下坂地電站水輪機參數及機型選擇

2011-05-12 01:32:12張新萍

電網與清潔能源 2011年5期

張新萍

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西西安710001）

1 工程概況

下坂地水利樞紐工程位于新疆塔什庫爾干河中下游，地處喀什地區塔什庫爾干塔吉克自治縣班迪爾鄉境內，距塔什庫爾干塔吉克自治縣45 km，距喀什市315 km，距自治區首府烏魯木齊市1815 km。該工程是塔里木河流域近期綜合治理中惟一的山區水庫樞紐工程，水利樞紐為多年調節水庫。主要任務是以生態補水及春旱供水為主，結合發電的綜合性Ⅱ等大（2）型工程。樞紐建筑物由攔河壩、導流泄洪洞、引水發電洞和電站廠房四部分組成。電站廠房為地下式。

電站安裝3臺50 MW混流式水輪發電機組，總裝機150 MW，為中型水電站。裝機容量占兩地州電網系統最大負荷的17.24%左右。電站在系統中承擔峰荷以及主要事故備用、負荷備用任務。

2 電站基本參數

正常蓄水位：2960.0 m

極限最低水位：2915.0 m

校核洪水位（P=0.2%）：2964.6 m

設計洪水位（P=1%）：2963.2 m

總庫容：8.67億m3

最高尾水位（Q=803 m3/s）：2746.87 m

正常尾水位（Q=89.69 m3/s）：2746.76m

最低尾水位（Q=14.95 m3/s）：2744.61 m

最大凈水頭：214.80 m

最小凈水頭：155.76 m

出力加權平均水頭：194.33 m

機組額定水頭：190 m

電站引用流量：89.69 m3/s

多年平均含砂量（建庫前天然河道）：0.491 kg/m3實測最大含砂量（建庫前天然河道）：16.8 kg/m3平均粒徑：0.138 mm

裝機容量：150 MW

機組臺數：3臺

單機容量：50 MW

電站年發電量：4.644×108 kW·h

年利用小時數：3096 h

電站保證出力：35.9 MW

3 水輪機選擇

水能計算確定下坂地電站裝機容量為150 MW[1]。根據電站實際情況，從運行管理的靈活性及節省投資等方面考慮[2]，機組臺數宜在2 ～4臺范圍內選取，臺數少于2臺，則運行調度不靈活，臺數多于4臺，則投資增加較大，不經濟。根據電力系統負荷上漲速度、典型日負荷圖、電網結構和系統要求的備用容量、重復容量以及電站的保證出力、發電和供水流量的匹配等因素對電站的裝機方案進行計算分析，比選論證2臺、3臺、4臺3個方案的合理性，其單機容量分別為75 MW、50 MW、37.5 MW，擇優推薦。

電站裝機容量一定時，在一定范圍內單機容量愈大，其綜合經濟效益愈大。當電站裝2臺機組時，單機容量為75 MW，檢修備用容量偏大，電站運行調度也不靈活，同時，對于在系統中承擔峰荷的電站，單機容量過大，會降低電站小出力調節靈活性，難于適應系統負荷變化對電站出力的要求，此方案不合理，故不選用2臺機組方案。對于3臺和4臺2個方案，從以下幾方面進行比較分析。

機組參數：對于裝機3臺和4臺2個方案，單機容量分別為50 MW和37.5 MW，經過計算，機組參數水平差別較小，二者在本電站均有良好的性能。

運行管理：電站裝機37.5 MW×4臺和50 MW×3臺2個方案比較，機組臺數多一臺，相對應的配電設備及變壓器也多一個單元，運行檢修工作量增大，管理相對不便。對整個電站而言4臺機組較3臺機組發生事故的概率要大一些，安排機組檢修的時間也較長。

機組運行的靈活性：就整個電站來看，承擔調峰任務，負荷變動較大。4臺機組較3臺機組運行靈活，對系統要求小負荷輸出時適配性較好。根據《水輪機基本技術條件》（GB/T 15468）[3]規定：混流式水輪機在最大和最小水頭范圍內，穩定運行的范圍是45% ～100%的機組最大出力。由此計算出單機37.5 MW機組在高于額定水頭時運行所保證穩定運行的范圍是16.875 ～37.5 MW，單機50 MW機組是22.5 ～50 MW。兩方案穩定出力下限相差5.6 MW，對于喀什克州兩地州電力系統總容量870 MW的電網而言，50 MW機組單機容量與37.5 MW機組單機容量的負荷調度靈活性均能滿足系統要求，基本無差別。

單臺機組故障對系統的影響：《接入系統設計報告》[4]在裝機方案中論述“從系統角度來看，2010年全疆電網已實現220 kV聯網，喀什克州電網220 kV目標網架基本實現，且喀什克州電網裝機容量近700 MW（不含下坂地電站裝機），電網網架較為堅強，下坂地電站采用單機50 MW機組，在故障情況下對電網的沖擊不會造成太大影響。因此，從系統角度考慮采用兩種裝機方案都是可行的。從經濟角度考慮，推薦采用3×50 MW方案。”

投資：電站投資主要由機組及附屬設備、電氣設備、土建、金屬結構等部分組成。本電站為地下式廠房，4臺機方案較3臺機除多一臺主機及附屬設備外，機電設備還要相應增加一套配電設備及變壓器，水工部分要多一條壓力鋼管（支管）、尾水管和母線洞室，主廠房和主變壓器室長度亦增加。參考廠家提供的設備尺寸和參數，進行裝機3臺、4臺2個方案的設計和計算，得出結論：50 MW×3臺機方案較37.5 MW×4臺機方案投資少2966萬元。

從以上分析看出，50 MW×3臺機方案比37.5 MW×4臺機方案優，因此選擇3臺機方案。

4 水輪機參數及機型選擇

4.1 水輪機型式及額定水頭選擇

電站水頭范圍155.76～214.80 m，屬中高水頭，在混流式水輪機使用水頭范圍內。選擇混流式水輪機。

水輪機額定水頭選擇:考慮水庫運行要滿足生態補水和春季灌溉的要求：在汛期蓄水，發電流量小，枯水期因下游用水需要下放流量大、發電多這一特點，以充分利用水量多發電，減少棄水，同時結合水輪機的特性，保證穩定、可靠、高效運行為準則，確定水輪機額定水頭為190 m。根據水頭保證率曲線，190 m水頭對應保證率為70%，即機組大部分時間可以發到額定出力。若降低額定水頭為180 m，則水輪機造價增加約4%，工程造價亦相應增加，而年發電量增加不到1‰，同時機組在出現概率較高的高水頭運行區域工況惡化，所以不予采用。電站出力加權平均水頭為194.33 m，通常額定水頭與加權平均水頭的比值應滿足0.9 ～1.0的范圍，而190/194.33=0.978，符合0.9 ～1.0的比值范圍。若提高額定水頭，不宜大于加權平均水頭194.33 m，提高的空間有限，且不能降低機組造價。通過經濟、技術分析比較，額定水頭選取190 m是合適的。

4.2 比轉速n s和比速系數K值選擇

采用經驗公式的方法，并對已投運的與本電站水頭相近的250 m水頭段混流式水輪機進行統計的方法，確定水輪機比轉速ns和比速系數K。

按國內外一些比轉速經驗公式計算下坂地電站水輪機比轉速ns和比速系數K見表1。

表1 按國內外經驗公式計算下坂地電站水輪機比轉速n s和比速系數K

通過對國內外已建成的250 m水頭段混流式水輪機的比轉速及比速系數進行統計，進一步了解國內外機組的參數水平，統計結果見表2。

表2 統計結果表

從上述經驗公式計算、電站建設統計資料來看，本電站比轉速ns應在130 ～160 m·kW之間，相應K值為1900 ～2200。經計算本電站的機組在比轉速130 ～160 m·kW范圍內對應有2個同步轉速：428.6 r/min和500 r/min，當采用同步轉速428.6 r/min時，相應的比轉速ns=138，比速系數K=1901；當采用同步轉速500 r/min時，相應的比轉速ns=161，比速系數K=2219。雖然比轉速ns=160 m·kW（相應比速系數K=2200）的方案參數高，達到國內先進水平，但考慮到近年在國內出現一些電站因片面追求高參數而忽略了穩定和汽蝕等問題，導致機組震動、汽蝕破壞嚴重，維修工作量增大，不能充分發揮效益的情況，考慮本電站位于邊疆地區，工業技術條件相對較差的實際情況，推薦采用比轉速ns=138 m·kW、相應比速系數K=1900、同步轉速為428.6 r/min的方案。

4.3 轉輪型號選擇

根據電站水頭參數，參考轉輪型譜和國內制造廠提供的模型轉輪資料，從中選出適用于本電站且性能較優的模型轉輪型號有HLA 691、HLA339、HLA575C、HLD247等，其模型參數見表3，相應的真機主要參數見表4。

表3 水輪機模型轉輪參數表

從表中可看出：HLA339轉輪效率偏低且吸出高度太大，予以舍去；HLA575C的額定水頭對應的單位轉速與其最優單位轉速相差較遠，也不予考慮；轉輪HLA691與HLD247相比，性能均較優，模型最高效率達到93%以上，為國內的先進水平,機組的額定工況點接近模型轉輪的最優工況，都可用于本電站。其中HLD247的參數水平比HLA691要高，前者單位轉速n10′=67 r/min，最大單位流量Q1′=631L/s，比轉速ns=159.4m·kW,比速系數K=2205；而后者n10′=63.5 r/min，Q1′=568 L/s，ns=141.3 m·kW,K=1840；HLA691機型采用的額定轉速為428.6 r/min，HLD247機型的額定轉速為500 r/min。從比轉速和比速系數來看，轉速428.6 r/min的方案略顯保守，而轉速500 r/min的方案較為先進。

表4 水輪機主要參數計算列表

雖然HLD247比HLA691具有效率高、汽蝕系數小、參數水平高、機組造價底等優點，但對于本電站來說長期穩定運行、減少維修工作量更為重要。對混流式水輪機而言，使用水頭越高，效率、穩定性、氣蝕性能等問題也越突出，轉速越高帶來的問題也增多，對生產制造的要求和運行管理水平的要求相應提高，檢修工作量增大。考慮到本電站運行水頭較高，水頭變幅較大，電站運行要結合供水和灌溉要求，在系統中承擔變化的負荷，同時地處高海拔邊遠地區，交通不便等諸多因素，從運行穩定可靠且減少維修工作量等角度考慮，選擇機組的目標參數不宜高，以運行穩定、性能可靠為主，推薦水輪機比速系數K值選用1900左右，相應比轉速為138 m·kW，同步轉速為428.6 r/min。即水輪機為HL138-LJ-205。

4.4 制造廠咨詢情況

通過向國內制造廠家進行咨詢，選擇參數先進、性能優良的轉輪進行比較。各制造廠推薦的轉輪參數見表5。

根據表5，天津阿爾斯通的轉輪HLFNXBD2和東方廠的轉輪HLD307C滿足我們推薦的參數指標，二者最高效率相當，均達到94.9%以上的較高水平，額定效率轉輪HLFNXBD2比HLD307C高一個百分點，但前者轉輪直徑較大，造價較高，而吸出高度較小的優點在地下廠房的電站中又表現不明顯。因此，推薦HLD307C轉輪作為設計參照使用。

HLD307C模型轉輪主要參數如下：

最優單位流量/（m3·s-1）：0.403

最優單位轉速/（r·min-1）：63.5

最高效率/（%）：93.9

最優工況汽蝕系數：0.03

限制工況單位流量/（m3·s-1）：0.558

限制工況效率/（%）：0.90