吉沙水電站機組型式及主要參數(shù)的選擇

鄭冬飛，李仕宏

（中國水電顧問集團北京勘測設(shè)計研究院，北京 100024）

1 工程概況及電站主要參數(shù)

1.1 工程概況

吉沙水電站位于云南省迪慶藏族自治州香格里拉縣境內(nèi)，以發(fā)電為主，采用引水式開發(fā)，引水系統(tǒng)采用 “一洞一井一管二機”布置形式，總長約15.5 km，引水線路采用全埋藏式布置，電站總裝機容量120 MW，裝有2臺60 MW的沖擊式水輪發(fā)電機組。

1.2 電站主要參數(shù)

水庫正常蓄水位3 132.0 m，死水位3 123.0 m；下游設(shè)計尾水位 （半臺機發(fā)電）2 581.5 m，下游（滿發(fā)）尾水位2 582.5 m，下游設(shè)計尾水洪水位（P=2.0%）2 584.15 m，最大水頭539.88 m，最小水頭480.66 m，額定水頭485.0 m，加權(quán)平均水頭為517.70 m；保證出力58 MW，裝機利用小時數(shù)4 763 h，壩址年平均含沙量為0.798 kg/m3，實測最大含沙量16 kg/m3，電站初期運行懸移質(zhì)泥沙年平均含沙量在0.65 kg/m3左右，中值粒徑為0.018 mm，平均粒徑為0.087 mm。

2 水輪機機型選擇

吉沙水電站屬于高水頭中型水電站，水頭范圍內(nèi)適用的機型有沖擊式和混流式水輪機兩種。

結(jié)合電站實際情況，擬定兩臺60 MW沖擊式水輪機方案和兩臺60 MW混流式水輪機方案進行綜合性能比較，詳見表1。

2.1 技術(shù)比較

據(jù)掌握的資料可知，目前世界上使用水頭最高的混流式水輪機為1986年投運的奧地利豪依斯林水電站水輪機 (Hmax=734 m，Nr=180 MW)；沖擊式水輪機以瑞士畢奧德隆水電站 (Hmax=1 869 m，Nr=423 MW)為代表，其水頭和容量均為目前沖擊式水輪機最高水平。根據(jù)有關(guān)機型資料的統(tǒng)計分析來看，國外知名廠商或國內(nèi)制造廠與國外廠商技術(shù)合作設(shè)計、生產(chǎn)制造500 m水頭段、單機容量60 MW的混流式水輪機和沖擊式水輪機在技術(shù)上都是可行的。

2.1.1 穩(wěn)定性

混流式水輪機流態(tài)復(fù)雜，發(fā)生振動及運行不穩(wěn)定的機率高，普遍存在部分負荷運行時的穩(wěn)定性問題，本電站由于埋深過大，達-13 m左右，難以實現(xiàn)靠自然補氣來保證機組運行穩(wěn)定，這是一個較為棘手的問題。沖擊式水輪機可采用切換噴嘴的辦法調(diào)節(jié)負荷，同時本電站水頭變幅不大，也不存在因水頭變化而造成其效率陡變的情況，因此，在整個運行范圍內(nèi)沖擊式水輪機穩(wěn)定性要明顯優(yōu)于混流式水輪機。

表1 吉沙水電站機型選擇參數(shù)比較

2.1.2 運行維護

吉沙電站含沙量較高，水輪機泥沙磨損將比較嚴重?；炝魇剿啓C過流部件受泥沙磨損影響后更換不方便，檢修工作量大，而沖擊式水輪機在含泥沙水流下運行，噴針頭、噴嘴口環(huán)及水斗分水刃的磨損也非常劇烈，但這些部件相對獨立，更換較方便。因此在運行維護方面，沖擊式水輪機能較好的發(fā)揮其優(yōu)勢。而且，由于混流式水輪機埋深大，其尾水管出口比尾水出口處碩多崗河低很多，其尾水流道坡度為1∶3左右，再加上河流泥沙較多，可能會出現(xiàn)泥沙向尾水洞回淤現(xiàn)象，這將給電站運行維護帶來困難。

2.1.3 水頭的利用

沖擊式水輪機轉(zhuǎn)輪需裝設(shè)在最高尾水位以上，會引起水頭利用不充分并造成一定電量損失，不利于下游水位變幅大的電站。本電站下游水位變幅較小，其排出高度為4.35 m，選擇沖擊式機組與混流式機組相比要減少約6 m水頭，但僅占額定水頭的1%左右，對電量的影響不大。

2.1.4 水輪機效率

從目前機組整個發(fā)展水平來看，混流式機組的最高效率要高于沖擊式水輪機。但是本電站額定水頭485 m，單機容量60 MW，采用混流式機組額定轉(zhuǎn)速為750 r/min，其比轉(zhuǎn)速處在混流式機組比轉(zhuǎn)速范圍的下限，通過資料分析，最高效率約91%左右，且高效率區(qū)較小，整個水頭變化范圍內(nèi)，混流式水輪機與沖擊式水輪機的效率相差不大，針對本電站而言，沖擊式水輪機的效率可能要高一點。

2.1.5 其他方面

混流式水輪機轉(zhuǎn)速750 r/min，對應(yīng)的飛逸轉(zhuǎn)速比沖擊式水輪機高約370 r/min，且軸向水推力約1 250 kN，發(fā)電機設(shè)計難度較大，則宜選用沖擊式水輪機。目前國內(nèi)500 m水頭段混流式機組電站很少，為進口轉(zhuǎn)輪，且無運行經(jīng)驗。

2.2 投資比較

2.2.1 機電設(shè)備投資

沖擊式機組方案比混流式機組方案同步轉(zhuǎn)速低3～4檔，單臺機組總質(zhì)量增大約100 t，但本電站采用的混流式機組發(fā)電機額定轉(zhuǎn)速與飛逸轉(zhuǎn)速高，設(shè)計制造難度大一些，經(jīng)對國內(nèi)招標的類似電站的機組價格分析，該水頭段的混流式機組單價比沖擊式要高一些。通過分析，兩臺沖擊式機組方案 （進口轉(zhuǎn)輪）機電設(shè)備投資比兩臺混流式機組方案 （進口轉(zhuǎn)輪）要多近500萬元。

2.2.2 土建投資

沖擊式機組廠房尺寸長度和跨度都要大一些，由于采用地面廠房布置方案，布置廠房的花椒坡村地形較為開闊、平緩，廠房尺寸增大增加的土建工程量有限；本電站海拔較高，沖擊式機組安裝高程約2 588.5 m，混流式機組比沖擊式機組安裝高程低15 m左右，增加廠房開挖深度及尾水渠的開挖；另一方面機組甩負荷時，沖擊式水輪機折向器的作用調(diào)節(jié)性能較好，可適當降低壓力管道和調(diào)壓室的設(shè)計等級和規(guī)模，綜合起來看，混流式機組增加的土建工程投資約500萬元。

2.2.3 工程直接投資

兩種機組方案相差不大。同時還應(yīng)看到，對水頭500 m以上的混流式水輪機有成熟技術(shù)的公司在國內(nèi)、外也只有2～3家，這將給主機招標帶來一定困難，機組招標時報價缺乏可比性。

綜上所述，考慮到500 m水頭段沖擊式機型技術(shù)較為成熟，生產(chǎn)廠家較多，有利于將來機組招標采購，并且電站的樞紐布置、機組運行維護方便等因素，推薦選用沖擊式水輪機。

表2 國內(nèi)部分沖擊式水輪機主要參數(shù)

3 機組臺數(shù)和單機容量選擇

吉沙水電站裝機容量不大，機組臺數(shù)不宜過多。同時，考慮本電站機組以發(fā)電為主及設(shè)備運行靈活性，電站裝機利用小時數(shù)較高，不宜采用一臺機方案，否則機組檢修時，整個電站停機，造成電能浪費。下面就根據(jù)電站裝機容量比較裝機2、3、4臺方案。

對于3臺機方案，當前國內(nèi)幾大制造廠都沒有自行設(shè)計生產(chǎn)過單機容量40 MW這么大容量的沖擊式水輪機，如果機組的關(guān)鍵部件采用進口，其投資將遠遠高出國產(chǎn)4臺機方案投資和兩臺機組 （關(guān)鍵部件采用進口）方案；廠房樞紐引起的投資差別不大，而且機組臺數(shù)為奇數(shù)，電氣主接線較復(fù)雜，電氣設(shè)計和設(shè)備運行管理均較困難。下面對2臺機和4臺機方案進行具體的技術(shù)經(jīng)濟比較分析。

表2統(tǒng)計了國內(nèi)部分沖擊式水輪機的主要參數(shù)，通過對當時已運行或在建的沖擊式水輪機業(yè)績進行分析，其中2臺機方案即60 MW沖擊式水輪機組采用國外廠商合作的方式，即水輪機設(shè)計和關(guān)鍵設(shè)備可采用分包，分包人完成水輪機的水力設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計，并配套提供兩套水輪機轉(zhuǎn)輪、噴嘴、噴針等主要部件；對于4臺機方案30 MW沖擊式水輪機，國內(nèi)制造廠商可以根據(jù)自己的設(shè)計水平、生產(chǎn)制造經(jīng)驗和近年來的科研成果，自行設(shè)計生產(chǎn)制造，也可以與國外有經(jīng)驗廠家合作共同設(shè)計生產(chǎn)。

2臺60 MW和4臺30 MW沖擊式機組方案比較見表3。

表3 吉沙水電站機組臺數(shù)比較（沖擊式機組方案）

由表3可以看出： 兩個方案的單噴嘴比轉(zhuǎn)速基本一致；2臺機方案的機組綜合效率略高于4臺機方案；兩者機組安裝高程基本一致，均可定為2 588.5 m，對水頭利用基本一致；2臺機方案運行維護明顯優(yōu)于4臺機方案；2臺機方案與4臺機方案最大運輸件均為變壓器，兩個方案的主變均為2臺，運輸條件無差別。

綜上所述，單機容量30 MW和60 MW的沖擊式水輪機在技術(shù)上都是可行的。

從機組投資來看，4臺機方案機組總質(zhì)量比2臺機方案大300 t左右，兩臺機方案采用進口轉(zhuǎn)輪、噴嘴和技術(shù)，水輪機制造單價要高，機組投資2臺機方案比4臺機方案要略高，考慮調(diào)速器、球閥及電氣設(shè)備等投資，2臺機方案機電設(shè)備投資比4臺機方案要略省。綜合機電、土建總投資，2臺機方案比4臺機方案要省490萬元左右。

綜合考慮，推薦裝設(shè)2臺機組方案。

4 水輪機參數(shù)選擇

4.1 比轉(zhuǎn)速及機組轉(zhuǎn)速選擇

從沖擊式水輪機單噴嘴比轉(zhuǎn)速選擇的統(tǒng)計可以看出，500 m水頭段的單噴嘴比轉(zhuǎn)速在16～22（m·kW制）之間。國內(nèi)、外的制造水平存在一定差距，在沖擊式機組設(shè)計時比轉(zhuǎn)速的選擇也有一定差距。由收集到的資料，最近由國內(nèi)生產(chǎn)制造的老撾南夢3電站水輪機，額定水頭518 m，其單噴嘴比轉(zhuǎn)速14.56（m·kW制）；引進國外轉(zhuǎn)輪和技術(shù)的云南高橋電站，額定水頭555 m，其單噴嘴比轉(zhuǎn)速19.29（m·kW制）。最終吉沙水電站引進轉(zhuǎn)輪比轉(zhuǎn)速取值17.5（m·kW制）左右，對應(yīng)的機組轉(zhuǎn)速為428.6 r/min。

4.2 直徑比m分析

為獲得較高的水輪機效率及改善水斗受力條件，工作水頭越高，則轉(zhuǎn)輪直徑與噴嘴直徑的比 （m=D1/d0）越大，但降低了水輪機比轉(zhuǎn)速。根據(jù)經(jīng)驗及統(tǒng)計分析，500 m水頭段的m值在11～13。

4.3 噴嘴數(shù)選擇

增加噴嘴數(shù)可提高比轉(zhuǎn)速，減少投資，但受到空化磨損及結(jié)構(gòu)尺寸的限制，根據(jù)本電站水頭范圍及單機容量分析，對于單機60 MW方案，從運行調(diào)節(jié)負荷的靈活性和穩(wěn)定性來看，宜選6噴嘴；從轉(zhuǎn)輪空化磨損及運行維護來看，宜選5噴嘴。以上兩種噴嘴數(shù)各有優(yōu)缺點，也均有運行業(yè)績，均可采用。

4.4 水斗數(shù)選擇

水斗數(shù)與水能參數(shù)、水斗型線、噴嘴數(shù)、結(jié)構(gòu)和制造廠的工藝水平等因素有關(guān)，為獲得較高的水輪機效率及考慮結(jié)構(gòu)強度，通常優(yōu)選Z0=18～22。

5 結(jié)語

吉沙水電站水輪機選型設(shè)計時，國內(nèi)已投運或在建的容量較大的沖擊式水輪機還較少。通過合理地選擇水輪機型式及主要參數(shù)，保證了機組的穩(wěn)定運行。吉沙水電站沖擊式機組的選型設(shè)計經(jīng)驗對以后的類似工程具有一定的借鑒意義。