蓋下壩水電站水輪機參數選擇

李樹剛，馬經童，徐志軍，趙亞男

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021）

1 電站概況

蓋下壩水電站位于重慶市云陽縣云峰鄉境內的長江南岸的一級支流長灘河上。本工程是長灘河流域梯級開發的龍頭電站。電站為引水式電站，是以發電為主，兼顧防洪、旅游等綜合利用的大型水電工程。電站由水庫、引水系統、廠房、地面開關站及副廠房組成。引水系統采用1洞3機的布置方式，設有上游調壓井。總裝機容量120 MW，裝設3臺單機容量為40 MW的立軸混流式水輪發電機組。電站建成后承擔重慶市電網的調峰和事故備用任務。

2 電站基本參數

2.1 水輪機凈水頭

最大水頭183.3 m

額定水頭157.0 m

最小水頭132.2 m

2.2 泥沙特性

壩址多年平均懸移質輸沙量為118.9×104t，多年平均推移質輸沙量估算按多年平均懸移質輸沙量的20%計，為23.8×104t。多年平均懸移質含沙量為1.18 kg/m3。

3 機組臺數和單機容量的選擇

電站總裝機容量120 MW。可行性研究設計階段對2臺×60 MW、3臺×40 MW、4臺×30 MW3個機組臺數方案進行了技術經濟比選，比選結果見表1。

表1 機組臺數方案比選結果

由表1中可以看出：

投資情況：2臺機方案投資最少，3臺機方案較2臺機多571萬元，4臺機方案較2臺機多1 092萬元；年平均電能情況：2臺機方案年平均電能最少，3臺機方案較2臺機多543×104kW·h，4臺機方案較2臺機多425×104kW·h，3臺機方案最好。

電力系統情況：本電站裝機容量為120 MW，占電力系統容量比重較小，當1臺機組故障和檢修時，各方案對系統影響均較小。樞紐布置條件：機組臺數為2臺、3臺、4臺時，均對樞紐布置影響較小，3個方案都是可行的。機組設備制造能力和技術水平：3個方案的機組在制造方面均不存在制約因素；國內的機組制造廠家的技術水平和加工能力能夠滿足各方案機組的要求。機組大、重件的運輸要求：機組臺數為2臺、3臺、4臺時，單機容量分別為60 MW、40 MW、30 MW。各個方案的機組大、重件的運輸要求均不會對外交通形成制約因素。

綜合以上因素，特別是從機組運行的靈活性和工程投資的經濟性綜合分析比較，可行性研究設計階段推薦采用3臺×40 MW方案。

4 水輪機型式及預期參數選擇

4.1 水輪機型式選擇

本電站運行水頭范圍為132.2～183.3 m，適合選用立軸混流式水輪機。

4.2 水輪機預期參數

（1）水輪機比轉速

比轉速ns是水輪機的重要特征參數之一，它表征水輪機的綜合經濟技術水平，應結合電站的具體情況合理選擇。

各類統計公式計算的蓋下壩水電站水輪機比轉速結果見表2。

表2 各類統計公式計算的水輪機比轉速結果

國內外與蓋下壩水電站水頭段相近的水輪機參數見表3。

表3 國內外與蓋下壩水電站水頭段相近的水輪機參數

根據當前國內外水輪機的實際設計制造水平和國內外已運行電站機組的統計資料（混流式水輪機水頭與比轉速關系曲線見圖1），本電站額定水頭Hr=157 m，可取比轉速 ns=170～180 m·kW，比速系數K=2 130～2 255。考慮本電站水頭變幅較大的具體情況和運行特點，本設計階段估取水輪機比轉速ns≈170 m·kW，相應比速系數K≥2 130。

圖1 大型混流式水輪機比轉速隨水頭變化關系曲線

（2）水輪機效率

根據當前國內、外水輪機的實際設計制造水平，并參考已經得到的咨詢資料，力求水輪機具有寬廣的高效區范圍和較高的加權平均效率，同時要求水輪機額定效率不低于92.5%，最高效率不低于93.5%。

（3）水輪機單位轉速和單位流量

額定工況點確定以后，單位轉速n1’及單位流量Q1’的匹配將影響電站的技術經濟指標，參考表3所列電站的單位轉速值，對比統計公式的計算結果及參考電站資料，并結合蓋下壩水電站水輪機的運行條件進行綜合分析比較，在本設計階段取額定點單位轉速72 r/min，單位流量0.69 m3/s。

（4）水輪機空蝕

水輪機裝置空蝕性能和水輪機比轉速有關，根據不同經驗公式計算出的本電站水輪機裝置空蝕系數如表4。

表4 不同經驗公式計算出的本電站水輪機裝置空蝕系數表

電站使用的裝置系數與水輪機比轉速有關，根據在電站統計資料基礎上總結分析得出的統計公式及已統計國內外混流式水輪機σy～ns關系曲線（見圖2）。考慮本電站地質條件和廠房開挖情況，取裝置空蝕系數σy＝0.10。

圖2 混流式水輪機σy～ns關系曲線

綜上所述，取水輪機預期參數如表5：

表5 水輪機預期參數

5 原型水輪機參數選擇

5.1 水輪機轉輪的選擇

通過咨詢國內主要水輪機制造廠家，適合于本電站的轉輪主要有HLA692、HLA575C、HL160/D46、HLJF2062、HLA685等，轉輪的模型主要參數見表6。

表6 適合于本電站的轉輪模型參數

從表6中可以看出：HLA575轉輪單位流量小，效率也不是很高；HLA692轉輪空蝕性能最差，單位流量較小；HL160/D46轉輪空蝕性能最好，但效率偏低；HLJF2062轉輪效率較高，空蝕性能較好，單位流量也較大；HLA685轉輪效率較高，空蝕性能較好，單位流量最大。根據現有資料，HLJF2062與HLA685轉輪的整體性能基本相當，考慮2個轉輪的實際使用情況，經綜合分析比較，可研階段暫按HLA685機型開展工作。

5.2 原型水輪機主要參數

可行性研究設計階段選用原型水輪機主要參數詳見表7。

表7 可行性研究設計階段選用水輪機主要參數表

5.3 水輪機安裝高程的確定

水輪機裝置空蝕系數的取用與多種因素有關，反映在統計值的分布規律很離散，因此各種統計公式僅能供參考之用。根據HLA685轉輪空蝕特性計算的吸出高度為-4.5 m（ 至水輪機導葉水平中心線高程）。按一臺機組發額定功率時的過流量所對應的尾水位206.20 m確定水輪機的安裝高程為201.70 m（ 導葉水平中心線高程）。

6 結束語

類似蓋下壩水電站容量的中型機組，一般不會重新設計新的轉輪，基本是套用已研發的水輪機轉輪。這就需要在設計過程中充分了解相近水頭的機組的使用情況，在設計中盡量處理好效率、空蝕性能和穩定性的關系，以便電站在機組的采購招標過程中選用到合適的機組。在蓋下壩水電站選型設計時做了一些工作，不夠全面，不當之處請專業同仁予以指正。