金雞灘水電站參數確定及機型選擇

丁 榕

(廣西南寧水利電力設計院 南寧 530001)

1 工程概況

廣西隆安金雞灘水利樞紐位于右江中下游段,壩址距隆安縣城上游約8km,至南寧市96km。為右江綜合利用規劃中的第六座梯級,是一座以發電、航運為主,兼有電灌、供水養殖和旅游等綜合效益的水利樞紐工程。

金雞灘壩址多年平均流量為472m3/s,正常蓄水位88.6m,死水位87.6m,水庫調節庫容為0.148億m3,裝機容量為72MW,廠內安裝3臺單機容量為24MW的燈泡貫流式機組,工程于2006年3月第一臺機組發電,2007年3月全部建成投產。

2 水輪機臺數的選擇

電站裝機臺數按二、三、四臺分別進行論證。當裝機四臺時,雖然調節特性較為靈活,但廠房長度較長,受樞紐壩址地形的限制,致使溢流前緣縮短,影響洪水泄流、增加上游淹沒,且樞紐布置較困難,若溢流前緣不縮短,則增加開挖量及施工的難度,增加投資。因此,廠房不宜裝機四臺;當裝機兩臺時,廠房長度短,有利于樞紐布置,但單機容量大,相對低水頭電站,轉輪直徑大,單機設備貴,制造工藝及安裝相對困難,且廠房較寬,廠房土建及機組設備投資與裝機三臺相當;當裝機三臺時,機組運行工況較裝機兩臺為優,尤其電站在低出力狀況下單機容量小的機型運行穩定,有利于利用枯水期的水能,運行方式較裝機兩臺靈活,且與上游魚梁水電站 (三臺燈泡貫流式機組)運行匹配合理;根據樞紐布置、投資及運行工況綜合考慮,確定裝機三臺,電站裝機規模為3×24.0MW,總裝機規模為72.0MW。

3 水輪機機型的選擇

本電站為河床式電站,水頭變幅范圍3.5～14.5m。水輪機可選擇燈泡貫流式機組或立軸轉漿式機組兩種。以下就3×24.0MW立軸轉漿式機組和3×24.0MW燈泡貫流式機組進行技術經濟比較。技術及經濟比較參數見表1。

燈泡貫流式機組與立軸轉漿式機組相比,具有以下優點:(1)貫流式機組進、出水管軸向貫通,形狀簡單,水流條件好,水力損失小,施工方便;(2)貫流式機組具有較高的過流能力和較大的比轉速,故在水頭和功率相同條件下,其轉輪直徑要比轉漿式機組小10%左右;(3)貫流式機組單位流量大,運行效率比軸流式機組約高3%;(4)貫流式機組結構緊湊,尺寸較小,可減少廠房建筑面積和工程量,土建可節約10～20%的工程量。

綜上所述,燈泡貫流式機組的技術經濟指針明顯優于立軸轉漿式機組,故本電站推薦使用燈泡貫流式機組。

表1 金雞灘電站機組方案比較表

4 水輪機額定水頭

低水頭徑流式水電站機組額定水頭為水輪發電機組發足額定出力所對應的水頭,經計算本電站機組滿發出力的臨界水頭為12m,根據經驗機組額定水頭可為臨界棄水頭的85～95%。據此,本階段對額定水頭為Hr=10.5m、11m、11.5m三個方案的水輪機主要參數及電站綜合投資進行了比較,比較結果見表2。

表2 額定水頭及裝機容量方案比較表

由表2可知:隨著裝機容量的增大,其多年平均發電量也隨著增加,但增加的幅度逐步減少,并且枯水期電量基本不增加,只是增加豐水期的電量;另外隨著裝機容量的增大,電站的總投資也逐步增加,而其單位千瓦投資漸次減少,單位電度投資、補充單位千瓦投資和補充電能投資也相應減少,當裝機為3x24MW時,這三項指標同時降到最低值。

根據本電站的水頭特性,其臨界棄水點相應的水頭為12m,考慮到電站調峰時上游水庫的消落深度,額定水頭不宜高于11m,以免電站調峰出力受阻。金雞灘水電站雖為日調節水電站,但上游有已建的澄碧河為多年調節水庫和百色水利紐樞為不完全多年調節水庫。綜上所述,本階段選定水輪機額定水頭11m,相應轉輪直徑5.4m。

5 水輪機額定轉速

燈泡機組額定轉速選擇特點在于最優設計轉速偏離最優工況區較遠。原因在于電站在汛期的發電量主要取決于水輪機的過流能力,而非汛期的發電量取決于水輪機的運行效率。

式中:

K — —偏離系數,取值范圍0.2～ 0.35,本電站取值0.2;

HW——加權平均水頭;

n110——模型轉輪最優工況單位轉速,取148r/min(廠家推薦值);

D ——轉輪直徑

根據標準同步轉速,選用n=107.1r/min。經驗算:在加權平均水頭上運行時,該轉速在最高效率區內。因此所選的參數是合理的。

6 水輪發電機組安裝高程

燈泡貫流式機組的安裝高程應同時滿足在各種可能出現的運行工況下避免空蝕以及尾水管出口最小淹沒深度的要求。為滿足水輪機在額定工況下空化特性的控制要求,本電站的安裝高程為:

其中:

▽尾水——在額定工況下,三臺機組發流量所對應的下游水位,▽尾水=76.1m;

Hs——水輪機吸出高度,Hs≤10-▽/900-σ H-D1/2=-9.3 m(廠供)

考慮到電站下游沖刷后水位下降,以及尾水出口頂部的淹沒,初定安裝高程為▽66.1m。

核算安裝高程:規范要求尾水管出口上緣淹沒深度應大于500mm。經核算安裝高程為▽66.10m時,滿足尾水管出口淹沒深度大于500mm的要求。

因此,水輪機的安裝高程定為▽安=66.10m。

7 水輪發電機組的基本參數

經過招標,機組主要參數如下:

(1)水輪機型號 GZ(K241)-WP-540

額定功率 N=24.72MW

額定水頭 Hr=11.0m

最大水頭 Hmax=14.5m

最小水頭 Hmin=3.5m

額定流量 Qr=244.5m3/s

額定轉速 n=107.1r/min

最大飛逸轉速 n飛=356r/min

轉輪直徑 D1=5.4m

額定點效率 ηr=94.0%

最高效率 ηmax=95.3%

(2)發電機型號 SFWG24-56/6000

額定功率 N=24.0MW

發電機效率 ηmax=97.5%

功率因素 cosφ=0.9

額定電壓 10.5kV

8 結語

金雞灘水電站經過近3年的運行,水輪發電機組運行穩定,機組能夠滿出力甚至超出力運行,電能指標達到設計要求,因此所選機型是合理的。

1 田樹棠.貫流式水輪發電機組及其選擇方法[M].北京:中國電力出版社,2000.