扭子水電站水輪機(jī)組選型研究

□ 張小旸

扭子水電站位于甘南藏族自治州卓尼縣城上游約20.1km處的洮河干流上，距蘭州市約360km。工程主要任務(wù)是發(fā)電，樞紐主要由泄洪沖沙閘、排冰閘、擋水壩、引水建筑物、發(fā)電廠房及開(kāi)關(guān)站組成。

一、機(jī)組臺(tái)數(shù)及額定水頭選擇

根據(jù)《洮河扭子水電站可行性研究報(bào)告審查意見(jiàn)》及《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》，電站確定使用3臺(tái)機(jī)組方案。

電站水頭范圍23.48～30.65m，水能計(jì)算出加權(quán)平均水頭27.14m，根據(jù)電站水頭運(yùn)行范圍，通過(guò)對(duì)不同型號(hào)水輪機(jī)、不同額定水頭進(jìn)行計(jì)算比較，確定額定水頭為25.0m。

二、機(jī)組方案選擇

扭子電站為徑流式電站，水頭變幅不大，無(wú)調(diào)節(jié)能力。根據(jù)型譜資料，適用23～31m水頭段的機(jī)型有混流式機(jī)組和軸流式機(jī)組。根據(jù)《洮河扭子水電站可行性研究報(bào)告審查意見(jiàn)》，選定軸流式機(jī)組方案。

根據(jù)水能計(jì)算結(jié)果，確定本電站裝機(jī)容量為30000kW。針對(duì)電站特點(diǎn)，軸流式機(jī)組（轉(zhuǎn)漿式轉(zhuǎn)輪采用ZZ550，定漿式轉(zhuǎn)輪采用ZDJP502）可組合成4個(gè)方案：2臺(tái)12000kW和1臺(tái)6000kW軸流定漿式機(jī)組（方案1）、2臺(tái)10000kW軸流定漿式機(jī)組和1臺(tái)10000kW軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組（方案2）、2臺(tái)10000kW軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組和1臺(tái)10000kW軸流定漿式機(jī)組（方案3）、3臺(tái)10000kW軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組（方案4）。

由于4個(gè)方案均為3臺(tái)機(jī)組，廠房投資、電氣設(shè)備投資、水機(jī)輔助設(shè)備和金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備投資差別較小，不參與比較，僅從主要機(jī)電設(shè)備投資、年發(fā)電量、水能利用和運(yùn)行管理情況等方面進(jìn)行比較。

對(duì)于無(wú)調(diào)節(jié)能力的徑流式電站而言，方案1為3臺(tái)軸流定漿式機(jī)組，優(yōu)點(diǎn):機(jī)電設(shè)備投資最低,機(jī)組結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，運(yùn)行維護(hù)方便。根據(jù)規(guī)范軸流定漿機(jī)組保證的穩(wěn)定出力運(yùn)行范圍是70～100%，6000kW機(jī)組最低發(fā)電流量為23.0m3/s，可以滿(mǎn)足電站保證流量26.66m3/s時(shí)發(fā)電的要求。缺點(diǎn):當(dāng)偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，效率會(huì)急劇下降；流量在27.7～43.5m3/s之間時(shí)，因大小機(jī)組銜接不好難以利用，這期間流量只能利用27.7m3/s，最多時(shí)15.8m3/s流量將被棄掉，棄水將引起電量損失。方案1年發(fā)電量12452 萬(wàn) kW·h。

方案2裝有2臺(tái)軸流定漿式機(jī)組和1臺(tái)軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組，方案3裝有1臺(tái)軸流定漿式機(jī)組和2臺(tái)軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組。方案2和方案3均為軸流定漿式機(jī)組和軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組組合。軸流定漿式機(jī)組具有出力調(diào)節(jié)能力差的缺點(diǎn)；優(yōu)點(diǎn)是機(jī)電設(shè)備投資較低。軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組優(yōu)點(diǎn)是效率曲線比較平坦，機(jī)組運(yùn)行比較穩(wěn)定，穩(wěn)定的工況區(qū)域?qū)挘隽Ψ秶鸀?5～100%，最低發(fā)電流量為17.3m3/s，保證流量為26.66m3/s，可以發(fā)電，彌補(bǔ)了軸流定漿式機(jī)組的缺點(diǎn)。方案2缺點(diǎn)是當(dāng)流量在46.2～56.1m3/s之間時(shí)，或者流量不好利用，或者水輪機(jī)效率偏低。方案2年發(fā)電量13422萬(wàn)kW·h。方案3滿(mǎn)足流量在46.2～56.1m3/s之間時(shí)，水能得到較充分利用，水輪機(jī)效率較高，具有更好的效益。方案3年發(fā)電量13499萬(wàn)kW·h。

方案4裝有3臺(tái)軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組，整個(gè)方案缺點(diǎn)是機(jī)電設(shè)備投資最高。軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組優(yōu)點(diǎn)是效率曲線比較平坦，機(jī)組運(yùn)行比較穩(wěn)定，穩(wěn)定的工況區(qū)域?qū)挘隽Ψ秶鸀?5～100%，最低發(fā)電流量為17.3m3/s，保證流量為26.66m3/s，可以發(fā)電。水能利用充分，水輪機(jī)效率較高，同時(shí)電站機(jī)組結(jié)構(gòu)整齊劃一，便于管理。另外，枯水期歷時(shí)較長(zhǎng)，枯水期機(jī)組檢修時(shí)，3臺(tái)轉(zhuǎn)漿式機(jī)組可互為備用。年最大發(fā)電量13572萬(wàn)kW·h。方案4的缺點(diǎn)是軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，檢修維護(hù)比較麻煩。機(jī)電設(shè)備一次性投資最高。

綜合比較：方案1為3臺(tái)軸流定漿式機(jī)組，與其他方案比較，機(jī)電設(shè)備投資最低，但棄水流量最大，流量組合適配性最差，年發(fā)電量最低，優(yōu)勢(shì)不明顯，不予采用。方案2、3均為軸流轉(zhuǎn)漿式與軸流定漿式組合機(jī)組，單機(jī)容量相同。方案2與方案3比較，機(jī)電設(shè)備投資較低，但會(huì)出現(xiàn)棄水現(xiàn)象，流量組合適配性差，年發(fā)電量較低，不予采用。方案4、3流量適配性均較好。方案4與方案3比較，年發(fā)電量多73萬(wàn)kW·h，機(jī)組運(yùn)行靈活，零部件互換性好，便于管理。經(jīng)綜合比較并和業(yè)主協(xié)商后，選定方案4，即3臺(tái)10000kW軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組。對(duì)于軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問(wèn)題，可以通過(guò)采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和技術(shù)得到解決。

三、水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪選擇

根據(jù)型譜資料，經(jīng)過(guò)計(jì)算，并經(jīng)機(jī)組廠家推薦，適合電站參數(shù)的模型轉(zhuǎn)輪有：ZZ550、ZZA834。比較兩個(gè)模型轉(zhuǎn)輪， ZZ550和ZZA834水輪機(jī)轉(zhuǎn)速、尺寸、重量相同，機(jī)電設(shè)備投資基本相同。比較特征水頭下兩個(gè)轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)的效率和空蝕特性,可以看出，特征水頭下兩個(gè)轉(zhuǎn)輪的效率基本相同、流量基本相同。空蝕特性：高水頭工況ZZA834比ZZ550優(yōu)，低水頭工況ZZ550優(yōu)。但考慮到機(jī)組實(shí)際運(yùn)行99%的時(shí)間都在24～30.65m水頭段，從空蝕特性方面比較，ZZA834比ZZ550優(yōu)越。這樣，水輪機(jī)ZZA834比ZZ550安裝高程高，土建工程量小，相應(yīng)土建投資小。另外，模型最高效率ZZA834比ZZ550高0.65個(gè)百分點(diǎn)。綜合比較，推薦ZZA834轉(zhuǎn)輪。

四、結(jié)語(yǔ)

水輪發(fā)電機(jī)組的選擇是水電站設(shè)計(jì)工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié),其目的是要根據(jù)所設(shè)計(jì)的水電站的具體條件,正確合理地選擇一套水輪發(fā)電機(jī)組，為水電站水工設(shè)計(jì)提供相關(guān)資料。水輪發(fā)電機(jī)組選擇的合理與否,直接影響到水電站的造價(jià)和今后水電站經(jīng)濟(jì)效益的發(fā)揮。