足樞紐建筑物的布置要求，需向左岸進(jìn)行山體擴挖，與方案2相比，方案1可少擴挖15.3 m、方案3需多擴挖18.2 m。同時方案1開挖深度遠(yuǎn)超方案2。經(jīng)過綜合計算分析，方案3廠房土建投資比方案2多約1 067.13萬元，方案1廠房土建投資比方案2多約1 969.52萬元。

（4） 大件運輸。各方案運輸最大件轉(zhuǎn)輪體輪轂，運輸直徑約為4.2～5.4 m，均超出鐵路二級限界，需采用水陸聯(lián)運方案運輸。

（5） 機電設(shè)備投資。經(jīng)過綜合計算分析，方案3主要機電設(shè)備投資比方案2多約195萬元，方案1主要機電設(shè)備投資比方案2少1 250萬元左右。

（6）水庫調(diào)度。根據(jù)金沙水庫調(diào)度規(guī)劃，枯水期低谷時段機組持續(xù)在流量439 m3/s（生態(tài)流量）下運行，該流量最大水頭下機組出力約為93.3 MW，分別為各方案額定出力的49%，65%，82%，雖均在規(guī)范規(guī)定的機組穩(wěn)定運行保證范圍內(nèi)，但偏離額定出力越遠(yuǎn)，機組穩(wěn)定性會越差，效率也會越低。

經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，方案1水輪機尺寸超大，制造、運行風(fēng)險增加，同時樞紐投資并未減少，方案3需擴挖山體，增加樞紐布置難度及投資;方案2技術(shù)上可行，經(jīng)濟(jì)上較優(yōu)。為此，金沙水電站推薦裝設(shè)4臺單機容量140 MW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組方案。

4 額定轉(zhuǎn)速選擇

機組額定轉(zhuǎn)速主要根據(jù)擬定的水輪機參數(shù)、單機容量以及發(fā)電機冷卻方式、對機組特性影響等來綜合考慮選定[12-13]。

擬定對60.0，57.7 r/min兩種轉(zhuǎn)速進(jìn)行方案比較，其主要技術(shù)參數(shù)對比見表4。

由表4可見，不同額定轉(zhuǎn)速方案，水輪機參數(shù)水平不同，其中60 r/min轉(zhuǎn)速方案比速系數(shù)水平要高出57.7 r/min轉(zhuǎn)速方案4%，當(dāng)采用相同的單位參數(shù)，水輪機轉(zhuǎn)輪直徑相同，水輪機重量也相同，但由于60 r/min轉(zhuǎn)速方案中參數(shù)水平高出4%，比最優(yōu)點的水輪機設(shè)計水頭要提至23.04 m，高于預(yù)期的水輪機設(shè)計水頭21.5 m左右，對水輪機的能量性能會有所影響。

從發(fā)電機電磁方案分析，兩種轉(zhuǎn)速方案均可采用4支路方案，發(fā)電機的槽電流水平相同，均可采用風(fēng)冷方式。另外不同轉(zhuǎn)速方案，發(fā)電機的幾何參數(shù)及重量有微小變化，但差別不大。相較而言，60 r/min轉(zhuǎn)速方案參數(shù)水平略微偏高，水輪機設(shè)計水頭和圓周速度略微偏大，水輪機能量及空蝕水平略微降低，發(fā)電機重量及投資略微減小。

綜合考慮水輪機參數(shù)與電站參數(shù)的優(yōu)化匹配，推薦金沙水電站機組同步轉(zhuǎn)速為57.7 r/min轉(zhuǎn)速方案。

5 機組推薦方案

經(jīng)2016年1月公開招標(biāo)，最終確定天津GE公司承擔(dān)4臺水輪機供貨，浙富公司承擔(dān)4臺發(fā)電機的供貨。水輪機型式為混凝土蝸殼立軸軸流轉(zhuǎn)槳式。水輪發(fā)電機為立軸普通傘式同步發(fā)電機，冷卻方式為密閉自循環(huán)全空冷。水輪發(fā)電機組主要技術(shù)參數(shù)詳見表5所示。

6 結(jié) 語

針對處于中低水頭段的大、中型水電站，應(yīng)結(jié)合電站特有的水力特性和運行要求等具體特點，從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、運行穩(wěn)定性和運行維護(hù)管理等方面進(jìn)行分析，并進(jìn)一步通過機組參數(shù)水平、加工制造能力、樞紐布置難易程度、工程投資、后期運維管理等方面的綜合比選，以確定機組型式、裝機臺數(shù)、轉(zhuǎn)速等特征參數(shù)，并進(jìn)一步綜合分析計算出機組各項技術(shù)參數(shù)，以確保機組長期安全穩(wěn)定高效運行。本文所闡述的金沙水電站相關(guān)的選型設(shè)計方法，可為類似電站機組選型設(shè)計及安全穩(wěn)定運行提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 秦曉明.金沙江金沙水電站初期蓄水水情及調(diào)度成果分析與研究[J].計量與測試技術(shù)，2021，48（4）：71-73.

[2] 唐容文，黃剛，黃小川，等.金沙水電站水輪機的水力設(shè)計與結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].四川水力發(fā)電，2018，37（2）：7-10.

[3] 程淑艷，查麟，張玲麗.金沙水電站廠房選型設(shè)計研究[J].人民長江，2014，45（19）：33-35.

[4] 黎宗亮.新疆ZG水電站水輪機選型及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].水電站機電技術(shù)，2021，44（1）：10-12.

[5] 金德山，桂紹波，郭學(xué)洋.陶岔渠首水利樞紐水輪發(fā)電機組選型設(shè)計研究[J].西北水電，2012（增1）：139-143.

[6] 袁鎖年，貴堯.低水頭小型水電站機組選型設(shè)計[J].甘肅水利水電技術(shù)，2013，49（3）：52-53，59.

[7] 劉建華，陶建民.麒麟寺水電站機組選型分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2010（12）：91-92.

[8] 趙勇.壩盤電站水力機械選型設(shè)計[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2010（5）：148-149.

[9] 吳健汀.關(guān)公凹水電站機組選型設(shè)計優(yōu)化研究[J].海峽科學(xué)，2009（3）：60-61.

[10] 白萬軍.俄吾多水電站機組選型設(shè)計[J].甘肅水利水電技術(shù)，2003（2）：115-116.

[11] 鄭濤平，田子勤.亭子口水電站機組選型設(shè)計主要技術(shù)問題[J].人民長江，2009，40（2）：41-42.

[12] 程瓊.淺談月潭水庫工程水輪機選型設(shè)計[J].工程與建設(shè)，2020，34（6）：1092-1094.

[13] 何峰，胡定輝，何志鋒，等.西藏扎拉水電站沖擊式水輪機選型設(shè)計探討[J].水利水電快報，2019，40（12）：34-36.

（編輯：唐湘茜）

Study on selection and design of turbine-generator unit for Jinsha Hydropower Station

HUANG Gang ZHANG Xun GUI Shaobo CHEN Sheng

（1. Sichuan Energy Panzhihua Hydropower Development Co.， Ltd.， Panzhihua 617000， China; 2. Anhui Branch，China Three Gorges? Renewables（Group）Co.， Ltd.，? Hefei? 230000， China; 3. Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.， Ltd.， Wuhan? ? ?430010， China）

Abstract：According to the characteristics that the water head of Jinsha hydropower station is in the low water head range， bulb tubular turbine and Kaplan turbine can be selected. The two types are comprehensively compared and analyzed from the aspects of technology， economy， operation stability and operation maintenance， and it is determined that Jinsha hydropower station adopts Kaplan type turbine-generator unit. Based on the comparison and selection of the installation number of the units and the rated speed of the unit， the main performance parameters of the turbine-generator unit are determined. The research results can provide some reference for the type selection design of the turbine-generator unit in the same head range and the safe， stable and efficient operation of similar large and medium-sized turbine-generator units.

Key words：hydraulic turbine-generator unit; type design; Kaplan type; bulb tubular type; Jinsha Hydropower Station