生態(tài)機(jī)組選型設(shè)計(jì)

艾茂華，瞿衛(wèi)華

（1.湖南水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410131；2.湖南省地方電力試驗(yàn)中心有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410007）

1 電站概況

湖南省某水電站為引水式徑流電站，1991年11月開(kāi)始發(fā)電。電站裝有3臺(tái)燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，裝機(jī)容量為3×20MW，設(shè)計(jì)水頭14.5m。年設(shè)計(jì)發(fā)電量2.93億kW·h，年利用4 871h。水庫(kù)正常蓄水位114.00m，發(fā)電死水位為110.20 m，控制流域面積11 791 km2，多年平均流量325 m3/s，多年平均徑流量為102.5億m3，正常蓄水位時(shí)水庫(kù)庫(kù)容為3156萬(wàn)m3，總庫(kù)容為6 100萬(wàn)m3，是一座以發(fā)電為主，兼有航運(yùn)、灌溉、城市供水等綜合效益的中型水利樞紐工程[1]。

2 生態(tài)機(jī)組建設(shè)的必要性

黨的十九大以來(lái)，習(xí)近平總書(shū)記進(jìn)一步全面闡述了“綠水青山就是金山銀山”的理念，生態(tài)文明建設(shè)思想深入人心[2]。該水電站引水渠道長(zhǎng)4.1 km，壩址以下河道彎曲，有十余公里的脫水河段。為建設(shè)美麗河湖，泄放生態(tài)流量以改善大壩下游河道生態(tài)環(huán)境成了急需解決的問(wèn)題。水電站設(shè)計(jì)于20世紀(jì)80年代，由于設(shè)計(jì)之初無(wú)生態(tài)流量相關(guān)要求，大壩沒(méi)有設(shè)計(jì)生態(tài)機(jī)組或生態(tài)泄流設(shè)施，現(xiàn)狀要保證31.5 m3/s的生態(tài)流量下泄，只能是采取開(kāi)閘直接泄水或增加生態(tài)機(jī)組兩種方式[3～4]。新增生態(tài)機(jī)組建設(shè)生態(tài)電站，既充分利用生態(tài)流量水資源發(fā)電，又滿足下游生態(tài)需求[5]。

3 生態(tài)機(jī)組主要參數(shù)的確定

3.1 生態(tài)流量

根據(jù)湖南省小水電清理整改相關(guān)政策，其生態(tài)流量確定為31.5 m3/s。

3.2 水庫(kù)特征水位

水庫(kù)特征水位參數(shù)如表1所示，大壩的橫剖面圖如圖1所示。

圖1 大壩橫剖面圖

表1 水庫(kù)特征水位參數(shù)

由于缺少大壩下游水位流量曲線資料，根據(jù)水工建筑物參數(shù)，本次方案設(shè)計(jì)可暫定下游側(cè)在不發(fā)電時(shí)水位為102.2 m，以正常生態(tài)流量31.5 m3/s發(fā)電時(shí)水位為103.0 m。

根據(jù)生態(tài)機(jī)組流量值，應(yīng)至少泄放31.5 m3/s的流量為機(jī)組流量限制條件，取水管高程110.7 m＋0.5 m淹沒(méi)深度計(jì)算，此時(shí)對(duì)應(yīng)的毛水頭為：

H=110.7+0.5-103.0=8.2 m即：毛水頭為8.2 m時(shí)，生態(tài)機(jī)組的過(guò)流能力最小數(shù)值不應(yīng)小于31.5 m3/s。可確定影響機(jī)組選取的水位流量參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 水位流量參數(shù)

3.3 機(jī)組容量的確定

根據(jù)機(jī)組特征水頭及生態(tài)流量情況，可初步確定生態(tài)機(jī)組容量為3 MW，即3 000 kW，對(duì)應(yīng)額定水頭為10.5 m，額定流量初步確定為34.8 m3/s，因要考慮低水頭下足額泄放生態(tài)流量工況，額定流量較生態(tài)流量值相比稍大。

4 廠房形式方案的選擇

因生態(tài)機(jī)組容量較小，大多小于3 000 kW，采用臥式燈泡貫流機(jī)組性價(jià)比較低。根據(jù)大壩上下游水頭差及裝機(jī)容量情況，以及兩岸地形地質(zhì)情況，發(fā)電機(jī)組可采用立式或全新的全貫流式機(jī)組發(fā)電。兩種發(fā)電機(jī)組方案建筑工程經(jīng)濟(jì)指標(biāo)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 兩種機(jī)型廠房方案比較

4.1 軸流立式機(jī)組廠房方案

生態(tài)電站總裝機(jī)為3 MW，采用軸流立式機(jī)組時(shí)，考慮綜合價(jià)格，采用1臺(tái)機(jī)組。采用軸流立式機(jī)組廠房平面布置圖見(jiàn)圖2，軸流立式機(jī)組廠房縱剖面圖見(jiàn)圖3。因立式機(jī)組廠房要考慮廠房防洪問(wèn)題，該方案包含防洪墻土建。

圖2 立式燈泡貫流式機(jī)組廠房平面布置圖

圖3 立式燈泡貫流式機(jī)組廠房縱剖面圖

4.2 全貫流式機(jī)組廠房方案

采用全貫流式機(jī)組時(shí)，考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性，采用1臺(tái)3MW機(jī)組，全貫流式機(jī)組廠房平面布置圖見(jiàn)圖4，廠房縱剖面圖見(jiàn)圖5。

圖4 全貫流式機(jī)組廠房平面布置圖

圖5 全貫流式機(jī)組廠房縱剖面圖

4.3 土建方案的選擇

由表3可知：全貫流式生態(tài)機(jī)組廠房估算約為149.08萬(wàn)元；軸流立式機(jī)組廠房估算約為411.63萬(wàn)元，全貫流式生態(tài)機(jī)組廠房造價(jià)遠(yuǎn)低于軸流立式機(jī)組廠房。全貫流式生態(tài)機(jī)組安裝在管道里面，不需要防潮防洪，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、牢固，電站設(shè)備簡(jiǎn)化、負(fù)荷控制簡(jiǎn)單，運(yùn)行維護(hù)方便，本次生態(tài)機(jī)組采用全貫流式機(jī)組廠房。

5 機(jī)電設(shè)備的選擇

生態(tài)電站基本參數(shù)如表4所示。

表4 生態(tài)電站的基本參數(shù)

5.1 水輪發(fā)電機(jī)組的選擇

1）機(jī)組臺(tái)數(shù)的確定

考慮要保證31.5 m3/s的生態(tài)流量下泄，如考慮運(yùn)行可靠性與檢修維護(hù)的靈活性，可選裝2臺(tái)1.5MW機(jī)組。綜合考慮可靠性和經(jīng)濟(jì)性，選裝1臺(tái)機(jī)組。

2）機(jī)型的選擇

據(jù)電站基本參數(shù)，查《水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》，機(jī)型宜選軸流定槳式或全貫流式機(jī)組。全貫流式機(jī)組無(wú)論是廠房投資、機(jī)組輔助設(shè)施、電氣二次設(shè)備方面，投資均要小很多，但機(jī)組本身價(jià)格較高。綜合考慮，總造價(jià)較低，選用1臺(tái)機(jī)組，參數(shù)如表5。

表5 3 000 kW單臺(tái)全貫流機(jī)組參數(shù)與報(bào)價(jià)表

新型全貫流式生態(tài)機(jī)組不需要調(diào)速器和勵(lì)磁裝置，綜合特性曲線圖如圖6所示。

6 結(jié) 論

為充分發(fā)揮生態(tài)電站綜合效益，設(shè)計(jì)生態(tài)機(jī)組建設(shè)生態(tài)電站，由生態(tài)機(jī)組合理調(diào)節(jié)生態(tài)流量，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，同時(shí)利用生態(tài)棄水進(jìn)行發(fā)電。

圖6 綜合特性曲線圖

綜合比較，全貫流水輪發(fā)電機(jī)組的優(yōu)勢(shì)在于：不需要傳統(tǒng)機(jī)組形式的廠房；水輪機(jī)部分日常不需要維護(hù)；發(fā)電機(jī)浸泡在流道水中，克服了傳統(tǒng)貫流式發(fā)電機(jī)冷卻、散熱、密封等難題,日常不需要維護(hù)。

通過(guò)對(duì)生態(tài)電站的平面布置及水輪發(fā)電機(jī)組的比選，最終選定左岸隧洞引水結(jié)合全貫流式機(jī)組1臺(tái)方案。水輪機(jī)型號(hào)為GD890-WPZ-250，發(fā)電機(jī)型號(hào)為DGS-3000-6300-W。