淺談斜卡水電站水輪機(jī)機(jī)組選型

向升，鄭靜

(1.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司，成都，610213；2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川崇州，611231)

1 電站概況

斜卡水電站位于四川省甘孜州九龍縣斜卡鄉(xiāng)境內(nèi)，是九龍河左岸支流踏卡河上“一庫(kù)兩級(jí)”水電規(guī)劃的龍頭水庫(kù)電站。電站為混合式開(kāi)發(fā)，首部建混凝土面板壩壅水，壩址位于大橋溝口上游約900m河段，由隧洞引水至地面發(fā)電廠，廠址位于磨坊坪附近踏卡河右岸漫灘，壩、廠址相距約15km。

電站裝機(jī)容量130MW，多年平均發(fā)電量5.211億kW·h，水庫(kù)總庫(kù)容8485萬(wàn)m3，具有季調(diào)節(jié)能力，電站基本參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 電站基本參數(shù)

2 水輪機(jī)機(jī)型和臺(tái)數(shù)選擇

斜卡水電站總庫(kù)容為8485萬(wàn)m3，裝機(jī)容量為130MW，屬于中型工程[1]。水頭范圍422m～504.7m，為高水頭電站，在該水頭段可供選擇的水輪機(jī)型式有混流式與水斗式兩種[2]。

2.1 初步設(shè)計(jì)階段

初步設(shè)計(jì)階段，根據(jù)斜卡水電站水頭范圍，對(duì)混流式與水斗式兩種機(jī)型進(jìn)行了分析比較，分別對(duì)2×65MW混流式、3×43.33MW混流式、水斗式3個(gè)方案作全面的分析。

初步設(shè)計(jì)階段機(jī)型和裝機(jī)臺(tái)數(shù)方案比較見(jiàn)表2。

表2 初步設(shè)計(jì)階段機(jī)型和裝機(jī)臺(tái)數(shù)方案比較

通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)中、高水頭水斗式水輪機(jī)應(yīng)用情況、國(guó)內(nèi)中、高水頭混流式水輪機(jī)應(yīng)用情況及國(guó)外高水頭大容量混流式水輪機(jī)應(yīng)用情況的比較，綜合電站投資、能量指標(biāo)、機(jī)組運(yùn)行情況、廠區(qū)布置，結(jié)合國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)制造水平，經(jīng)與動(dòng)能、水工等專業(yè)共同研究后，初設(shè)階段推薦選用2臺(tái)混流式機(jī)組方案。

2.2 招標(biāo)設(shè)計(jì)階段

招標(biāo)設(shè)計(jì)階段，針對(duì)斜卡水電站機(jī)組機(jī)型及裝機(jī)臺(tái)數(shù)選擇的問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的研究：(1)對(duì)與本電站水頭及容量相似的電站運(yùn)行情況進(jìn)行了進(jìn)一步的調(diào)查及了解；(2)邀請(qǐng)相關(guān)水輪機(jī)專家及主機(jī)設(shè)備生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)專家進(jìn)行了深入的技術(shù)交流，并對(duì)當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外水電設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及市場(chǎng)現(xiàn)狀進(jìn)行了探討與交流。得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)高水頭混流式水輪機(jī)的運(yùn)行情況不是很理想，運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和不穩(wěn)定運(yùn)行范圍均較大。

(2)能夠設(shè)計(jì)、生產(chǎn)斜卡水電站2臺(tái)混流式機(jī)組的生產(chǎn)廠家有GEHA、哈電、東電、力源、天阿、東芝杭州等，機(jī)組可選擇面還是相當(dāng)大的。但到當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)水電市場(chǎng)發(fā)展迅速，GEHA、哈電、天阿、東芝杭州等國(guó)內(nèi)大型及合資廠生產(chǎn)任務(wù)繁重，對(duì)斜卡水電站的主機(jī)設(shè)備制造不感興趣，因此，選擇面變窄了很多。

考慮到上述情況，專家一致意見(jiàn)如果選用水斗式水輪機(jī)，則昆電、重水等國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家也能生產(chǎn)，在水頭范圍內(nèi)，水斗式機(jī)組的運(yùn)行會(huì)很可靠，檢修維護(hù)也方便。因此，建議招標(biāo)階段可考慮同時(shí)對(duì)混流式及水斗式水輪機(jī)兩種方案進(jìn)行招標(biāo)，并通過(guò)比選最終選出更適合本電站特性的水輪機(jī)型。

招標(biāo)采購(gòu)時(shí)，為了選出適合本電站的機(jī)組機(jī)型，分別對(duì)2臺(tái)、3臺(tái)水斗式及2臺(tái)混流式兩種方案進(jìn)行招標(biāo)?；炝魇椒桨竷H1家公司投標(biāo)，水斗式方案2家公司投標(biāo)。關(guān)于水斗式機(jī)型，當(dāng)時(shí)投入運(yùn)行的國(guó)產(chǎn)水斗式機(jī)組的單機(jī)容量?jī)H為35MW，斜卡電站的單機(jī)容量達(dá)到了65MW，國(guó)產(chǎn)水斗式有相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)。如果采用進(jìn)口方案，兩家的報(bào)價(jià)較混流式機(jī)組報(bào)價(jià)高，2臺(tái)水斗式水輪機(jī)(轉(zhuǎn)輪進(jìn)口方案)的投標(biāo)總價(jià)比3臺(tái)機(jī)投標(biāo)總價(jià)(轉(zhuǎn)輪國(guó)產(chǎn)方案)高很多，其總價(jià)接近3臺(tái)機(jī)方案的2倍，且采用進(jìn)口轉(zhuǎn)輪方案其運(yùn)行維護(hù)成本較高，也不利于今后的備品轉(zhuǎn)輪采購(gòu)。因此，如果選擇2臺(tái)混流式方案，只有1家可以選擇，而且報(bào)價(jià)較高；如果選擇水斗式方案，可選擇的廠家有兩家。如果選2臺(tái)機(jī)選國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)輪，風(fēng)險(xiǎn)較大，選轉(zhuǎn)輪進(jìn)口，價(jià)格很高，選3臺(tái)機(jī)國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)輪較為合理。水斗式方案，廠房的開(kāi)挖量明顯比混流式機(jī)組小，且水斗式水輪機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性及出力調(diào)節(jié)范圍均比混流式好，更利于梯級(jí)調(diào)度，3臺(tái)水斗式水輪機(jī)方案，所有設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)，設(shè)備采購(gòu)成本將大大降低，后期運(yùn)行與維護(hù)成本也相應(yīng)降低。機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)的最大轉(zhuǎn)速升高率保證值：當(dāng)機(jī)組容量占系統(tǒng)工作總?cè)萘康谋戎夭淮?，或不?dān)負(fù)調(diào)頻時(shí)，宜小于60%；沖擊式機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率宜小于30%。機(jī)組甩負(fù)荷的蝸殼最大壓力升高率保證值：額定水頭大于300m時(shí)，宜小于25%[3]。水斗式機(jī)組可通過(guò)調(diào)整折向器及噴針的關(guān)閉時(shí)間獨(dú)立地控制轉(zhuǎn)速升高率及壓力升高率，通過(guò)折向器的快速關(guān)閉控制機(jī)組轉(zhuǎn)速上升，可有效地將機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率控制在30%以內(nèi)，同時(shí)通過(guò)增加噴針的關(guān)閉時(shí)間控制配水環(huán)管進(jìn)口最大壓力升高率；混流式機(jī)組只能通過(guò)導(dǎo)葉的關(guān)閉時(shí)間控制壓力升高率及轉(zhuǎn)速升高率，因此水斗式機(jī)組在流道及發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造難度相對(duì)較低。

招標(biāo)設(shè)計(jì)階段機(jī)型和裝機(jī)臺(tái)數(shù)方案比較見(jiàn)表3。

表3 招標(biāo)設(shè)計(jì)階段機(jī)型和裝機(jī)臺(tái)數(shù)方案比較

從機(jī)電設(shè)備投資、能量指標(biāo)、梯級(jí)調(diào)度、運(yùn)行維護(hù)、設(shè)備設(shè)計(jì)及制造難度、設(shè)備生產(chǎn)廠家的選擇及廠房布置等方面綜合考慮，確定斜卡水電站選擇裝設(shè)3臺(tái)單機(jī)45MW的水斗式水輪機(jī)方案。水斗式水輪機(jī)主要參數(shù)為：水輪機(jī)型號(hào)：CJA237-L-230/4×21；轉(zhuǎn)輪直徑：2300mm；噴嘴數(shù)：4；射流直徑：210mm；額定水頭447m；額定流量11.9m3/s；額定出力46.4MW、最大出力51MW；額定轉(zhuǎn)速375r/min、最大飛逸轉(zhuǎn)速703r/min；機(jī)組旋轉(zhuǎn)方向：俯視順時(shí)針；額定效率89.1%、最高效率91%；水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量30t、水輪機(jī)總重量212t；最小排出高度3.0m；安裝高程2661.60m。

3 水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

根據(jù)當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)及加工能力，針對(duì)斜卡水電站水輪機(jī)組水頭及容量特性，重慶水輪機(jī)廠有限公司吸取了國(guó)內(nèi)外同類型機(jī)組的成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，采取了以下針對(duì)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

(1)轉(zhuǎn)輪采用ZG00Cr13Ni4Mo不銹鋼整鑄結(jié)構(gòu)，水斗根據(jù)模板進(jìn)行研磨，在保證水力性能及不影響充分排流前提下，適當(dāng)增大水斗根部厚度，水斗根部、斗與斗之間均以圓弧過(guò)渡，降低水斗根部應(yīng)力。

(2)噴管采用直流內(nèi)控式，雙向油壓操作，控制機(jī)構(gòu)設(shè)在噴管內(nèi)，各噴嘴以相同的開(kāi)口和其他噴嘴并列同步投入運(yùn)行，也可單獨(dú)投入運(yùn)行。整個(gè)行程范圍內(nèi)噴針具有水力自關(guān)閉能力。每個(gè)噴嘴有一個(gè)可更換的噴嘴口環(huán)和噴針頭，并裝有一個(gè)調(diào)整法蘭及不銹鋼護(hù)板。水輪機(jī)的噴針頭，噴嘴口還能方便地在機(jī)坑內(nèi)拆修更換。每個(gè)噴管都設(shè)有一個(gè)偏流器，偏流器的切水刀板為整鑄，偏流器采用油壓開(kāi)啟及關(guān)閉，關(guān)閉腔設(shè)置有彈簧以保證在調(diào)速器油壓消失后偏流器可靠關(guān)閉。

(3)水輪機(jī)主軸與轉(zhuǎn)輪采用液壓預(yù)緊螺栓的摩擦式聯(lián)接方式，以便于轉(zhuǎn)輪的檢修與更換。

(4)水輪機(jī)導(dǎo)軸承采用稀油潤(rùn)滑巴氏合金瓦襯的自潤(rùn)滑筒式軸承，其結(jié)構(gòu)可靠和便于檢修。

(5)補(bǔ)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式為在水導(dǎo)軸承處均勻布置有4根補(bǔ)氣管，在機(jī)殼處均勻布置有8根補(bǔ)氣管(不同的兩個(gè)高程，每個(gè)高程4根)，補(bǔ)氣管的分部位、分高程均勻布置，保證了補(bǔ)氣的均勻性及可靠性，能保證水輪機(jī)輸出預(yù)定功率、運(yùn)行穩(wěn)定以及正常運(yùn)行條件下實(shí)際排出高度不小于設(shè)計(jì)值。

4 電站現(xiàn)狀

斜卡水電站已于2014年順利投產(chǎn)發(fā)電，目前電站機(jī)組運(yùn)行靈活穩(wěn)定，檢修維護(hù)方便，作為踏卡河龍頭水庫(kù)電站在梯級(jí)調(diào)節(jié)上發(fā)揮著重要的作用。目前正在建設(shè)斜卡水光互補(bǔ)光伏電站(裝機(jī)14萬(wàn)kW)，光伏電站以一回220kV線路接入斜卡水電站開(kāi)關(guān)站，水光總?cè)萘?7.5萬(wàn)kW，通過(guò)不完全年調(diào)節(jié)的庫(kù)容和水斗式機(jī)組(0.56萬(wàn)kW～13.5萬(wàn)kW負(fù)荷范圍)調(diào)節(jié)能力更大，能充分發(fā)揮水光互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì)，為電網(wǎng)提供穩(wěn)定電源，還可為業(yè)主創(chuàng)造更大的效益，助力新能源開(kāi)發(fā)。

5 總結(jié)

斜卡水電站屬于高水頭電站，而且水頭變幅較大，選型難度大。在該水頭段可采用的機(jī)型有混流式和水斗式。重點(diǎn)是根據(jù)機(jī)電設(shè)備投資、能量指標(biāo)、梯級(jí)調(diào)度、運(yùn)行維護(hù)、設(shè)備設(shè)計(jì)及制造難度、設(shè)備生產(chǎn)廠家的選擇及廠房布置等方面綜合考慮，為電站選出合適的機(jī)型。