徑流式開發水電站水輪機選型探討

胡安江·居努斯

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830001）

1 概述

新疆境內絕大多數河流都發源于三大山脈（阿勒泰山、天山、昆侖山）的冰川地帶，山區雪線以上終年積雪，并有冰川發育，其徑流的補給方式以冰川積雪融水補給為主，降雨補給為輔，地下水補給次之的混合型補給。河源區分布著冰川和永久性積雪，相當于一座固體水庫，對徑流起著多年調節作用，加之夏季融水與降雨之間的相互補償作用，使得河流的徑流年際變化較小，徑流年內分布很不均勻。

疆內眾多河流之一的喀什河多年平均流量102.81 m3/s，多年平均徑流量 32.44×108m3，豐水期大概為 5～9月，6～8月水量占全年的 56.1%，5～9月水量占全年的76.9%，1～3月水量占全年的6.6%，10～12月水量占全年的11.0%，枯水期大概為10～4月，這一時期水量約占全年的23.1%，其中12～2月水量最枯，這一時期水量約占全年的7.01%。

TSY水電站建設河流段，該河實測最大月平均流量為396 m3/s，最小月平均流量為 18.8 m3/s，最大、最小月平均流量之比高達 21.06，該河流段多年平均徑流年內分配見表1。

表1 多年平均徑流量年內分配表

2 選型設計

2.1 電站基本參數

TSY水電站為喀什河上游梯級開發的徑流式電站，電站上游沒有控制性具有調節性能的水利設施，水電站保證出力為5.26 MW，裝機容量80 MW，多年平均年發電量為2.80億kW·h，裝機年利用小時數3 500 h，電站最大水頭67 m，最小水頭62.40 m，水頭變幅較小，電量加權平均水頭為64.53 m，根據水輪機適用水頭范圍，選用立軸混流式水輪機。

2.2 機組臺數和單機容量的確定

常規水電站在水輪發電機組選型時，為了有利于工程設計和設備制造、運行管理、維護檢修、備品備件的種類和數量、節省投資、降低成本，一般一座電站幾臺機組都選擇同型號、同規格的機組。季節性流量變化不大的河流，水電站單機流量大于或接近河流最小月平均流量。喀什河多年平均徑流量，年內徑流隨季節變化懸殊，豐水期流量是冬季枯水期流量的幾十倍。

本電站裝機容量為80 MW，占系統比重不大，考慮到冬季和夏季來水量變幅比較大，而且電站保證出力較小，可研階段結合河流特性，兼顧混流式機組不宜在40%額定負荷以下運行等情況，從機組運行的靈活性、電站在電力系統中的作用及機組穩定運行等方面考慮，初擬機組臺數為3臺（2大1小和1大2小機組）、4臺、6臺4個方案，其單機容量分別為 1×10 MW+2×35 MW（方案 1）、2×10 MW+1×60 MW（方案 2）、2×10 MW+2×30 MW（方案 3）和 6×13.4 MW（方案 4）。

TSY水電站是以發電為主的徑流式水電站，在電力系統中承擔基荷任務,機組臺數的確定應考慮單機容量占系統比重，機組運行方式，電站樞紐布置，機組制造水平等因素，通過技術經濟比較確定。

根據電站發電引水流量情況對電站裝機3臺（2大1小和1大2小機組）、4臺、6臺機組共4個方案進行了詳細的技術經濟比較，TSY水電站裝機臺數、單機容量、主要技術參數和經濟指標見表2機組臺數比較表。

表2 TSY水電站機組臺數比較表

根據表2的分析，結合圖1可以得出以下結論：

（1）3臺（2大1小機組）裝機方案，機電設備投資和總投資較低，機組運行靈活性最差，冬季枯水期小機組運行時間較長，而且大、小機組流量銜接不順暢。

（2）3臺（1大2小機組）裝機方案，機電設備投資最低，土建投資和總投資較低，但機組運行靈活性差，而且大、小機組流量銜接不順暢，大機組偏大，部分負荷運行效率偏低。

（3）4臺裝機方案，機電設備投資與3臺機方案相當，總投資最低；機組運行靈活性好，基本上根據引水量多少可以發多少電，發電效率高，冬季枯水期能更好的保證機組安全、穩定運行，機組布置和互換性好，但廠房布置尺寸比3臺裝機方案增大，安裝工期較長。

（4）6臺機方案可以充分利用冬季枯水期流量，機組運行靈活性好，機組互換性最好，運行管理較方便等優點，但存在機組臺數多，廠房長度較大，機電設備和土建投資明顯增加，總投資最大等缺點。

綜合上述分析比較，考慮流域梯級開發情況、水工建筑物布置要求、電氣設備布置要求和發電引水流量情況等，推薦裝設4臺（2×10+2×30 MW）機組方案的水輪發電機組。

圖1 TSY水電站發電引水流量～保證率曲線

2.3 機組主要參數

電站以發電為主，運行水頭范圍62.40～67.00 m，采用混流式水輪機，立軸，金屬蝸殼，通過招標階段與設備制造廠家充分協商一致，最后確定的水輪機基本技術參數如表3：

表3 水輪機基本技術參數

旋轉方向：從發電機端向下看為順時針旋轉。

目前TSY水電站已投入運行2年，機組各運行指標良好，充分發揮大、小機組合理搭配運行的優勢，對新疆經濟社會發展提供優質清潔的電能。

3 結束語

沒有調節性能的徑流式水電站，結合電站自身特點，通過大、小機組合理搭配的選型設計，根據不同季節河流來水量不同，投入不同的機組組合，使電站在較大流量范圍內均高效、穩定運行，可以提高電站的發電效益和水能利用率，對機組選型階段有借鑒價值。

TSY水電站已投入運行幾年，向北疆地區持續不斷提供大量廉價潔凈的電能，對促進新疆經濟社會發展，提高新疆各族人民生活水平，實現全面建成小康社會發揮著積極作用。