吉沙水電站機(jī)組型式及主要參數(shù)的選擇

鄭冬飛，李仕宏

（中國(guó)水電顧問集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)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(jī)”布置形式，總長(zhǎng)約15.5 km，引水線路采用全埋藏式布置，電站總裝機(jī)容量120 MW，裝有2臺(tái)60 MW的沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組。

1.2 電站主要參數(shù)

水庫(kù)正常蓄水位3 132.0 m，死水位3 123.0 m；下游設(shè)計(jì)尾水位 （半臺(tái)機(jī)發(fā)電）2 581.5 m，下游（滿發(fā)）尾水位2 582.5 m，下游設(shè)計(jì)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(jī)利用小時(shí)數(shù)4 763 h，壩址年平均含沙量為0.798 kg/m3，實(shí)測(cè)最大含沙量16 kg/m3，電站初期運(yùn)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(jī)機(jī)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(jī)型有沖擊式和混流式水輪機(jī)兩種。

結(jié)合電站實(shí)際情況，擬定兩臺(tái)60 MW沖擊式水輪機(jī)方案和兩臺(tái)60 MW混流式水輪機(jī)方案進(jìn)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(jī)為1986年投運(yùn)的奧地利豪依斯林水電站水輪機(jī) (Hmax=734 m，Nr=180 MW)；沖擊式水輪機(jī)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(jī)最高水平。根據(jù)有關(guān)機(jī)型資料的統(tǒng)計(jì)分析來(lái)看，國(guó)外知名廠商或國(guó)內(nèi)制造廠與國(guó)外廠商技術(shù)合作設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造500 m水頭段、單機(jī)容量60 MW的混流式水輪機(jī)和沖擊式水輪機(jī)在技術(shù)上都是可行的。

2.1.1 穩(wěn)定性

混流式水輪機(jī)流態(tài)復(fù)雜，發(fā)生振動(dòng)及運(yùn)行不穩(wěn)定的機(jī)率高，普遍存在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性問題，本電站由于埋深過大，達(dá)-13 m左右，難以實(shí)現(xiàn)靠自然補(bǔ)氣來(lái)保證機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，這是一個(gè)較為棘手的問題。沖擊式水輪機(jī)可采用切換噴嘴的辦法調(diào)節(jié)負(fù)荷，同時(shí)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(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)沖擊式水輪機(jī)穩(wěn)定性要明顯優(yōu)于混流式水輪機(jī)。

表1 吉沙水電站機(jī)型選擇參數(shù)比較

2.1.2 運(yùn)行維護(hù)

吉沙電站含沙量較高，水輪機(jī)泥沙磨損將比較嚴(yán)重。混流式水輪機(jī)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(jī)在含泥沙水流下運(yùn)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(duì)獨(dú)立，更換較方便。因此在運(yùn)行維護(hù)方面，沖擊式水輪機(jī)能較好的發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。而且，由于混流式水輪機(jī)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(huì)出現(xiàn)泥沙向尾水洞回淤現(xiàn)象，這將給電站運(yùn)行維護(hù)帶來(lái)困難。

2.1.3 水頭的利用

沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪需裝設(shè)在最高尾水位以上，會(huì)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(jī)組與混流式機(jī)組相比要減少約6 m水頭，但僅占額定水頭的1%左右，對(duì)電量的影響不大。

2.1.4 水輪機(jī)效率

從目前機(jī)組整個(gè)發(fā)展水平來(lái)看，混流式機(jī)組的最高效率要高于沖擊式水輪機(jī)。但是本電站額定水頭485 m，單機(jī)容量60 MW，采用混流式機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為750 r/min，其比轉(zhuǎn)速處在混流式機(jī)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(gè)水頭變化范圍內(nèi)，混流式水輪機(jī)與沖擊式水輪機(jī)的效率相差不大，針對(duì)本電站而言，沖擊式水輪機(jī)的效率可能要高一點(diǎn)。

2.1.5 其他方面

混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)速750 r/min，對(duì)應(yīng)的飛逸轉(zhuǎn)速比沖擊式水輪機(jī)高約370 r/min，且軸向水推力約1 250 kN，發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)難度較大，則宜選用沖擊式水輪機(jī)。目前國(guó)內(nèi)500 m水頭段混流式機(jī)組電站很少，為進(jìn)口轉(zhuǎn)輪，且無(wú)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

2.2 投資比較

2.2.1 機(jī)電設(shè)備投資

沖擊式機(jī)組方案比混流式機(jī)組方案同步轉(zhuǎn)速低3～4檔，單臺(tái)機(jī)組總質(zhì)量增大約100 t，但本電站采用的混流式機(jī)組發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速與飛逸轉(zhuǎn)速高，設(shè)計(jì)制造難度大一些，經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)招標(biāo)的類似電站的機(jī)組價(jià)格分析，該水頭段的混流式機(jī)組單價(jià)比沖擊式要高一些。通過分析，兩臺(tái)沖擊式機(jī)組方案 （進(jìn)口轉(zhuǎn)輪）機(jī)電設(shè)備投資比兩臺(tái)混流式機(jī)組方案 （進(jìn)口轉(zhuǎn)輪）要多近500萬(wàn)元。

2.2.2 土建投資

沖擊式機(jī)組廠房尺寸長(zhǎng)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(jī)組安裝高程約2 588.5 m，混流式機(jī)組比沖擊式機(jī)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(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，沖擊式水輪機(jī)折向器的作用調(diào)節(jié)性能較好，可適當(dāng)降低壓力管道和調(diào)壓室的設(shè)計(jì)等級(jí)和規(guī)模，綜合起來(lái)看，混流式機(jī)組增加的土建工程投資約500萬(wàn)元。

2.2.3 工程直接投資

兩種機(jī)組方案相差不大。同時(shí)還應(yīng)看到，對(duì)水頭500 m以上的混流式水輪機(jī)有成熟技術(shù)的公司在國(guó)內(nèi)、外也只有2～3家，這將給主機(jī)招標(biāo)帶來(lái)一定困難，機(jī)組招標(biāo)時(shí)報(bào)價(jià)缺乏可比性。

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

表2 國(guó)內(nèi)部分沖擊式水輪機(jī)主要參數(shù)

3 機(jī)組臺(tái)數(shù)和單機(jī)容量選擇

吉沙水電站裝機(jī)容量不大，機(jī)組臺(tái)數(shù)不宜過多。同時(shí)，考慮本電站機(jī)組以發(fā)電為主及設(shè)備運(yùn)行靈活性，電站裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)較高，不宜采用一臺(tái)機(jī)方案，否則機(jī)組檢修時(shí)，整個(gè)電站停機(jī)，造成電能浪費(fèi)。下面就根據(jù)電站裝機(jī)容量比較裝機(jī)2、3、4臺(tái)方案。

對(duì)于3臺(tái)機(jī)方案，當(dāng)前國(guó)內(nèi)幾大制造廠都沒有自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)過單機(jī)容量40 MW這么大容量的沖擊式水輪機(jī)，如果機(jī)組的關(guān)鍵部件采用進(jìn)口，其投資將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出國(guó)產(chǎn)4臺(tái)機(jī)方案投資和兩臺(tái)機(jī)組 （關(guān)鍵部件采用進(jìn)口）方案；廠房樞紐引起的投資差別不大，而且機(jī)組臺(tái)數(shù)為奇數(shù)，電氣主接線較復(fù)雜，電氣設(shè)計(jì)和設(shè)備運(yùn)行管理均較困難。下面對(duì)2臺(tái)機(jī)和4臺(tái)機(jī)方案進(jìn)行具體的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析。

表2統(tǒng)計(jì)了國(guó)內(nèi)部分沖擊式水輪機(jī)的主要參數(shù)，通過對(duì)當(dāng)時(shí)已運(yùn)行或在建的沖擊式水輪機(jī)業(yè)績(jī)進(jìn)行分析，其中2臺(tái)機(jī)方案即60 MW沖擊式水輪機(jī)組采用國(guó)外廠商合作的方式，即水輪機(jī)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵設(shè)備可采用分包，分包人完成水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并配套提供兩套水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、噴嘴、噴針等主要部件；對(duì)于4臺(tái)機(jī)方案30 MW沖擊式水輪機(jī)，國(guó)內(nèi)制造廠商可以根據(jù)自己的設(shè)計(jì)水平、生產(chǎn)制造經(jīng)驗(yàn)和近年來(lái)的科研成果，自行設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造，也可以與國(guó)外有經(jīng)驗(yàn)廠家合作共同設(shè)計(jì)生產(chǎn)。

2臺(tái)60 MW和4臺(tái)30 MW沖擊式機(jī)組方案比較見表3。

表3 吉沙水電站機(jī)組臺(tái)數(shù)比較（沖擊式機(jī)組方案）

由表3可以看出： 兩個(gè)方案的單噴嘴比轉(zhuǎn)速基本一致；2臺(tái)機(jī)方案的機(jī)組綜合效率略高于4臺(tái)機(jī)方案；兩者機(jī)組安裝高程基本一致，均可定為2 588.5 m，對(duì)水頭利用基本一致；2臺(tái)機(jī)方案運(yùn)行維護(hù)明顯優(yōu)于4臺(tái)機(jī)方案；2臺(tái)機(jī)方案與4臺(tái)機(jī)方案最大運(yùn)輸件均為變壓器，兩個(gè)方案的主變均為2臺(tái)，運(yùn)輸條件無(wú)差別。

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

從機(jī)組投資來(lái)看，4臺(tái)機(jī)方案機(jī)組總質(zhì)量比2臺(tái)機(jī)方案大300 t左右，兩臺(tái)機(jī)方案采用進(jìn)口轉(zhuǎn)輪、噴嘴和技術(shù)，水輪機(jī)制造單價(jià)要高，機(jī)組投資2臺(tái)機(jī)方案比4臺(tái)機(jī)方案要略高，考慮調(diào)速器、球閥及電氣設(shè)備等投資，2臺(tái)機(jī)方案機(jī)電設(shè)備投資比4臺(tái)機(jī)方案要略省。綜合機(jī)電、土建總投資，2臺(tái)機(jī)方案比4臺(tái)機(jī)方案要省490萬(wàn)元左右。

綜合考慮，推薦裝設(shè)2臺(tái)機(jī)組方案。

4 水輪機(jī)參數(shù)選擇

4.1 比轉(zhuǎn)速及機(jī)組轉(zhuǎn)速選擇

從沖擊式水輪機(jī)單噴嘴比轉(zhuǎn)速選擇的統(tǒng)計(jì)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(guó)內(nèi)、外的制造水平存在一定差距，在沖擊式機(jī)組設(shè)計(jì)時(shí)比轉(zhuǎn)速的選擇也有一定差距。由收集到的資料，最近由國(guó)內(nèi)生產(chǎn)制造的老撾南夢(mèng)3電站水輪機(jī)，額定水頭518 m，其單噴嘴比轉(zhuǎn)速14.56（m·kW制）；引進(jìn)國(guó)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(jìn)轉(zhuǎn)輪比轉(zhuǎn)速取值17.5（m·kW制）左右，對(duì)應(yīng)的機(jī)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(jī)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(jī)比轉(zhuǎn)速。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)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(jī)容量分析，對(duì)于單機(jī)60 MW方案，從運(yùn)行調(diào)節(jié)負(fù)荷的靈活性和穩(wěn)定性來(lái)看，宜選6噴嘴；從轉(zhuǎn)輪空化磨損及運(yùn)行維護(hù)來(lái)看，宜選5噴嘴。以上兩種噴嘴數(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，也均有運(yùn)行業(yè)績(jī)，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(jī)效率及考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，通常優(yōu)選Z0=18～22。

5 結(jié)語(yǔ)

吉沙水電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)時(shí)，國(guó)內(nèi)已投運(yùn)或在建的容量較大的沖擊式水輪機(jī)還較少。通過合理地選擇水輪機(jī)型式及主要參數(shù)，保證了機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。吉沙水電站沖擊式機(jī)組的選型設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)以后的類似工程具有一定的借鑒意義。