大渡河沙灣水電站水輪機(jī)選型及運(yùn)行分析

張 冰 雪， 呂 勤 川， 程 海 峰

(1.四川圣達(dá)水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041；2.四川省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610072)

1 工程概況

大渡河沙灣水電站位于四川樂山沙灣區(qū)葫蘆鎮(zhèn)河段，為大渡河干流下游梯級(jí)開發(fā)的第一級(jí)，上游為已建銅街子電站，下游為在建安谷電站。工程開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧灌溉和航運(yùn)。電站采用一級(jí)混合式開發(fā)，建壩壅水高15.5 m，與銅街子電站尾水相接，河床式廠房，廠后接9 015 m長(zhǎng)的尾水渠，尾水渠利用落差14.5 m。水庫(kù)正常蓄水位432.0 m，水庫(kù)總庫(kù)容4 867萬m3。安裝4臺(tái)總?cè)萘?80 MW軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，多年平均年發(fā)電量24.07億kWh。

2 裝機(jī)容量選擇

2.1 方案擬定

根據(jù)水能計(jì)算成果，沙灣水電站多年平均流量為1 490 m3/s，正常蓄水位受上游銅街子電站尾水以及庫(kù)尾福祿集鎮(zhèn)淹沒情況控制，經(jīng)對(duì)431、432、433 m進(jìn)行比較后確定正常蓄水位為432 m，考慮上游銅街子電站裝機(jī)和運(yùn)行實(shí)際，參考電站裝保倍比以及裝機(jī)利用小時(shí)數(shù)，擬定440、480、520 MW三個(gè)方案。

2.2 與上游梯級(jí)電站引用流量協(xié)調(diào)

銅街子電站日內(nèi)運(yùn)行方式為當(dāng)大渡河枯水期天然流量大于400 m3/s時(shí)，按400 m3/s放水，電站可適當(dāng)調(diào)峰；當(dāng)天然流量小于400 m3/s時(shí)，按天然來水放水，使沙灣以下航運(yùn)不受影響。銅街子電站設(shè)計(jì)引用流量2 300 m3/s，該站扣除庫(kù)區(qū)用水97 m3/s(大沫72、沫江堰15、下游基流10)，可引流量為2 203 m3/s。從裝機(jī)容量引用流量分析，480 MW方案引用流量完全協(xié)調(diào)；440 MW方案引用流量尚有180 m3/s富裕，而該電站運(yùn)行受下游航運(yùn)要求影響，必須保證與銅街子電站同步運(yùn)行，會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)迫棄水；520 MW方案引用流量大于銅街子電站引用流量，前期尚可多發(fā)部分汛期電量，但隨著干流中、上游龍頭水庫(kù)雙江口、下爾呷建設(shè)，上游調(diào)豐補(bǔ)枯能力進(jìn)一步加強(qiáng)，該方案增發(fā)的汛期電量將越來越有限。

2.3 動(dòng)能經(jīng)濟(jì)比較

考慮瀑布溝水庫(kù)的補(bǔ)償調(diào)節(jié)作用并扣除了庫(kù)區(qū)用水，以4臺(tái)水輪機(jī)ZZD345E按三個(gè)典型年進(jìn)行逐日計(jì)算，結(jié)果見表1。

從能量指標(biāo)來看，由于該電站與上游銅街子電站同步運(yùn)行，考慮下游航運(yùn)要求，自身日內(nèi)調(diào)節(jié)能力不強(qiáng)，近期該站枯期電量約占年發(fā)電量的24.4%～25.8%，電站保證出力為151 MW，裝保比2.9～3.4，各方案之間增加電量主要是汛期電量。再考慮中遠(yuǎn)期上游出現(xiàn)雙江口、下爾呷水庫(kù)對(duì)該電站調(diào)節(jié)補(bǔ)償作用，計(jì)算年內(nèi)分期電量變化情況。中期枯期電量約占年發(fā)電量的28.7%～30.1%，較近期增加枯期電量11 423萬kWh，電站保證出力為171 MW，裝保比2.5～3.0；遠(yuǎn)期枯期電量約占年發(fā)電量的32.1%～33.4%，較近期增加枯期電量21 465萬kWh，電站保證出力為190MW，裝保比2.3～2.7。隨著裝機(jī)容量的加大，年發(fā)電量隨之增大，而且中遠(yuǎn)期枯期出力、電量有明顯增加，日內(nèi)調(diào)節(jié)能力有較大提高，可向系統(tǒng)提供寶貴的枯期電能，為了資源的合理利用以及適應(yīng)負(fù)荷發(fā)展需要，適當(dāng)增大裝機(jī)是有利的。

表1 沙灣水電站裝機(jī)容量比較表

2.4 投資與電站單位指標(biāo)

裝機(jī)容量加大，單位千瓦投資逐步遞減，而單位電能投資卻呈逐步遞增。從差值指標(biāo)情況看，裝機(jī)容量從440 MW到480 MW，增加工程投資1.61億元，增加年發(fā)電量7 186萬kWh，補(bǔ)充千瓦投資4 021元/kW，低于方案自身千瓦投資，補(bǔ)充電能投資2.24元/kWh，尚屬經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)；從480 MW到520 MW，增加工程投資1.82億元，增加年發(fā)電量6 099萬kWh，補(bǔ)充千瓦投資4 542元/kW，也低于方案自身千瓦投資，但補(bǔ)充電能投資高達(dá)到2.98 元/kWh，可見從480 MW到520 MW方增加投資應(yīng)是不經(jīng)濟(jì)的。

2.5 電力電量平衡分析

沙灣水電站加入四川電網(wǎng)電力系統(tǒng)進(jìn)行電力電量平衡。根據(jù)設(shè)計(jì)水平年2015年四川電網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)分析，該站各裝機(jī)容量方案均為必需容量，基荷出力容量各方案均為100 MW，檢修容量分別為110 MW、120 MW、130 MW，可以用于調(diào)峰的出力57 MW，冬季12月份典型日調(diào)峰工作容量分別為230 MW、260 MW、290 MW，電站調(diào)峰時(shí)間約5小時(shí)。

2.6 最后選擇

綜合考慮，選擇裝機(jī)容量為480 MW。

3 水輪機(jī)額定水頭選擇

3.1 水頭影響因素

根據(jù)相關(guān)數(shù)學(xué)模型計(jì)算成果，尾水渠泥沙淤積20年基本達(dá)到平衡，最大淤積厚度0.75 m，尾水位僅抬高約 0.09 m，尾水渠泥沙淤積對(duì)電站利用水頭幾乎無影響；沙灣電站尾水渠考慮采取封閉式防滲墻處理滲流后，總滲流量?jī)H為 1.1 m3/s ,占引用流量?jī)H0.5‰，尾水渠滲流也不會(huì)對(duì)電站利用水頭造成影響。根據(jù)水能計(jì)算成果，在不考慮尾水渠泥沙淤積情況下沙灣水電站最大水頭27.76 m，最小水頭23.57 m，年加權(quán)平均水頭25.79 m，汛期加權(quán)平均水頭24.84 m。

3.2 3種額定水頭方案比較

該電站水力受阻主要在7～10四個(gè)月。結(jié)合汛期水頭分布情況，本著控制電站受阻時(shí)間，減少電站引用流量，從而節(jié)約尾水渠工程量和投資的原則，按水頭保證率在75～95%之間擬定了24 m、24.5 m、25 m三個(gè)額定水頭比較，見表2。

表2 沙灣水電站額定水頭比較表

由表2可見，額定水頭由25 m降到24.5 m，電站年發(fā)電量增加2 155萬kWh，投資增加1 326萬元，增加單位電能投資0.62元/ kWh，低于基本方案的單位電能投資，說明額定水頭由25 m降到24.5 m是經(jīng)濟(jì)的；額定水頭由24.5 m降到24 m，電站年發(fā)電量?jī)H增加742萬kWh，投資增加2 096萬元，增加單位電能投資達(dá)2.82元/ kWh, 遠(yuǎn)高于基本方案的單位電能投資，說明額定水頭不宜再降低。因此沙灣水電站額定水頭選定為24.5 m。

4 水輪機(jī)型式選擇

4.1 選擇范圍

根據(jù)沙灣電站的運(yùn)行水頭范圍，按照水輪機(jī)系列型譜和有關(guān)資料，沙灣電站可供選擇的機(jī)型有燈泡貫流式水輪機(jī)、軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)、混流式水輪機(jī)。

4.2 燈泡貫流式水輪機(jī)單機(jī)容量不能滿足要求

當(dāng)時(shí)，國(guó)內(nèi)燈泡貫流式水輪機(jī)最大單機(jī)容量在40 MW，該站單機(jī)容量為100 MW左右，故不宜采用燈泡貫流式水輪機(jī)。

4.3 混流式水輪機(jī)沒有明顯優(yōu)勢(shì)

過機(jī)單位流量偏小，限制工況Q′1只能達(dá)到1 370 l/s，機(jī)組造價(jià)和土建投資偏大。

4.4 可選模型轉(zhuǎn)輪

該站最高水頭27.76 m，為滿足水輪機(jī)強(qiáng)度要求，選用5葉片的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)。比較好的模型轉(zhuǎn)輪有富春江水電設(shè)備總廠90年代初期研制的F24模型轉(zhuǎn)輪、中國(guó)水科院在90年代后期研制的JK508模型轉(zhuǎn)輪和東方電機(jī)用于江西萬安擴(kuò)建的D345E轉(zhuǎn)輪。F24模型轉(zhuǎn)輪最高效率為90.5%，限制工況Q′1達(dá)1900 l/s，水輪機(jī)限制工況汽蝕系數(shù)為0.67。中國(guó)水科院在90年代后期研制的JK508模型轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)5葉片，推薦使用水頭32 m，最高效率高達(dá)91.6%，比F24轉(zhuǎn)輪最高效率高1.1%,限制工況Q′1達(dá)1800 l/s，水輪機(jī)限制工況汽蝕系數(shù)為0.72。江西萬安擴(kuò)建的D345E轉(zhuǎn)輪，模型轉(zhuǎn)輪最高效率為92.8%，比JK508模型轉(zhuǎn)輪最高效率高1.2%，限制工況Q′1達(dá)1800 l/s，水輪機(jī)限制工 況 汽 蝕 系 數(shù) 為0.6。

4.5 最后選擇

江西萬安擴(kuò)建機(jī)組，額定水頭22 m，發(fā)電機(jī)出力112 MW，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑8.5 m，與沙灣電站情況非常接近，故被選。

5 水輪機(jī)臺(tái)數(shù)選擇

該站裝機(jī)容量為480 MW，機(jī)組臺(tái)數(shù)按三、四、五臺(tái)進(jìn)行比較，相應(yīng)單機(jī)容量為160 MW、120 MW、9.60 MW。比較見表3。

三個(gè)方案技術(shù)可行，機(jī)組制造難度相當(dāng)；經(jīng)濟(jì)均上，四臺(tái)機(jī)方案機(jī)組總重量比三臺(tái)機(jī)方案機(jī)組總重量減少235噸，五臺(tái)機(jī)機(jī)組總重量比四臺(tái)機(jī)方案機(jī)組總重量減少200噸；土建投資則隨機(jī)組臺(tái)數(shù)增加而相應(yīng)增加，綜合后四臺(tái)方案較三臺(tái)方案增加投資2 374萬元，五臺(tái)方案較四臺(tái)方案增加投資3 329萬元，而各方案間年發(fā)電量差別較小，考慮到上游已建銅街子電站裝機(jī)臺(tái)數(shù)為四臺(tái)，為滿足上下游梯級(jí)電站協(xié)調(diào)運(yùn)行要求，確定選四臺(tái)機(jī)。

表3 沙灣水電站機(jī)組臺(tái)數(shù)比較表方案

6 水輪機(jī)最終主要技術(shù)參數(shù)及運(yùn)行分析

6.1 最終選定的水輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

水輪機(jī)型號(hào)ZZD345E-LH-850，轉(zhuǎn)輪直徑8.5 m，額定轉(zhuǎn)速76.9 r/min，額定流量549.5 m3/s，額定出力123.1 MW，飛逸轉(zhuǎn)速(協(xié)聯(lián)/非協(xié)聯(lián))165/185(r/min)，額定工況點(diǎn)效率92.7%，吸出高度-8.54 m，轉(zhuǎn)輪葉片中心線高程395.00 m，活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)/槳葉數(shù)24/5，轉(zhuǎn)輪總重(含油)300 t，水輪機(jī)總重1 380 t。

6.2 能量特性(效率、出力)

該電站未進(jìn)行專門的模型轉(zhuǎn)輪開發(fā)，采用的是萬安水電站已有模型轉(zhuǎn)輪，未進(jìn)行專門的模型試驗(yàn)和模型驗(yàn)收試驗(yàn)。根據(jù)相關(guān)文件，ZZD345E轉(zhuǎn)輪能量指標(biāo)高，其模型額定點(diǎn)水輪機(jī)效率 91.1%，對(duì)應(yīng)電站的原型效率為 92.97%；模型最高效率 92.8%，對(duì)應(yīng)電站原型最高效率為 94.7%，滿足機(jī)組設(shè)計(jì)要求。自首臺(tái)機(jī)組2009年4月23日、最后一臺(tái)機(jī)組2010年3月25日投入商業(yè)運(yùn)行以來，電站日發(fā)電量于2011年7月17日達(dá)到1170.36萬kWh，月發(fā)電量于2011年3月達(dá)到3.167億kWh，年發(fā)電量2012年達(dá)到20.726億kWh。截止2013年6月25日24時(shí)止，四臺(tái)機(jī)組累計(jì)運(yùn)行時(shí)間分別達(dá)到11 648.46、18 248.13、16 710.2、20 333.72 h,累計(jì)發(fā)電量分別達(dá)到16.68、18.78、16.95、22.75億kWh，最大負(fù)荷分別達(dá)到125、123、124、123 MW，機(jī)組運(yùn)行的最高水頭是27.87 m，最小水頭是16.46 m，滿足設(shè)計(jì)對(duì)水輪機(jī)出力的要求。

6.3 空化、空蝕特性

目前4臺(tái)機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間已達(dá)到設(shè)計(jì)文件規(guī)定的機(jī)組保證期，從歷次檢修檢查情況看，活動(dòng)導(dǎo)葉、固定導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪葉片、尾水管等未發(fā)現(xiàn)明顯空蝕及磨損現(xiàn)象，轉(zhuǎn)輪葉片局部和導(dǎo)葉上端面有輕微空蝕。1號(hào)機(jī)組A修檢查處理情況： 轉(zhuǎn)輪室無明顯汽蝕、磨損及裂紋情況；轉(zhuǎn)輪體上與葉片進(jìn)水邊根部對(duì)應(yīng)的位置有300 mm×400 mm輕度汽蝕，一片葉片進(jìn)水邊背面法蘭根部有100 mm×150 mm輕度氣蝕，刨去氣蝕部分，露出母材，補(bǔ)焊后打磨，打磨線型基體保持原狀表面光潔； 葉片無裂紋，局部有輕微機(jī)械損傷?？傮w來看水機(jī)各部件空化空蝕特性滿足要求。

6.4 運(yùn)行穩(wěn)定性

6.4.1 穩(wěn)定運(yùn)行范圍

具體要求為：水輪機(jī)在空載情況下能穩(wěn)定運(yùn)行；在規(guī)定的21.24 m～28.24 m水頭條件下，機(jī)組出力在相應(yīng)水頭下的35%～100%出力保證值時(shí)，水輪機(jī)均能連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，保證出力范圍為給定水頭下各保證出力的連線。實(shí)際情況是4臺(tái)機(jī)組帶負(fù)荷30 MW～60 MW時(shí)，振動(dòng)較大，這表明機(jī)組的振動(dòng)區(qū)偏大。

6.4.2 穩(wěn)定運(yùn)行的指標(biāo)要求。

尾水管壓力脈動(dòng)、頂蓋垂直振動(dòng)值及水導(dǎo)軸承處主軸的擺度不超過有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。在全部運(yùn)行范圍內(nèi)，在水輪機(jī)機(jī)坑腳踏板上方l m處，用噪音表測(cè)量的噪聲不超過90 db(A)，在距尾水管進(jìn)人門l m處的噪聲，用噪音表測(cè)量的噪聲不超過95 db(A)。

6.4.3 穩(wěn)定運(yùn)行的實(shí)際指標(biāo)。

模型試驗(yàn)參考資料表明，在電站實(shí)際運(yùn)行水頭范圍內(nèi)尾水管下游側(cè)最大壓力脈動(dòng)為 4%，各特征水頭段的壓力脈動(dòng)滿足要求，水輪機(jī)可在正常的運(yùn)行范圍內(nèi)安全穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)組在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示4臺(tái)機(jī)組在一定工況下機(jī)組振動(dòng)值明顯偏大。運(yùn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)報(bào)告顯示：1號(hào)機(jī)組試驗(yàn)時(shí)上游水位424.30 m，尾水水位404.4 m，機(jī)組在50 MW負(fù)荷時(shí)水導(dǎo)擺度385 μm。在該試驗(yàn)水頭下，機(jī)組在30～70 MW負(fù)荷區(qū)間為典型的由尾水管渦帶引起的低頻水力振動(dòng)區(qū)。2號(hào)機(jī)組試驗(yàn)時(shí)上游水位423.82 m，尾水水位403.83 m，機(jī)組在120 MW負(fù)荷時(shí)水導(dǎo)擺度91.9 μm。在該試驗(yàn)水頭下，機(jī)組在30 MW負(fù)荷附近區(qū)域?yàn)楦哳l水力振動(dòng)區(qū)；在40～70 MW負(fù)荷區(qū)間為典型的由尾水管渦帶引起的低頻水力振動(dòng)區(qū)。3號(hào)機(jī)組試驗(yàn)時(shí)上游水位427.6 m，尾水水位405.00 m，機(jī)組在80 MW負(fù)荷時(shí)水導(dǎo)擺度431 μm，在120 MW負(fù)荷時(shí)水導(dǎo)擺度208 μm。在該試驗(yàn)水頭下，機(jī)組在10～30 MW負(fù)荷區(qū)間為高頻水力振動(dòng)區(qū)；在30～90 MW負(fù)荷區(qū)間為典型的由尾水管渦帶引起的低頻水力振動(dòng)區(qū)。4號(hào)機(jī)組試驗(yàn)時(shí)上游水位426.7 m，尾水水位405.35 m，機(jī)組在100 MW負(fù)荷時(shí)水導(dǎo)擺度494 μm。在該試驗(yàn)水頭下，機(jī)組在27 MW負(fù)荷附近區(qū)域?yàn)楦哳l水力振動(dòng)區(qū)；在50～70 MW負(fù)荷區(qū)間為典型的由尾水管渦帶引起的低頻水力振動(dòng)區(qū)。

6.4.4 分析結(jié)果

分析顯示，運(yùn)行穩(wěn)定性基本滿足生產(chǎn)需要，但存在明顯的振動(dòng)區(qū)。

7 結(jié) 語(yǔ)

綜合以上情況，沙灣水電站的水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)是合理的，但由于機(jī)組振動(dòng)偏大，需盡量避開水輪機(jī)的不穩(wěn)定區(qū)域運(yùn)行。同時(shí)，需完成全水頭段的穩(wěn)定性試驗(yàn)，系統(tǒng)觀測(cè)，積累數(shù)據(jù)，分析規(guī)律，結(jié)合真機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況科學(xué)劃分運(yùn)行區(qū)域，確保水輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性；對(duì)運(yùn)行過程中出現(xiàn)的問題及時(shí)處理，以避免振動(dòng)、擺度過大造成瓦隙擴(kuò)大及固定部件的松動(dòng)；增加機(jī)組檢查、檢修深度防范事故于未然。