剛果（金）邦德拉水電站機(jī)組擴(kuò)容和選型研究

周江濤

中國(guó)葛洲壩集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京市 132200

剛果（金）邦德拉水電站機(jī)組擴(kuò)容和選型研究

周江濤

中國(guó)葛洲壩集團(tuán)國(guó)際工程有限公司，北京市 132200

本文介紹了剛果金邦德拉水電站改造和擴(kuò)建項(xiàng)目水輪機(jī)擴(kuò)容和選型研究過程，總結(jié)出原水電站建筑物已定及缺乏有效水文資料的情況下，舊沖擊式水輪機(jī)進(jìn)行擴(kuò)容、選型的實(shí)用簡(jiǎn)潔方案，以供其它項(xiàng)目參考使用。

沖擊式;水輪機(jī);擴(kuò)容;選型

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

邦德拉（Bendera）水電站位于剛果民主共和國(guó)省東南部，距離卡萊米（Kalemie）市120km，為引水式電站，承擔(dān)卡萊米市基荷電力供應(yīng)。原設(shè)計(jì)裝機(jī)5臺(tái)單機(jī)容量為8.6MW的沖擊式機(jī)組，1951年開工建設(shè)，1959年完工，完成了主要水工建筑物和2臺(tái)機(jī)組的安裝，主要情況如下：

地面廠房:1號(hào)和2號(hào)機(jī)組完成安裝，3～5號(hào)機(jī)組預(yù)留了機(jī)坑位置。

大壩:壩高12m，壩頂長(zhǎng)60m，溢流堰混凝土重力拱壩；

引水隧洞:長(zhǎng)1415m，截面尺寸:4.60m；

1號(hào)壓力鋼管:直徑1.15m，長(zhǎng)1390m；

目前兩臺(tái)機(jī)均因故障停機(jī)，業(yè)主剛果（金）能源部計(jì)劃對(duì)現(xiàn)有兩臺(tái)機(jī)組進(jìn)行拆除和更新，并安裝其余三臺(tái)機(jī)組。計(jì)劃安裝5臺(tái)新水輪發(fā)電機(jī)組及配套機(jī)電設(shè)備，制造和安裝2號(hào)壓力管道。2號(hào)主壓力管道從引水隧洞出口閥室中預(yù)留的接口開始，平行于1號(hào)主壓力管道布置，至廠房通過壓力支管分別為計(jì)劃安裝的3～5號(hào)機(jī)組供水。為滿足當(dāng)?shù)厝找嬲诘挠秒娦枨螅瑯I(yè)主希望能擴(kuò)大單臺(tái)裝機(jī)容量。

2 電站裝機(jī)容量分析

裝機(jī)容量的恰當(dāng)選擇與否，對(duì)電站的經(jīng)濟(jì)效益影響非常明顯。機(jī)組容量選擇考慮的是日平均流量和利用水頭，并涉及多學(xué)科交叉如規(guī)劃專業(yè)、水工專業(yè)、水力機(jī)械專業(yè)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，電站所在區(qū)域有著典型的熱帶草原氣候特點(diǎn)，全年分為雨季（11月至次年4月）和旱季（5月至10月），年平均降水量約1000mm。電站從Kiymbi 河引水，根據(jù)電站原統(tǒng)計(jì)資料，Kiymbi 河最小流量：3.0m3/s，最大流量：500m3/s。水庫(kù)特征水位：最高水位：1654.70m，正常水位：1652.20m，最低水位：1646.10m，庫(kù)容：90000 m3。電站最大毛水頭679.7m，設(shè)計(jì)毛水頭677.2m，最小毛水頭671.1m。

根據(jù)當(dāng)?shù)厮奶攸c(diǎn)及進(jìn)行計(jì)算分析，我方向業(yè)主提出了提高裝機(jī)容量的可行性，增設(shè)水電站重復(fù)容量。即利用豐水期的多余水量，增發(fā)季節(jié)性電能，從而達(dá)到節(jié)省能源（家庭自用柴油發(fā)電機(jī)油耗）的目的。

3 機(jī)組選型研究

3.1 確定機(jī)組型式

電站原有水輪機(jī)機(jī)為臥軸水斗式，制造商為意大利的Riva公司。為20世紀(jì)40-50年代的產(chǎn)品，單臺(tái)機(jī)額定功率：8690kW，轉(zhuǎn)輪直徑:1370mm，額定水頭：656m，額定流量：1.5m3/s，額定轉(zhuǎn)速：750r/min，噴嘴類型：直線型，單一噴嘴，水斗數(shù)量：20。

我國(guó)水輪機(jī)制造廠家對(duì)于小型沖擊式水輪機(jī)通常也采用臥式布置，相對(duì)于立式機(jī)組，臥式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并便于安裝和維護(hù)，鑒于此，新機(jī)組計(jì)劃同舊機(jī)組一致采用臥式。

對(duì)于噴嘴數(shù)量選擇，舊機(jī)組為單噴嘴，效率較低，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。雙噴嘴水輪機(jī)噴嘴可隨負(fù)荷變化自動(dòng)切換，工作的負(fù)荷區(qū)間大，且雙噴嘴水斗受力均衡，受力狀態(tài)較好。鑒于此，新機(jī)組計(jì)劃采用雙噴嘴。

3.2 確定機(jī)組參數(shù)

（1）確定工作水頭

為增大水輪機(jī)的出力，根據(jù)水輪機(jī)出力原理公式：

其中：N為水輪機(jī)出力(kW)；Q為流量(m3/s)；H為凈水頭(m)；g為工程現(xiàn)場(chǎng)重力加速度(m-s-2)，本電站取9.78；ηT為水輪機(jī)效率，一般為90.4%。

從公式(1)可以得知，為提高水輪機(jī)出力，需要提高流量、水頭或效率，其中水輪機(jī)效率基本為固定值，就需要提高Q與H的乘積。

根據(jù)《水電站調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL/ T 5058-1996），水流經(jīng)過引水隧洞和壓力管道后，水頭存在損失，包括沿程摩擦損失和局部損失，水頭損失量與引用流量的平方成正比。為充分利用豐水期的水量，水輪機(jī)加大引用流量后，水頭損失也會(huì)增加。設(shè)Q總為引水隧洞流量，Q道為壓力管道流量。則水頭損失△h公式為：

K總為引水隧洞水頭損失系數(shù)，K1為壓力管道水頭損失系數(shù)。根據(jù)本電站實(shí)際情況，K總?cè)?.03，K1取0.963。

設(shè)擬建的2#壓力鋼管引水流量為Q1，則單臺(tái)機(jī)的出力N可以表示為Q1的函數(shù)，公式如下：

由公式（3），繪出水輪機(jī)出力-流量關(guān)系曲線如下：

圖1 水輪機(jī)出力-流量關(guān)系曲線

由曲線可知，單機(jī)流量增大，出力增大，但是單位流量所產(chǎn)生的出力在減少，即單位水量的利用率在降低。說明單靠增加流量，出力已經(jīng)不經(jīng)濟(jì)了。而且由于電站枯水期來水量減少，故需要綜合考慮引用流量，以達(dá)到既經(jīng)濟(jì)又?jǐn)U大水輪機(jī)出力的目的。

考慮到水量的保證率，計(jì)劃使用原設(shè)計(jì)的額定5臺(tái)機(jī)的流量7.5m3/s作為枯水期的引水量，為4臺(tái)機(jī)供水發(fā)電。在豐水期時(shí)，5臺(tái)機(jī)進(jìn)行滿發(fā)，這樣既利用了豐水期的水能，又兼顧到了枯水期的流量，并可以順序安排一臺(tái)機(jī)在枯水期進(jìn)行檢修和保養(yǎng)。

此時(shí)單臺(tái)機(jī)的引用流量為1.87m3/ s，此時(shí)△h=32.9m，則機(jī)組的運(yùn)行水頭H=677.2-32.9=662.8m

根據(jù)公式（3），經(jīng)計(jì)算單臺(tái)水輪機(jī)出力可達(dá)到P1=10.6MW。

據(jù)此，初定水輪機(jī)參數(shù)為：

額定水頭：644m，發(fā)額定出力時(shí)流量：1.87m3/s，額定點(diǎn)效率：90.4%；額定出力：10.65MW，噴嘴數(shù)：2。

根據(jù)公式（2），相應(yīng)的1#壓力鋼管所帶2臺(tái)機(jī)組的水頭損失為：

△h=0.03×(1.87×5)2+0.963×(1.87×2)2

計(jì)算得出△h=16.1m

相應(yīng)工作水頭H=677.2-16.1=661.1m，大于額定水頭644m，滿足發(fā)額定出力條件。

由于原廠房機(jī)坑尺寸已定，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪尺寸初步比選原水輪機(jī)，按照制造廠家的系列尺寸，選為1400mm。

射流直徑d0的確定，根據(jù)程良駿所著《水輪機(jī)》提供的公式計(jì)算。

d0：射流直徑，z0：噴嘴個(gè)數(shù)，zp：轉(zhuǎn)輪個(gè)數(shù)，Hr：額定水頭，Q：?jiǎn)闻_(tái)機(jī)額定流量。

計(jì)算得出d0=105mm。

沖擊式水輪機(jī)直徑比m=D1/d0為水輪機(jī)的重要參數(shù)。經(jīng)試驗(yàn)及制造廠家多年總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，m值應(yīng)處于10到20之間。選定的水輪機(jī)直徑比m=D1/d0=140/10.5=13.3。m為13.3，說明水輪機(jī)的直徑比是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

據(jù)此，根據(jù)廠家的型號(hào)規(guī)定，選定水輪機(jī)的型號(hào)為：CJC601-W-140/2×10.5。

按照7.5m3/s的總流量4臺(tái)機(jī)組發(fā)電時(shí)，水輪機(jī)額定功率達(dá)到42.6MW，與原規(guī)劃的7.5m3/s的總流量5臺(tái)機(jī)額定功率43MW基本持平。當(dāng)水流量大于7.5m3/s時(shí)，水輪機(jī)即可以比原規(guī)劃的機(jī)組多出力，額定出力達(dá)到了53.2MW。

值得一提的是，業(yè)主的部分工程師對(duì)西方廠家的設(shè)備非常認(rèn)可，要求采用西方廠家的單噴嘴的設(shè)備，增大裝機(jī)容量。我方向其提供了詳細(xì)的計(jì)算過程，并指出如果采用單噴嘴，經(jīng)采用有限元建模計(jì)算分析，單機(jī)出力達(dá)到10MW，將出現(xiàn)應(yīng)力集中，超出荷載承受界限，水輪機(jī)遭到破壞的情況。經(jīng)過科學(xué)的計(jì)算和分析，業(yè)主工程師心服口服，雙方順利簽訂了電站機(jī)組供貨、安裝合同，為以后的模型試驗(yàn)、機(jī)組生產(chǎn)和供應(yīng)打好了基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

在原有電站引水隧洞及壓力管道、廠房尺寸一定及缺乏相應(yīng)水文資料的情況下，本文對(duì)如何利用豐水期的水量，提高裝機(jī)容量進(jìn)行了深入的研究。在不改變?cè)袎毫艿赖那闆r下，選定的水輪機(jī)不僅滿足了原有電站的枯水期的供電需求，而且有效利用了豐水期的水量，裝機(jī)容量可從43MW擴(kuò)大到53MW，將產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)、非洲及其他地區(qū)國(guó)家有較多的運(yùn)行多年的舊機(jī)組需要改造或更新，并且許多類似地區(qū)雨季較長(zhǎng)，地方又存在較大的電力供應(yīng)缺口，希望本文提供的沖擊式水輪機(jī)經(jīng)驗(yàn)?zāi)芄╊愃祈?xiàng)目參考使用。

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.015