高水頭水電站水輪機選型設計研究

岑 美 陳大明 郭 燕

(1.四川廣播電視大學，四川 成都 610072； 2.四川省清源工程咨詢有限公司，四川 成都 610072)

·機械與設備·

高水頭水電站水輪機選型設計研究

岑 美1陳大明2郭 燕1

(1.四川廣播電視大學，四川 成都 610072； 2.四川省清源工程咨詢有限公司，四川 成都 610072)

結合工程實例，介紹了高水頭水電站的水輪機選型過程，并采用綜合指標評價法，列出了不同的影響評價指標，綜合各指標的影響程度，最終確定了水輪機機組的設計方案，為高水頭水電站的水輪機選型設計提供了設計思路。

高水頭，水輪機，選型設計，評價指標

水頭大于200 m的水電站通常稱為高水頭水電站，高水頭水電站的水庫通常不具備調節能力或調節能力較低，上下游水位相對穩定，水頭變化幅度相對較小，出力和發電量基本取決于來水量。當前高水頭水電站常用的水輪機為混流式和沖擊式，大、中型混流式水輪機的應用范圍為20 m～450 m，可逆式的混流式水輪機應用水頭可達700 m；水斗式水輪機是沖擊式水輪機中應用最廣泛的一種機型，應用水頭范圍可達300 m～2 000 m。

1 電站概況

某水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內，電站采用引水式開發，地下廠房，閘、廠址相距約17 km。電站總裝機容量220 MW，多年平均發電量9.26億kW·h/10.272億kW·h(單獨/聯合運行)，年利用小時數4 209 h/4 669 h(單獨/聯合)，電站引用流量42.8 m3/s，具有日調節能力。該水電站為單一的發電工程，無防洪、航運、供水等綜合利用要求。電站水頭參數：最大水頭631.9 m/631.0 m(單獨/聯合)、加權平均水頭616.1 m/617.9 m(單獨/聯合)、額定水頭605.4 m、最小水頭605.4 m。電站泥沙特性：多年平均含沙量924 g/m3、多年汛期(6月～9月)平均含沙量1 460 g/m3、最大粒徑1.0 mm、中數粒徑0.011 mm、粒徑大于0.1 mm沙重占5.6%；年平均過機含沙量520 g/m3、汛期(6月～10月)過機含沙量762 g/m3、最大過機粒徑0.1 mm、中數過機粒徑0.017 5 mm。

2 擬定水輪機機型比選方案

適合本電站水頭的水輪機機型有混流式和水斗式。對于混流式水輪機，可供選擇的機組臺數有2臺、3臺和4臺，若采用4臺機方案，單機容量僅為55 MW、容量相對偏小，且額定轉速為1 000 r/min，機組尺寸小，設計、制造、運行維護均較困難，投資、年運行維護費用也較大，4臺混流式水輪機方案不宜推薦，混流式機組僅對2臺和3臺機方案進行比較。對于水斗式水輪機，因可切換噴嘴以1個～6個噴嘴運行，穩定出力范圍在10%～100%額定出力之間，2臺機方案完全滿足電站運行要求。

擬定水輪機機型比較方案：2臺水斗式、2臺混流式和3臺混流式。不同方案的技術參數見表1。

3 綜合比較分析比選方案

結合電站具體情況和水輪機機型綜合比較表(見表1)，對水輪機機型方案進行綜合比較分析。

3.1 水輪機運行性能影響分析

機組穩定運行方面，電站按規范規定配置2臺混流式、3臺混流式和2臺水斗式方案機組可以保證穩定出力調節范圍分別為49.5 MW～110 MW，32.985 MW～73.3 MW和11 MW～110 MW。枯水年電站枯期平均出力28.5 MW，且電站水庫為日調節水庫、調節庫容較小，運行中有可能要求更低的電站出力。2臺混流式方案無法滿足電站枯水期的出力要求，3臺混流式方案基本滿足要求，2臺水斗式方案完全滿足低出力的要求。其次，水斗式水輪機的穩定運行區域較寬廣，可在10%～100%額定出力范圍內長期連續穩定運行，大大優于混流式45%～100%額定出力的穩定運行區。另外，混流式機組方案的允許吸出高度較低，較低的吸出高度對水輪機在防抬機設計、尾水管補氣設計等方面都提出了特殊的要求，影響機組在高尾水位下穩定運行。

表1 水輪機機型綜合比較表

水輪機運行效率方面，水斗式水輪機的運行效率低于混流式1%～2%，但水斗式水輪機可根據出力變化切換噴嘴數從單噴嘴到多噴嘴穩定運行，使其在不同出力下始終保持較高效率，通常在60%額定出力以下的較低負荷區運行時水斗式水輪機效率高于混流式。

3.2 電站投資影響分析

壓力鋼管投資影響：混流式機組方案電站最大水頭642.2 m、調節保證計算壓力升高值790 m，水斗式機組方案電站最大水頭631.9 m、調節保證計算壓力升高值705 m。混流式機組方案的最大水頭和壓力上升值均高于水斗式機組方案，電站水頭壓力大、壓力鋼管承受的壓力值大，將增加壓力鋼管的投資。

機組設備投資影響：混流式水輪機轉速高于水斗式，轉速高、重量輕、可減小水輪機及發電機的尺寸。機組投資方面，混流式機組方案為11 160萬元(2臺機)、11 680萬元(3臺機)，水斗式機組方案為13 000萬元，選用混流式機組方案可減少機電設備投資。

電站總投資影響：混流式機組方案較低的吸出高度將使水輪機機組的安裝高程較低，地下廠房水下開挖較深，土建工程量及工作難度較大。其次，水斗式機組方案的地下廠房水下開挖工程量很小、施工容易，且水斗式水輪機轉輪位于最高尾水位以上，可簡化廠房排水設施，減少電站總投資。由表1可知，電站靜態總投資和單位電能投資水斗式機組方案最少。

機組運行維護費用影響：電站的過機泥沙含量和大硬度過機泥沙均較大，如采用混流式機組，要保證5年大修間隔周期難度大，花費的人力、物力及損失電量遠大于水斗式機組。而水斗式機組方案，在結構上過流部件和密封部件較少，易磨損的噴針頭、噴嘴口環及水斗分水刃相對獨立，更換方便(有備件的情況下，1 d～2 d即可完成)，有利于縮短機組檢修時間。因此，水斗式機組方案可減少運行維護成本、工期和檢修損失電量。

4 確定水輪機機型

表2 水輪機選型評價指標分析表

影響水輪機選型設計的因素較多，如何權衡所有影響因素確定機組方案，采用綜合評價指標法分析各影響因素。首先，從水輪機自身運行性能和電站投資影響程度兩大方面分析，列出影響水輪機選型設計的評價指標：機組穩定性、機組高效率運行范圍、機組設備投資、電站靜態總投資、機組運行維護費用。其次，比較分析不同機組方案各評價指標的影響程度，列出水輪機選型評價指標分析表，見表2。由表2可知，水斗式機組方案在水輪機運行性能方面較混流式機組方案好，在電站投資方面較混流式機組方案小，因此電站推薦采用2臺水斗式機組方案。

5 結語

高水頭水電站具有水頭高、水頭變幅小、引用流量小的特點。如何擬定適合高水頭水電站的水輪機機型，首先根據電站的具體情況初步擬定水輪機機型比較方案；其次，從水輪機的自身運行性能和電站的投資影響程度兩大方面進行綜合比較分析；再次，在綜合分析的基礎上采用綜合指標評價法，將影響因素列為不同的評價指標，按不同指標的評價準則對各機組方案進行評價；最后權衡各指標影響程度，最終確定水輪機機型。

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Research on hydraulic turbine type design of the high-head hydropower station

Cen Mei1Chen Daming2Guo Yan1

(1.SichuanRadioandTVUniversity，Chengdu610072，China； 2.SichuanQingyuanEngineeringConsultingCo.,Ltd,Chengdu610072，China)

This paper introduces the design process of hydraulic turbine type selection of the high-head hydropower station with a specific engineering example, and using the method of comprehensive evaluation index. List the evaluation index of hydraulic turbine, comprehensive the influence degree of each index, determine the scheme of the hydraulic turbine finally. This paper provides the design method for the hydraulic turbine type design of the high-head hydropower station.

high-head, hydraulic turbine, type design, evaluation index

1009-6825(2017)03-0219-02

2016-11-11

岑 美(1982- )，女，碩士，講師

TV531

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