恰木薩水電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)

李 超，劉雙志

(江河機(jī)電裝備工程有限公司，北京市100070)

1 工程概況

恰木薩水電站是新疆葉爾羌河下游河道規(guī)劃梯級(jí)開(kāi)發(fā)中的第2級(jí)電站，為引水式電站，其上游為鏨高水電站，下游為亞貝西水電站。工程主要由攔河引水樞紐、發(fā)電引水系統(tǒng)、壓力前池、壓力管道、電站廠(chǎng)房等組成，屬中型Ⅲ等工程。電站位于新疆維吾爾自治區(qū)喀什地區(qū)莎車(chē)縣境內(nèi)，距莎車(chē)縣城約60 km，距喀什市約255 km。電站為徑流式電站，采用引水式開(kāi)發(fā)，裝機(jī)容量為200 MW，工程開(kāi)發(fā)任務(wù)是發(fā)電。

2 電站基本參數(shù)

電站前池最高水位1 548.125 m，正常水位1 547.334 m，最低水位1 543.439 m，調(diào)節(jié)性能無(wú)。電站校核洪水尾水位(P=0.5%，Q=6 178 m3/s)1 483.469 m，設(shè)計(jì)洪水尾水位(P=1%，Q=5 720 m3/s)1 483.283 m，正常尾水位(Q=350.72 m3/s)1 479.55 m，設(shè)計(jì)尾水位(Q=87.68 m3/s)1 478.25 m。電站最大水頭(毛水頭)69.99 m，加權(quán)平均水頭(凈水頭)67.10 m，額定水頭(凈水頭)63.50 m，最小水頭(凈水頭)59.20 m。

電站多年平均懸移質(zhì)含沙量(閘址處)1.29 kg/m3，預(yù)想汛期含沙量如下所示(見(jiàn)表1)。

表1 恰木薩水電站預(yù)想汛期含沙量

電站裝機(jī)容量200 MW，多年平均年發(fā)電量5.96億kW·h，年利用小時(shí)數(shù)2 980 h。

3 水輪機(jī)機(jī)型與額定水頭的選擇

本電站水頭范圍為59.2～69.99 m，可選擇混流式和軸流式機(jī)型，混流式機(jī)型在該水頭段應(yīng)用廣泛，具有成熟制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，故本階段選擇混流式機(jī)型。

水輪機(jī)額定水頭是指發(fā)電機(jī)組發(fā)出額定出力的最小水頭，本電站屬于徑流式電站，根據(jù)《水力發(fā)電廠(chǎng)機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5186—2004)4.1.5第2條“對(duì)于徑流式水電廠(chǎng)，水輪機(jī)水頭主要取決于水電廠(chǎng)的下泄流量及其相應(yīng)的下游尾水位。水輪機(jī)額定水頭應(yīng)按水電廠(chǎng)發(fā)足裝機(jī)容量時(shí)運(yùn)行凈水頭選定。選擇額定水頭時(shí)應(yīng)計(jì)入額定工況下水輪機(jī)流道的全部水頭損失，并留有適量的裕度?！钡囊螅~定水頭應(yīng)小于66 m并留有適當(dāng)裕度。合理選擇額定水頭直接關(guān)系機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行性能和電站發(fā)電效益，以及機(jī)組設(shè)備投資、土建投資和樞紐運(yùn)行方式等。電站加權(quán)平均水頭66.00 m，為確定電站額定水頭，在上述額定水頭選取范圍內(nèi)，擬定3個(gè)額定水頭進(jìn)行綜合比較(見(jiàn)表2)。

表2 額定水頭比較

從表2可知，各方案水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑差別不大，設(shè)備投資差別較小，對(duì)廠(chǎng)房的工程量影響不大，提高額定水頭有利于減小轉(zhuǎn)輪直徑，降低設(shè)備投資?？紤]在汛期運(yùn)行時(shí)下游尾水位受電站棄水影響而有所抬高，且汛期是本電站的發(fā)電高峰期；為此，適當(dāng)降低額定水頭有利于機(jī)組在汛期時(shí)獲得較多電量。

綜合考慮，推薦電站額定水頭為63.5 m。

4 機(jī)組臺(tái)數(shù)及單機(jī)容量選擇

機(jī)組臺(tái)數(shù)的確定應(yīng)考慮單機(jī)容量占系統(tǒng)比重、機(jī)組運(yùn)行方式、機(jī)組制造水平等因素，通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較確定。預(yù)測(cè)南疆四地州電網(wǎng)2025年最大負(fù)荷達(dá)到15 951 MW，故機(jī)組單機(jī)容量占系統(tǒng)比重較小；電站在電力系統(tǒng)承擔(dān)基荷，枯水期12月、1月、2月、3月4臺(tái)機(jī)分別安排檢修維護(hù)，其中1月、2月電站不發(fā)電。額定水頭63.5m，單機(jī)容量40～67 MW區(qū)間，在此水頭段和單機(jī)容量下國(guó)內(nèi)已有成熟的制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，不存在制造難度。綜合考慮以上因素，暫定裝機(jī)3臺(tái)、4臺(tái)、5臺(tái)方案(見(jiàn)表3)。

4.1 技術(shù)比較

(1)本電站為徑流式電站，無(wú)調(diào)節(jié)能力，為保證水輪機(jī)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行。單機(jī)容量不宜過(guò)大。

(2) 根據(jù)規(guī)劃專(zhuān)業(yè)提供的57年長(zhǎng)系列電站逐月可發(fā)電流量及相應(yīng)水頭(去掉不發(fā)電月份)，對(duì)本電站逐月出力及所占時(shí)間比重進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表4)。考慮電站泥沙含量較大，單機(jī)出力應(yīng)多數(shù)時(shí)間在額定出力的50%以上，以利于機(jī)組的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)單機(jī)容量為66.7 MW時(shí)，出力在額定出力50%以上的時(shí)間約為97.81%；當(dāng)單機(jī)容量為50 MW時(shí)，出力在額定出力50%以上的時(shí)間約為98.25%；當(dāng)單機(jī)容量為40 MW時(shí)，出力在額定出力50%以上的時(shí)間約為98.68%。對(duì)比參數(shù)可知，隨著機(jī)組臺(tái)數(shù)的增加，水能利用率逐漸增加，適當(dāng)增加機(jī)組臺(tái)數(shù)可以增加水能利用率、增加機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間并且獲得更多電量。

表3 裝機(jī)臺(tái)數(shù)比較

表4 電站出力統(tǒng)計(jì)

(3)恰木薩水電站接鏨高水電站尾水發(fā)電，鏨高水電站單機(jī)額定流量95 m3/s左右，考慮將來(lái)與鏨高水電站聯(lián)合發(fā)電，為方便調(diào)度并減少水能浪費(fèi)，單機(jī)流量差別不宜過(guò)大。恰木薩水電站采用4臺(tái)機(jī)方案的單機(jī)額定流量與鏨高水電站單機(jī)額定流量相匹配。

(4)從電站運(yùn)行角度來(lái)說(shuō)，機(jī)組臺(tái)數(shù)越少管理越方便；機(jī)組臺(tái)數(shù)越多則運(yùn)行越靈活。

(5)電站建成后擔(dān)任基荷運(yùn)行，無(wú)調(diào)峰任務(wù)，無(wú)備用容量和調(diào)峰調(diào)度靈活性的需求，因此不需要過(guò)多的機(jī)組臺(tái)數(shù)。

4.2 經(jīng)濟(jì)比較

(1)由表3可以看出，方案一和方案二投資較少，方案三工程總投資較多。

(2)機(jī)組臺(tái)數(shù)越少，投入運(yùn)行后每年的維護(hù)、檢修工作量和費(fèi)用也越少。

綜合以上分析，本階段推薦方案二，即4臺(tái)機(jī)裝機(jī)方案。

5 水輪機(jī)主要參數(shù)選擇

水輪機(jī)參數(shù)選擇，直接影響到電站建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性和今后運(yùn)行的安全可靠性。水輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)的選擇應(yīng)在確保機(jī)組穩(wěn)定可靠的前提下，使水輪機(jī)的性能較為先進(jìn)，符合國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展水平，參數(shù)之間達(dá)到總體的最優(yōu)配合。

阿爾塔什水利樞紐工程位于本電站上游，是本河段的控制性水利樞紐工程，考慮本工程可能先于阿爾塔什水樞紐工程發(fā)電，過(guò)機(jī)泥沙含量不能及時(shí)得到改善，故水輪機(jī)主要參數(shù)選擇時(shí)應(yīng)充分考慮多泥沙工況運(yùn)行的要求。同時(shí)，由于阿爾塔什水利樞紐工程總庫(kù)容22.45億m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容12.60億m3，建成后將大大改善下游各梯級(jí)電站的泥沙工況。因此，招標(biāo)時(shí)應(yīng)根據(jù)兩個(gè)工程的進(jìn)度情況，優(yōu)選相似水頭段流道尺寸和清水轉(zhuǎn)輪相近的渾水轉(zhuǎn)輪模型；后期根據(jù)泥沙改善情況，改用效率相對(duì)較高的清水轉(zhuǎn)輪，改善水輪機(jī)運(yùn)行工況并獲得較多電量。

5.1 比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)

比轉(zhuǎn)速ns是衡量水輪機(jī)綜合性能的重要指標(biāo)，ns直接反映了水輪機(jī)的設(shè)計(jì)制造水平及其能量、空蝕性能的優(yōu)劣；比速系數(shù)K(K=ns×H0.5)則反映了水輪機(jī)的技術(shù)發(fā)展水平。一般來(lái)說(shuō)，在水頭相同的情況下，選用較高比轉(zhuǎn)速的水輪機(jī)可以提高機(jī)組轉(zhuǎn)速、減小機(jī)組尺寸、降低機(jī)組造價(jià)；但水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的提高，往往受到水輪機(jī)效率、運(yùn)行穩(wěn)定性、空化、磨蝕性能以及強(qiáng)度等許多因素的制約。因此，比轉(zhuǎn)速ns的選擇應(yīng)結(jié)合電站的具體情況合理選擇。

為確定本電站的比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)，對(duì)國(guó)內(nèi)外比轉(zhuǎn)速、比速系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式和國(guó)內(nèi)部分在建、已建的相近水頭段水電站的比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表5、表6)。

表5 比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式統(tǒng)計(jì)

表6 國(guó)內(nèi)部分在建、已建電站比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式統(tǒng)計(jì)

由表5得出，比轉(zhuǎn)速ns在158～275 m·kW之間，比速系數(shù)K值在1 600～2 196之間。

由表6得出，國(guó)內(nèi)在建、已建的相近水頭段電站比轉(zhuǎn)速ns在215～262 m·kW之間，比速系數(shù)K值在1 877～2 352之間。

葉爾羌河泥沙含量大，考慮適當(dāng)降低機(jī)組參數(shù)以減少轉(zhuǎn)輪的磨蝕，利于機(jī)組的長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。初擬恰木薩水電站比速系數(shù)K值為1 500～1 700，相應(yīng)比轉(zhuǎn)速ns為188.24～213.34 m·kW。

5.2 單位轉(zhuǎn)速n1′和單位流量Q1′的選擇

單位轉(zhuǎn)速的選擇應(yīng)符合比速系數(shù)的水平，從比轉(zhuǎn)速計(jì)算公式ns=3.13n1′(Q1′×η)1/2可以看出，比轉(zhuǎn)速主要由單位轉(zhuǎn)速、單位流量和效率3個(gè)參數(shù)決定。只有選擇合適的單位轉(zhuǎn)速和單位流量，使二者達(dá)到最佳匹配關(guān)系，才能獲得最優(yōu)的水輪機(jī)綜合性能。提高n1′可以減小發(fā)電機(jī)的外形尺寸，降低造價(jià)，有較大的經(jīng)濟(jì)效益；但n1′的提高使水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪過(guò)流流速加大，離心力增加，促使葉片應(yīng)力增大，故它又受到轉(zhuǎn)輪葉片強(qiáng)度、泥沙、空蝕、穩(wěn)定性、材質(zhì)等諸多因素的限制。提高Q1′的好處是顯而易見(jiàn)的，它的提高可以減小水輪機(jī)尺寸、提高出力、降低造價(jià)，但Q1′的提高往往受到空蝕的限制。隨著技術(shù)的進(jìn)步，單位轉(zhuǎn)速和單位流量都有了較大提高。

結(jié)合本電站過(guò)機(jī)含沙量大的實(shí)際情況，n1′應(yīng)適當(dāng)降低以減小過(guò)機(jī)流速、減少轉(zhuǎn)輪的磨蝕，綜合以上分析，認(rèn)為n1′和Q1′在如下范圍較為合理：

n1′=69～78 r/min

Q1′=0.72～1.05 m3/s

5.3 效率

水輪機(jī)效率是評(píng)價(jià)水輪機(jī)能量特性的重要指標(biāo)，直接影響電站的發(fā)電效益。近年來(lái)，隨著水輪機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展和采取現(xiàn)代化的制造手段與先進(jìn)工藝，水輪機(jī)的效率得到不斷提高。

目前，國(guó)內(nèi)相近水頭段的模型水輪機(jī)，其最優(yōu)效率均已超過(guò)92%，額定點(diǎn)效率高于90%，因此可以預(yù)計(jì)水輪機(jī)模型最優(yōu)效率應(yīng)大于或等于92%，原型水輪機(jī)最高效率大于93.5%，原型水輪機(jī)額定點(diǎn)效率不低于91%。

5.4 裝置氣蝕系數(shù)和吸出高度

水輪機(jī)空蝕性能直接影響機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行、檢修周期和使用壽命，因此水輪機(jī)應(yīng)具有良好的空蝕性能，并合理選取水輪機(jī)裝置空化系數(shù)和安裝高程。原型水輪機(jī)的空蝕破壞還與制造和安裝質(zhì)量、運(yùn)行工況等因素有關(guān)。

表7為按統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算的空化系數(shù)值(水輪機(jī)額定比轉(zhuǎn)速ns初擬定為188.24～213.34 m·kW，見(jiàn)表7)。

表7 空化系數(shù)統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算

表7中，統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算的恰木薩水電站裝置氣蝕系數(shù)σp范圍為0.109～0.169；適當(dāng)提高臨界空化系數(shù)有利于機(jī)組的抗磨蝕性能，考慮本電站泥沙含量較大，裝置氣蝕系數(shù)取值不宜過(guò)小，現(xiàn)階段暫定恰木薩水電站裝置氣蝕系數(shù)σp取為0.18。根據(jù)公式Hs=10-▽/900-σpHr，計(jì)算出相應(yīng)的Hs=-3.1 m。

5.5 水輪機(jī)目標(biāo)參數(shù)

根據(jù)上述選擇分析，恰木薩水電站水輪機(jī)的參數(shù)范圍選擇如下：

6 結(jié) 語(yǔ)

恰木薩水電站水輪機(jī)選型和參數(shù)選擇均是以機(jī)組能夠長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行為前提條件，并結(jié)合電站自身特點(diǎn)，參照國(guó)內(nèi)同類(lèi)型電站的參數(shù)，運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)公式進(jìn)行計(jì)算選取，基本保證了機(jī)組能量指標(biāo)、穩(wěn)定性指標(biāo)和綜合性能指標(biāo)均保持在較為先進(jìn)的水平。