河南省出山店水電站水輪發電機組選擇研究

秦鐘建

（中水淮河規劃設計研究有限公司 合肥 230601）

1 工程概況

河南省出山店水庫位于河南省信陽市游河鄉出山店村附近，壩址在京廣鐵路以西14km 的淮河干流上，距信陽市約15km，是一座以防洪為主，結合供水、灌溉并兼顧發電等綜合利用的大型水利樞紐工程。電站總裝機2900kW，多年平均發電量約757萬kW·h，年平均利用小時數約2609 h。電站建成后向電網供電，不擔任電網系統中的調峰任務。

2 電站基本參數

2.1 氣象條件

最高氣溫 41.1℃

最低氣溫 -20.3℃

多年平均氣溫 15℃

2.2 特征水位

水庫正常蓄水位 88.00m

水庫死水位 84.00m

水庫校核洪水位 98.12m

水庫設計洪水位 95.78m

下游校核洪水位 84.30m

下游設計洪水位 82.85m

電站最低尾水位 74.08m

電站設計尾水位 74.91m

2.3 電站水頭

最大水頭 12.72m

最小水頭 8.72m

平均水頭 11.13m

3 水輪機選擇

3.1 額定水頭選擇

水輪機額定水頭的選擇涉及水能利用、機組穩定運行、工程投資及經濟效益等多種因素。出山店水庫具有一定的庫容調節能力，因此采用等于電站平均水頭的簡化方法確定水輪機的額定水頭，即電站水輪機的額定水頭確定為11.13m。

3.2 機組臺數選擇

機組臺數的選擇綜合考慮電站適應生態期流放水和洪水期棄水不同運行期間電站水輪機出力變化調節、低水頭時機組受阻容量盡可能小、工程投資節省及能夠充分發揮工程效益等因素，出山店水電站采用安裝1 臺400kW 機組用于生態基流放水時發電和2 臺1250kW 機組用于洪水期棄水發電“一小兩大”的設計方案。

圖1 出山店水電站ZDJP502-LH -160 機組剖面圖

3.3 機組型式選擇

3.3.1 軸流式水輪機

軸流式水輪機用于開發低水頭，較大流量的水力資源，在我國的大中小型低水頭水電站也有著廣泛的應用。該機組具有結構簡單、運行可靠、檢修方便及造價低等特點。如安徽省牛角沖水電站、甘肅省清水水電站等工程采用的立軸軸流定槳式水輪機機組。

經適應出山店電站運行水頭范圍內的多個轉輪水力模型的比選，出山店電站選用JP502 轉輪。該轉輪是中國水利水電科學院借鑒軸流轉槳式轉輪的設計方法和成果，充分利用定槳式轉輪的特點設計開發轉輪，具有最優效率高、高效率運行區范圍寬、空化性能好等綜合性能優異的特點，并已應用于多座小型軸流定槳式水電站且收效顯著[1]。

出山店水電站大機組立軸式水輪機組立剖面如圖1 所示。

3.3.2 軸伸式

適合出山店電站水頭范圍的有燈泡式、軸伸式、豎井式及全貫流式等多種型式的水輪機。由于出山店電站單機容量小，不適合采用燈泡貫流式，而采用軸伸貫流式水輪機。

軸伸貫流式水輪機是針對開發低水頭水力資源并提高利用率而研究開發的，軸伸貫流式水輪機流道由進水管、座環、錐形導水機構、轉輪室、尾水錐管和“S” 形尾水肘管及尾水渠組成。水流能平行于水輪機軸流向轉輪，均勻地引入錐形導水機構和轉輪室，并高效地轉化為水輪機的機械能。國內成功研制出能基本覆蓋軸伸貫流式水輪機使用范圍且具有優良水力特性GZ006、GZ007 和GZ008 等系列的水力模型，該系列轉輪應用于江西上羅水電站、南平沙溪口水電站及廣東蘇拱水電站等工程[4，5]。GZ007 軸伸貫流式水力模型適合出山店電站使用，出山店水電站大機組軸伸貫流式水輪機組立剖面如圖2 所示。

3.3.3 方案比較

圖2 出山店水電站GD007-WZ-160 機組剖面圖

表1 JP502 和GZ007 模型轉輪主要參數表

根據軸流式和軸伸貫流式兩種水輪機型式比較，出山店電站所用JP502 和GZ007 水力模型最優工況點參數見表1，根據模型綜合特性曲線計算電站大小機組的主要參數見表2。

由表1 可以看出：JP502 轉輪效率高、單位流量大、臨界空化系數小及GZ007 單位轉速稍高的特點。

根據模型參數確定電站大小機組的主要參數由表2 可看出：軸流式機組與軸伸貫流機組相比，主要特點有：大機組ZDJP502-LH-160 和GD007-WZ-160 的轉輪直徑和額定轉速參數相同；小機組ZDJP502-LH-90 和GD007-WZ-100 的額定轉速相同，但前者轉輪直徑小于后者；軸流式機組的在設計工況點的效率稍低于軸伸貫流式機組；前者安裝高程高于后者、前者廠房寬度小于后者，軸流式機組有利于減少工程開挖量、有利于在大壩后側布置電站主廠房和副廠房及減少工程投資等特點。

表2 JP502 和GZ007 水輪機原型參數比較表

表3 電站大、小水輪發電機組主要參數表

綜合考慮河南省出山店水庫的總體布置及電站特點，出山店水電站選用“一小兩大”定槳軸流式水輪機組。

4 選定方案機組參數

出山店電站水輪發電機組參數如表3。

5 結語

通過軸流式與軸伸貫流式兩種型式水輪機組的綜合比較后，出山店水電站采用高效率軸流定槳式水輪機發電機組，在滿足工程設計要求的同時節省了工程投資并能充分發揮水電站的經濟效益。

JP502 軸流定槳式水輪機轉輪具有較高的效率和過流能力，其部分特性達到或超過軸伸貫流式水輪機，該水力模型在出山店工程中的應用為新建或更新改造的低水頭中小型水電站提供更多設計參考方案■