十月水電站改造工程水輪機和發電機選型計算分析

舒 婧

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引言

新疆自治區水能理論蘊藏量超過3355.45萬kW，可開發的水能資源約為853.5億kW。為充分利用水能資源，自治區各級政府大力發展各類型水力發電設施，經過近20年發展取得了很大成績。但隨著地區經濟發展，自治區很多老舊水電站存在效率低下、設備老化等問題，對該些水電站進行改造升級成為當前自治區水利工程建設的重要內容。

1 工程概況

十月水電站位于溫泉縣哈日布呼鎮，博爾塔拉河北岸，東距博樂市38 km，西距溫泉縣城50 km，該水電站是對原四級電站和五級電站兩個電站進行改造，使兩級電站合為一級開發，為引水式水電站，改造后的十月水電站設計流量9.5 m3/s，設計水頭22.8m，最大水頭24.2m，最小水頭21.84m，裝機容量1800kW。

2 水電站水利動能計算

根據溫泉水文站31年實測徑流資料，選定三個設計代表年：豐水年P=10%、平水年P=50%、枯水年P=90%。其中選取1998年為P=10%典型年，1981年為P=50%典型年，1993年為P=90%典型年。生態基流取為年均流量的10%，排冰排沙取為年均流量的5%，扣除這一部分流量后，將博爾塔拉河溫泉站豐、平、枯三年的月平均流量按流量遞減次序排列。

十月水電站的水能計算成果見表1（部分），其出力～保證率關系曲線見下圖1；出力～電量累積曲線見下圖2；流量～保證率累積曲線見下圖3；流量~出力曲線見下圖4。本水電站設計保證率P=75%，可在曲線上查出保證出力Np=600 kW，對應的保證流量Q=1.5 m3/s。根據徑流調節計算的原則和方法及采用的基礎資料進行計算，得出十月水電站保證出力為600 kW，多年平均年發電量670.45萬kW·h，裝機年利用小時數3725 h。

表1 十月水電站水能指標計算表（部分）

圖1 十月水電站出力～保證率關系曲線

圖2 十月水電站出力～電量累積曲線

圖3 十月水電站流量～保證率累積曲線

圖4 十月水電站流量~出力曲線

3 水輪機選型確定分析

（1）水輪機機組形式確定

根據十月水電站的設計水頭和水頭變化范圍，可選擇的機組形式有軸流式機組和混流式機組，兩種形式的機組優缺點對比如下：①軸流式機組的汽蝕系數是混流式機組的2倍，因此增加了廠房造價；②軸流式機組的水推力系數約為混流式的2倍～4倍，推力軸承荷重大，機組造價較高。綜合分析：本項目適合選擇混流式水輪機組[1]。

（2）水輪機機組型號確定

通過市場調研，適合本項目的混流式機型有HLA551、HL820等。雖然上述兩種機型轉輪高效區范圍都較廣，但從經技術經濟分析優選HLA551轉輪，理由如下：①HLA551轉輪上冠、下環、葉片材質均選用0Cr13Ni4M，空蝕系數為0.19，抗空蝕、耐磨性能好；②該輪機模型單位流量大，最高效率達93.2%[2]；③蝸殼采用全圓端面直接搭接座環焊接結構及特殊水力設計，從0～45°范圍內，斷面尺寸不變，減少了因斷面面積突然縮小所帶來的水流撞擊和摩擦損失，保證了機組的高效性；④在國內很多中小型水電站得到廣泛應用，技術成熟可靠。因此最終擬定十月水電站小機選HLA551-WJ-75型水輪機（模型特性曲線見圖5），大機選HLA551-WJ-105型水輪機，具體參數見表2[3]。

圖5 HLA551-WJ-75型水輪機模型特性曲線

表2 水輪機型號及詳細參數

4 發電機選型分析

水輪機型號確定后，與之配套的水輪發電機型號也就確定了，十月水電站設計選擇的臥軸水輪發電機型號及具體參數見表3[4]。

表3 發電機技術參數

5 水輪機和發電機組合方案確定分析

5.1 組合方案設計

由于十月水電站要求保證出力為284 kW，根據該河段干渠各月來水分配情況，初擬以下兩種機組組合方案：方案一，一臺600 kW和一臺1200 kW，總裝機容量為1800 kW；方案二，3臺600 kW的機組，總裝機容量為1800 kW。具體兩種方案的各項設計參數見表4[5]。

表4 兩種設計方案具體參數

5.2 組合方案比選分析

在此從以下幾個方面對表4中的兩種方案進行比選分析：①從水資源利用方面分析，方案一和方案二均能充分利用水資源，此方面兩方案無差別；②從經濟效益方面分析，方案一的投資較方案二少133.84萬元，此方面方案一占優；③從施工角度分析，方案一為兩套設備，方案二為三套設備，施工工期方案一占優。綜合分析：十月水電站最終確定方案一為最終方案。

5.3 調節保證驗算分析

調節保證計算目的是要在甩負荷工況中，正確而合理地解決導水葉關閉時間、壓力管的壓力上升值及機組速率上升值三者之間的關系。根據相關規范：機組容量占電力系統容量比重小時，甩全負荷時最大轉速上升率不允許超過50%，水輪機蝸殼最大水錘相對升高值不超過70%。十月水電站的小機、大機調保計算公式如下[6]：

式中：ζ相對為水錘相對升高值；σ為特性系數。

經計算，十月水電站的小機水錘壓力相對升高值為54.1%，速率升高值為41.1%；大機水錘壓力相對升高值為57.5%，速率升高值為45.2%，均滿足規范要求，可保證機組和管道安全。

5.4 主要電氣設備選擇

十月水電站所在區海拔高程823.5 m，年平均氣溫3.5℃，極端最高氣溫25.9℃，極端最低氣溫-18.1℃，最大凍土深度1.8 m，年最大風速2.6 m/s，地震設防烈度Ⅶ度。

（1）廠用變壓器容量選擇

一般小型水電站廠用電容量只占全站總裝機容量的1%～3%，本站廠變容量取3%，則變容量Sj=（600+1200）×3%/0.8=67.5 kVA，故廠變容量選擇100 kVA，其型號為SC-100/10.5（放置在高壓開關柜內）。

（2）10 kV高壓開關柜

高壓開關柜選用XGN2-12型固定式，柜內主開關采用ZN28A—12/630-25 kA真空斷路器，配CT—19Ⅱ型彈簧操動機構，隔離開關采用GN30—12D/630型旋轉式。

6 結語

通過結合十月水電站的實際情況，本項目最終確定選用1×600kW+1×1200kW的水輪機搭配方案，并且選擇了SFW600-12/1180和SFW1200-16/2150發電機與之組合。經過調節保證驗算分析后得出小機和大機的水錘壓力均滿足規范要求，說明本項目的選型是合理的。水輪機和發電機是核心設備，必須經過詳細比選論證，不可照搬其他工程，否則無法將設備發揮出最大效益。