某水利樞紐水力機械及機電設計

吳賀林

（貴州省水利投資（集團）有限責任公司，貴州 貴陽 550000）

1 工程概況

蒙江位于珠江流域，是紅水河一級支流，分為兩源，主源格凸河發源于長順縣，河長153 km；支流漣江發源于花溪區，河長142 km。兩源于雙河口匯合，以下稱蒙江，蒙江干流河長96 km，總流域面積8 650 km2。

黃家灣水利樞紐位于格凸河中游納耐田河段，壩址斷面以上集水面積969 km2，河長91.23 km，主河道平均比降3.63‰。樞紐為大（2）型Ⅱ等工程，設計洪水標準100 年一遇，校核洪水標準2000 年一遇，死水位1 035 m，正常蓄水位1 055 m，總庫容15 720 萬m3，為蒙江（含格凸河）水電梯級開發的龍頭水庫，功能以城鄉生活和工業供水為主，兼顧農田灌溉和發電。供水保證率P=95%，灌溉保證率P=80%，發電保證率P=90%[1]。

樞紐由大壩樞紐工程、供水灌溉工程和發電工程三部分組成，采用主壩+左岸大地頭沖溝副壩+左岸岸坡式溢洪道+左岸泄洪兼放空隧洞+右岸供水灌溉取水系統+右岸壩后電站布置，其中塔式取水口為供水灌溉與發電合并布設。

2 水力機械

2.1 水力發電

電站為壩后式開發，總布置形式為取水口→引水隧洞→壓力鋼管→發電廠房，均布置于右岸，裝機容量24 MW。機組臺數及單機容量主要考慮電站保證出力與下放生態流量，枯期11～4 月2.04 m3/s、汛期5～10 月5.40 m3/s，兼顧機組運行穩定性和運行維護管理、機電設備和廠房土建工程量等因素。

2.1.1 機組方案

電站機組采用大小機結合形式布置。根據多年月流量排頻統計，流量大于3.98 m3/s 出現頻率在90%左右，已基本覆蓋運行時段，其余10%時段不能發電，此時通過環境水管下放生態流量。因此小機即生態機功率4 500 kW，其45%出力流量3.98 m3/s；考慮大小機銜接和穩定運行，保證全時段發電，兼顧經濟和靈活性原則，配備2 臺9 750 kW大機，使其45%出力4 387.5 kW接近小機裝機容量。裝機方案為2×9 750 kW+1×4 500 kW。

2.1.2 水輪機

樞紐正常蓄水位1 055 m，水頭運行范圍49.08～69.77 m，水頭變幅20.69 m，按規范要求此類中高水頭水輪機的額定水頭宜在加權平均水頭0.95～1倍范圍內選定。根據水頭出現幾率成果，本站高水頭段59.00～69.77 m 出現比例較高，60 m 以上占65.31%，綜合考慮電站穩定運行和保證率，額定水頭為加權平均水頭0.985 倍即60.85 m。水輪機比轉速220≤ns≤260 m（kW），比速系數1 700≤k≤2 000，結合該水頭段優秀模型特性曲線，本電站水輪機模型最高效率≥94.22%，真機最高效率≥95.0%，額定工況時模型效率≥92.0%，真機效率≥93.0%。適合本站的水輪機型為混流式，以9 750 kW 機組機型比選為例，其主要特征參數比較如表1 所示，模型綜合特性曲線如圖1 所示[2]。

圖1 9 750 kW 機組機型模型綜合特性曲線圖

表1 9 750 kW 機組機型特征參數比選表

從效率角度分析，HLA904a 的模型、原型最高效率、額定效率和最大、最小水頭效率在比選方案中最高，HLA743 次之，HLA244 較低；從空蝕性能角度分析，HLA904a 最大空化系數0.117，吸出高度-3.2 m，抗空蝕性能最好，HLA244 次之，HLA743 較差；從能量指標角度分析，HLA904a 轉輪直徑1.40 m 最小，額定轉速428.6 r/min，設備重量輕，設備造價低，能量指標高；從運行工況角度分析，HLA904a 運行工況范圍在高效率區，運行范圍廣。綜合確定HLA904a-LJ-140 為本站9 750 kW 機組代表機型，按照同樣方式確定HLA904a-LJ-102 為4500kW 機組代表機型[3]。

2.1.3 發電機

發電機型號SF9750-14/3300 為懸式結構，額定功率9 750 kW，額定電壓10.5 kV，額定轉速428.6 r/min，功率因素0.8，額定效率96.8%，頻率50 Hz，絕緣耐熱等級F 級，自并勵可控硅靜止勵磁，飛輪力矩800 kN·m2。采用機械制動，密閉式空氣循環通風冷卻。

發電機型號SF4500-10/2600 為懸式結構，額定功率4 500 kW，額定電壓10.5 kV，額定轉速600 r/min，功率因素0.8，額定效率96.2%，頻率50 Hz，絕緣耐熱等級F 級，自并勵可控硅靜止勵磁，飛輪力矩200 kN·m2。采用機械制動，密閉式空氣循環通風冷卻。

2.1.4 水力過渡過程

電站引水隧洞長428.6 m，內徑5.0 m，引水主管長30 m，直徑5.0 m；支管長23.52 m，直徑2.25 m。隧洞樁號0+155.056 m 處接灌溉引水支管，管長47 m，直徑1.6 m，末端接調流調壓閥，灌溉引水流量6.528 m3/s。根據《水力發電廠機電設計技術規范》，過渡過程按以下原則設計：機組甩負荷最大轉速升高率＜60%；機組甩負荷在額定水頭和最高水頭兩種情況下，最大蝸殼壓力升高控制在相應水頭30%～50%以內；機組甩全負荷時尾水管內最大真空度≤8 m 水柱。將灌溉引水末端調流調壓閥模擬為1 臺機組，并按兩種工況計算，取各過渡過程特征數值的最大值作為控制值，結果表明成果均滿足規范要求[4]。

（1）灌溉引水管取設計流量，即模擬機組運行，流量6.528 m3/s，此時直線關機時間大機9 s、小機6 s；機組甩負荷的最大轉速上升值大機56.48%、小機21.02%；機組最大蝸殼壓力升高值大機46.60%、小機34.81%；尾水管內最大真空度大機5.60 m、小機5.30 m；大機轉動慣量80 t·m2、小機20 t·m2。

（2）灌溉引水管不取流量，即模擬機組停機，此時直線關機時間大機9 s、小機6 s；機組甩負荷最大轉速上升值大機54.87%、小機53.82%；機組最大蝸殼壓力升高值大機46.31%、小機46.36%；尾水管內最大真空度大機3.10 m、小機4.50 m、大機轉動慣量80 t·m2、小機轉動慣量20 t·m2。

2.2 提水泵站

本工程共有8 座泵站，其中松白支渠1 座、水宗支渠1 座、水塘支渠1 座、猴場供水管線1 座、大營供水管線1 座、庫尾1 座、其余斗渠2 座。以松白支渠長征橋提水泵站為例，介紹泵站機電設計。

2.2.1 基本資料

長征橋泵站功能為向松山工業園、縣城和松山片區灌溉供水，泵站采用一級提水，原水從松白支渠0+710.809 處自流進入進水池，經水泵提水至1 177 m 高程出水池。取水池最高運行水位1 026.30 m、設計水位1 026.20 m、最低運行水位1 026.10 m；高位水池最高運行水位1 177.90 m、設計水位1 177.70 m、最低運行水位1 177.50 m；泵站設計流量2.739 m3/s，其中灌溉設計流量0.609 m3/s、灌溉加大流量0.792 m3/s、供水設計流量1.947 m3/s；泵站吸水管線長度7.5 m、管徑0.7 m，泵站至高位水池管線長度570 m、管徑1.4 m；廠內外進出水管線水頭損失7.7 m，其中廠外5.7 m、廠內2.0 m；泵站最高揚程159.50 m、設計揚程159.20 m、最低揚程158.90 m。

2.2.2 裝機方案比選

考慮到泵站供水流量較大、利用小時較高，灌溉流量較小、年利用小時較低，根據《泵站設計規范》，供水部分裝機方案為3 用1 備或2 用1 備、灌溉部分設1 臺機組，經設備市場調查，兩方案比選要素如表2 所示。可知，經濟性方面方案一總投資較方案二增加40 萬元，二者相差不大；運行靈活性方面方案一單泵設計流量0.649 m3/s，與灌溉設計流量相當，方案二單泵設計流量0.974 m3/s 則差距較大，不利于灌溉期流量的調節。考慮灌溉期較短、利用小時不高，確定采用方案一，非灌溉期時開啟3 臺水泵供水即滿足供水設計流量要求；灌溉期開啟4 臺水泵，通過輸水調節和運行方案優化滿足各工況流量要求[5]。

表2 長征橋提水泵站裝機方案比選表

2.2.3 水泵機組選型

本泵站裝機5 臺，單級雙吸離心泵制造難度小、效率高，電機運行穩定性高，廠房布置方便，為選定機型。泵機設計揚程159.2 m，額定流量0.649 m3/s，額定轉速1 490 r/min，額定效率≥81.0%，最大軸功率≤1 180 kW，吸水口直徑0.5 m，出水口直徑0.4 m，比轉速69.1，最大汽蝕余量7.0 m。配套電動機選用同步電機，額定功率1 400 kW，額定效率95.6%，額定頻率50 Hz，功率因數0.9，額定轉速1 500 r/min，額定電壓10 kV。水泵并聯曲線如圖2 所示，可知，單臺水泵運行時最大揚程時流量輸出2 300 m3/h，最小揚程時流量輸出2 380 m3/h，設計揚程時流量輸出2 336 m3/h；3 臺水泵運行時最大揚程時流量輸出6 860 m3/h，最小揚程時流量輸出7 100 m3/h，設計揚程時流量輸出6 970 m3/h；4 臺水泵運行時最大揚程時流量輸出9 100 m3/h，最小揚程時流量輸出9 410 m3/h，設計揚程時流量輸出9 240 m3/h，在非灌溉期（3 臺水泵運行）和灌溉期（4 臺水泵運行）均滿足供水流量要求[6]。

圖2 水泵并聯曲線圖

2.2.4 調保計算

本泵站出水主管長約570 m，直徑1 300 mm，機組運行方式為4 用1 備，按4 臺機組同時突然斷電計算。調保計算參數如下：閥門兩段關閉，4 s 關閉95%、20 s 關閉5%；最高壓力按1.18 倍水泵出口額定壓力為195 m；最高反轉速按0.46 倍額定轉速為-690 r/min。經計算在供水總管上設置1 臺DN400 水擊預防閥、1 臺DN400 水擊泄壓閥、3 臺DN200 復合式防水錘空氣閥（樁號管0+054.769、管0+250.058和管0+435.158）。壓力包絡線如圖3所示，管道任何部位不出現水柱斷裂。

圖3 調保計算壓力包絡線圖

3 電氣

3.1 電站與電氣主接線

黃家灣樞紐電站升高電壓側為110 kV 電壓等級，其中110 kV 側出線1 回，電站通過一回線路接入紫云110 kV 變電站，輸電距離14 km，導線型號LGJ-240，輸送最大容量為2.4 萬kW。電站在豐水期擔任基荷，枯水期擔任峰荷，無調相要求。

發電機與變壓器組合采用“三機兩變”方案，即2×9 750 kW 機組為單母線接線，經1 臺25 000 kVA變壓器組成兩機一變單元，由10.5 kV 升壓至121 kV；4 500 kW 機組和1 臺6 300 kVA 變壓器組成一機一變單元接線；2 臺廠用變壓器分別接在發電機10.5 kVⅠ、Ⅱ段母線上。110 kV 電壓側采用單母線接線[7]。

3.2 廠用電及壩區供電

廠用電源按兩組獨立設計，1 號廠用電源由發電機Ⅰ段電壓母線經斷路器、500 kVA 干式變壓器引來，2 號廠用電源由發電機Ⅱ段電壓母線經斷路器、500 kVA 干式變壓器引來。機組自用電與全廠公用電混合供電，采用一級電壓380 V/220 V 供電，400 V 母線分兩段分別接至2 臺廠用變壓器，兩者互為備用，正常情況下分段運行。

壩區用電設備負荷較分散，因此在壩區左、右岸各設置1 套10 kV 配電系統。

左岸用電設備負荷主要包括溢洪道弧形工作閘門3 臺總功率2×30 kW，檢修閘門啟閉機1 臺功率2×15 kW，泄洪放空隧洞進口事故閘門啟閉機1 臺功率32 kW，事故閘門用檢修橋機1 座功率11 kW，泄洪放空隧洞進口工作閘門啟閉機1 臺功率 22 kW，工作閘門用檢修橋機1 座功率15 kW；考慮照明、檢修等負荷，用電設備總容量為246 kW，最大負荷為207 kW。電源引接1 號發電機出口10 kV 母線和保留10 kV 施工電源的雙電源供電方式，經1 臺315 kVA 降壓變壓器降壓至0.4 kV 后供電。考慮大壩有溢洪要求，再設1 臺300 kW 柴油發電機做應急電源接于0.4 kV 母線上[8]。

右岸用電設備負荷主要包括取水口攔污柵清污機16 kW，取水口上中下層隔水閘門啟閉機2×22 kW；溉供水管出口檢修閥門5.5 kW、工作閥門5.5 kW、橋機11 kW，考慮照明、檢修等負荷，用電設備總容量為148 kW，最大負荷為132 kW。電源引接壩區左岸配電系統中10 kV 母線，經1 臺250 kVA 降壓變壓器降壓至0.4 kV 后供電。

3.3 泵站電氣

以松白支渠長征橋提水泵站為例，介紹泵站電氣設計。

長征橋泵站裝機容量為5×1 400 kW 4 用1 備布置，設計流量1.947 m3/s，日供水量16.8 萬m3，供水重要性為中等，屬中型泵站，泵站負荷等級確定為二級，需兩回供電線路向泵站供電，經線路電壓降計算，采用35 kV 電壓等級、LGJ—120 導線向泵站供電時，4 臺電動機同時運行下線路電壓降2.03%，滿足GB/T 12325—2008《電能質量 供電電壓偏差》規范要求。電動機與主變壓器組合采用2 臺主變單母線接線布置，明備用方式運行，主變壓器容量8 000 kVA。假設干橋110 kV 變電站35 kV 側為無窮大系統，按最不利運行情況即泵站10 kV 母線4 臺電動機運行，系統接線圖及等值電抗圖見圖4、圖5。

圖4 系統接線圖

圖5 等值電抗圖

泵站電動機單機額定容量1 400 kW，主要功能為供水，年利用小時高，按同步電動機考慮。電動機主要參數額定功率1 400 kW，額定電壓10 kV，額定電流93.5 A，功率因數0.9，額定頻率50 Hz，額定效率96.1%；電動機斷路器型號ZN28—12，額定電壓12 kV，額定電流630 A，額定開斷電流25 kA，額定短路關合電流65 kA，機械壽命20 000 次；主變壓器型號S11—8000/35，額定容量8 000 kVA，電壓35±2×2.5%/10.5 kV，結線組別Y、d11，調壓方式無載調壓，阻抗電壓7.5%，中性點不接地。電器設備均采用箱型固定式金屬開關，其中35 kV 設備斷路器為ZN12—40.5 型真空斷路器，額定電流630 A，額定開斷電流25 kA；10 kV 設備斷路器為ZN28—12 型真空斷路器，額定電流630 A，額定開斷電流25 kA；35 kV 高壓電纜型號WDZB-YJV；10 kV 高壓電纜型號WDZB-YJV。考慮母線電壓下降對接觸器、直流系統充電裝置的影響，電動機起動按軟啟動方式，經計算10 kV 母線電壓降6.2%，滿足規范要求。

4 結語

黃家灣水利樞紐建成后多年平均供水量9 321 萬m3/a，可解決紫云縣12.3 萬人、2.35 萬頭大牲畜和工業園區供水問題，灌溉田土74 121 畝，電站總裝機容量2.4 萬kW，多年平均發電量5 630 萬kW·h，同時可對下游梯級電站起到調節作用，提高下游梯級電站保證出力，增加發電量。工程概算總投資319 602 萬元，經濟內部收益率8.04%，經濟效益費用比1.0，凈現值1 238 萬元。工程開發條件好，實施效果顯著，經濟合理可行。后續應當加強蒙江下游其余梯級樞紐開發論證和實施工作。