溫泉水電站水輪機選型初步計算

2021-08-16 09:26:54李陽

小水電 2021年4期

李陽

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊 830000)

1 電站概況

溫泉水利樞紐工程是卡普斯浪河上的控制性工程，水庫正常蓄水位1 900 m，正常蓄水位相應庫容4 772萬m3，死水位1 855 m，死庫容567萬m3，興利庫容4 205萬m3，設計洪水位1 900.0 m，校核洪水位1 901.9 m，總庫容5 082萬m3。電站裝機容量24 MW，多年平均年發電量0.9億kW·h，裝機年利用小時數3 750 h。溫泉水利樞紐工程具有灌溉、工業供水兼顧發電等綜合利用效益。

2 水庫運行方式

工程利用調節庫容對上游來水進行調節，水庫運行方式為：每年的6月初至7月底，水庫在死水位進行排沙、沖沙運行；其余時段根據下游農業用水、工業用水和生態泄流需求進行放水。

其中，每年10月至次年3月為枯水期，平均運行水頭范圍約為95～97.5 m，平均流量范圍約為4～6 m3/s，平均出力范圍約為3 450～4 700 kW(10月份參數略高，平均流量為8.78 m3/s，平均出力為7 253 kW)，生態基流1.82 m3/s；其余時段為豐水期，下泄生態基流5.46 m3/s(見圖1、圖2)。

圖1 全年各月流量變化曲線

圖2 全年各月水頭變化曲線

3 電站基本參數

(1)電站動能指標

裝機容量24 MW，多年平均年發電量0.9億kW·h，年利用小時數3 750 h。

(2)尾水位

校核洪水位1 804.217 m，設計洪水位1 803.044 m，正常尾水位(52.4 m3/s時尾水位)1 801.355 m，設計尾水位(9.5 m3/s時尾水位)1 800.72 m。

(3)水輪機工作水頭

最大水頭99.60 m，最小水頭49.10 m，加權平均水頭77.90 m。

4 水輪機選型技術難點

由于本電站豐水期與枯水期水頭與流量變化很大，且電站的發電量主要來自于低水頭的豐水期；因此，既要豐水期機組多發電，又要保證枯水期高水頭工況運行的安全穩定性，水輪機選型是一個很大的難題。

由于混流式水輪機轉輪葉片不可調節，只有活動導葉單調節，因此當運行工況偏離最優點時，不僅水輪機效率降低，而且水流將在轉輪葉片進口產生撞擊、脫流。當導葉開度小于最優開度時，轉輪進口易產生背面脫流，開度過小，則產生葉道渦；在尾水管中會產生正向旋轉渦帶。當導葉開度大于最優開度時，尾水管中會產生反向旋轉的渦帶，渦帶在水力系統中產生高頻或低頻的水壓脈動，運行工況偏離越遠，情況越嚴重。這些水力不穩定現象將導致機組的振動和出力擺動，嚴重時將威脅到機組的安全運行。因此，在實際應用中需對混流式水輪機運行的水頭變化范圍與負荷變化范圍加以限制。

相關統計及研究資料表明，混流式水輪機的最佳運行區為：單位轉速范圍為(0.95～1.15)n110，n110為水輪機的最優單位轉速；導葉開度范圍為(0.5～1.0)a0max，a0max為與出力限制線對應的導葉開度。混流式水輪機可以運行的區域為：(0.9～1.25)n110，(0.4～1.0)a0max。上述范圍以外的區域為水輪機不宜運行區域。

另有研究資料表明，混流式水輪機的水頭變幅應控制在如下范圍：Hmax/Hmin≤1.65，Hmax/Hd≤1.16，Hmax/Hr≤1.2，Hmin/Hd≥0.64，Hd為最優工況對應的水頭，Hr為額定水頭。

基于混流式水輪機的穩定運行范圍，按傳統經驗，豐水期水輪機的最高運行水頭宜控制在65.4 m以下；考慮到近年來的技術進步，也不應超過72 m(Hmax/Hr=1.32)。因此，豐水期水輪機的運行水頭范圍應為49.1～72 m，枯水期水輪機的運行范圍應為70～99.6 m。也即每年5月，在電站水頭下降至70～72 m時，將枯水期水輪機更換為豐水期水輪機；每年8月，在電站水頭升高至70～72 m時，將豐水期水輪機更換為枯水期水輪機。

由于每年5月和8月都是水庫水位顯著變化期，因此，要求對更換水輪機的工期“精準”把控，對水庫來水趨勢“精準”預測，才能充分利用水力資源；否則就會出現“泄洪”棄水現象。在5月份，如果更換豐水期水輪機時工期偏長，或水庫來水量迅速增大而超過水輪機總過流量，則將導致水庫水位上漲，水輪機運行的凈水頭可能超過72 m。如此，更換的豐水期水輪機就可能無法正常運行，此時不得不采用“泄洪”的方式強行將水庫水位降低至豐水期水輪機能正常運行的水位。在8月份，在更換枯水期水輪機期間，如果水庫來水量迅速增大而超過水輪機總過流量，也將導致水庫水位上漲，也可能出現豐水期水輪機無法正常運行的情況，此時，就不得不“泄洪”以滿足生態流量要求。

5 建議的機組方案

基于以上分析，推薦的機組方案為：4臺發電機+4臺水輪機臥式機組(便于拆裝)，4臺水輪機配置6個轉輪，即4臺豐水期轉輪+2臺枯水期轉輪的組合方案。在約72 m以下的豐水期，4臺豐水期轉輪運行；在約70 m以上的枯水期，2臺枯水期轉輪運行。豐水期與枯水期水輪機除轉輪與尾水錐管不同以外，其他均不變。此方案的優點一是可以極大地減少豐、枯水期轉換時水輪機的拆、裝工作量，更換水輪機轉輪與尾水錐管只需半天即可完成，極大地節省轉換時間與工作量。二是可以很好地應對5月份和8月份可能出現的水庫水位“忽上忽下”的問題。