某航電樞紐工程機組機型的初步選擇

莊乾彪，李冬陽，任哲明

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春 130021）

1 概述

木蘭航電樞紐位于松花江干流航道里程185km處，壩址右岸是北安屯山頭，左岸是洪太屯。工程任務主要是以航運、發電為主，兼顧交通、水產養殖和旅游等綜合利用功能。工程樞紐由土壩、泄洪閘、水電站、船閘、魚道、壩頂公路等工程組成。土壩長715m、泄洪閘長1564m、電站長152m、船閘長120m，渠化航道里程115km。電站裝機35 MW，保證出力8.612MW，多年平均發電量1.601×108kW·h，年利用小時數4575h，地震設計烈度為Ⅵ。電站廠房為河床式，水庫調節性能為日調節，電站建成后接入黑龍江省電力系統，在系統中不進行調峰運行，按航運和環境用水要求可承擔部分基荷，其余工作在腰荷。

電站基本參數：上游水庫校核洪水位（P=0.33%）111.60m、設計洪水位（P=1%）110.85m、正常蓄水位108.00m、死水位108.00m；尾水校核洪水位（P=0.33%）111.4m、設計洪水位（P=1%）110.85m，5臺機組發電尾水位105.05m、6臺機組發電尾水位105.03m，最低尾水位102.13m；電站凈水頭最大5.9m、最小1.2m，額定水頭2.7m。

2 水輪機型式的選擇

按《水利水電工程機電設計技術規范》，對于設計水頭20.0m以下的徑流式水電廠宜優先選用貫流式水輪機，該電站水頭范圍為5.9～1.2m，適合選用的水輪機型式有燈泡貫流式和豎井貫流式兩種，對于豎井貫流式機組，國內僅有四川小龍門電站與該工程相類同，因此大直徑、大容量的豎井貫流機組在國內設計及運行經驗少，結構設計復雜，而燈泡貫流式機組的設計、制造及運行經驗非常豐富、成熟，可選擇的設計制造商較多。結合電站水頭、轉輪直徑和機組轉速等情況，經綜合分析比較，推薦采用燈泡貫流式水輪機。

3 機組臺數和單機容量的選擇

電站總裝機容量為35MW，現對裝機5，6，7臺，單機容量分別為7.00，5.84，5.00MW共3個方案進行技術經濟比較，結果如下：

1）投資情況：6臺方案較5臺方案少2910萬元，7臺方案較6臺方案少3026萬元。

2）平均年電能情況：7臺方案較6臺方案多90×104kW·h，6臺方案較5臺方案多60×104kW·h。

3）樞紐布置條件：該電站采用河床式布置型式，壩線較長，完全能夠滿足廠房布置要求，3個方案都是可行的。

4）對電氣主接線的影響：機組臺數為6臺時，電氣主接線方案相對簡單，布置方便；而機組臺數為5臺、7臺時，電氣主接線稍為復雜，且須選用2種不同容量的主變壓器，不利于設備布置。

5）水量銜接情況：電站上游電站裝機容量為66MW，裝機6臺，機組額定流量為232m3/s，各比選方案均滿足流量銜接要求，但采用6臺機組方案在單機流量匹配上為最優方案。

6）機器制造情況：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均能滿足電站的要求。

7）機組大、重件的運輸要求：機組通過采用大件分瓣及合理的運輸方式等措施，均不對對外交通形成制約因素。

綜合以上因素，6臺機方案工程投資量略高于7臺機方案，但6臺機方案流量特性與上游電站相匹配，調度運行方便，且由于臺數少，運行管理相對簡單，因此，推薦采用6臺機方案。

4 水輪機預期參數的選擇

4.1 比轉速

比轉速ns是水輪機的重要特征參數之一，它表征水輪機綜合經濟技術水平，是水電站前期設計工作中用來衡量機組參數合理性的標準之一。所以需針對電站的具體情況對水輪機比轉速綜合比較分析，擇優選取。按國內外統計公式計算該電站比轉速值見表1。

表1 不同統計公式計算水輪機比轉速ns值匯總表

與工程水頭相近的燈泡貫流轉槳式機組技術參數表見表2。

由表1統計公式計算水輪機的ns為1034～1826 m·kW，比速系數K值為1699～3000，參考表2可以得出ns為1104～1688m·kW，綜合考慮取ns=1100～1600m·kW作預期值，相應比速系數為1807～2629。

表2 與工程水頭相近的燈泡貫流轉槳式機組技術參數表

4.2 單位轉速和單位流量

按田樹棠編寫的《貫流式水輪發電機組及其選擇方法》中的公式計算單位轉速和單位流量：

與相近項目類比分析，該工程取n1′≈250r/min；Q1′≈3.4m3/s。

4.3 空化系數

水輪機裝置空化系數和水輪機比轉速有關，根據經驗公式計算出的電站水輪機裝置空化系數為σy=1.5154×10-5ns1.712≈2.44～4.63。考慮電站地質和廠房開挖情況及電站運行特點，并預留一定的安全裕量，裝置空化系數σy暫取3.73（至輪葉頂點）。

4.4 水輪機轉輪選擇

依據電站的水頭范圍，適合采用貫流轉槳式三葉片轉輪。幾個參數水平較高轉輪的模型主要參數見表3。

表3 荒溝工程面板堆石壩應力與應變計算參數

表3 適合于電站的轉輪模型參數

上述模型轉輪能量指標相差不大，而GZK3轉輪的效率及設計工況單位流量稍強，因此暫按GZK3作為此階段研究工作的基礎轉輪。

4.5 推薦的水輪機主要參數

根據分析計算，現階段推薦的水輪機主要參數：水輪機型號GZ（K3）-WP-670，最大水頭5.9m，額定水頭2.7m，最小水頭1.2m，發電機額定功率NT=5.84MW，額定轉速n=62.5r/min，轉輪直徑值D1=6.7m，額定點水輪機效率ηT=0.897，額定流量Qr=255.81m3/s，吸出高度Hs=-7.1m，額定工況比轉速1408m·kW。

5 結語

上文根據木蘭航電樞紐的水頭特征參數，機型初步選定為燈泡貫流式機組，通過初擬機組臺數，并進行技術經濟比較確定機組臺數，進一步選擇機組比轉速、比速系數、單位轉速、單位流量、空化系數等關鍵技術參數，通過比較初步選擇轉輪型號，最終提出推薦的水輪機基本技術參數，為類似工程水輪機參數選擇提供一定的借鑒作用。