徑流式高水頭水電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)

大唐雅安電力開發(fā)有限公司 魏勃陽

天全縣境內(nèi)河流眾多，水量豐沛、河流落差大（總落差達(dá)3590m），水能資源豐富。全縣水力資源理論蘊(yùn)藏量114萬kW，可開發(fā)量71.3萬kW，開發(fā)潛力極大。故天全縣“十五”計(jì)劃及“十一五”的規(guī)劃中將水電開發(fā)列在該縣工業(yè)發(fā)展的首位。水電開發(fā)是天全縣能源工業(yè)的支柱，也是帶動天全縣其他工業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的龍頭。 盆帶口電站為白沙河流域梯級開發(fā)的第九級電站，為引水式開發(fā)，電站為徑流式，裝機(jī)容量18.9MW，該電站的建設(shè)是符合四川電力發(fā)展要求的，對促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)的發(fā)展將起到十分重要的作用。

1 工程概況

本工程主要建筑物由白沙河壩區(qū)樞紐、引水系統(tǒng)、陰山溝壩區(qū)樞紐、引水系統(tǒng)及廠區(qū)樞紐等建筑物組成。白沙河壩址位于鴨子溝溝口下游約130米處，右岸取水，經(jīng)開敞式沉砂池、長5550.71米的無壓隧洞至引水合洞；陰山溝壩址位于陰山溝中游，左岸取水，經(jīng)開敞式沉砂池、長2175.47米的無壓隧洞與白沙河隧洞匯合后進(jìn)入合洞。合洞長103.78米，其后接開敞式壓力前池。壓力管道主管長431.44米，順坡而下，側(cè)向引進(jìn)主廠房。盆帶口水電站工程規(guī)模為18.9MW。盆帶口水電站水能參數(shù)如下：

氣溫濕度：極端最高氣溫33.9℃、極端最低氣溫-5.3℃、多年平均氣溫15.1℃、多年平均相對濕度83%；水庫參數(shù)：前池正常水位1722.17m、前池最高水位1722.63m、前池最低水位1720.67m、設(shè)計(jì)水頭265.71m；水文動能參數(shù)：裝機(jī)容量18.9MW、多年平均發(fā)電量8315.9億kWh、年利用小時(shí)數(shù)4400h、保證出力1599MW、裝機(jī)引用流量2.885m3/s、設(shè)計(jì)水頭265.71m、引用流量8.7m3/s；流域懸移質(zhì)：白壩懸移質(zhì)年均含砂量0.563kg/m3、陰壩懸移質(zhì)年均含砂量0.561kg/m3。

2 裝機(jī)方案選擇

電站機(jī)組型號及臺數(shù)的選擇原則考慮機(jī)組運(yùn)行維護(hù)管理、機(jī)電設(shè)備投資和廠房土建工程量等因素。盆帶口電站基本屬于徑流式水電站，無流量調(diào)節(jié)，故在裝機(jī)方案的選擇時(shí)應(yīng)著重考慮機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行范圍、調(diào)度靈活性、運(yùn)行維護(hù)簡便和投資經(jīng)濟(jì)性。

2.1 機(jī)組臺數(shù)選擇

經(jīng)過水文水能的計(jì)算論證，本站的裝機(jī)規(guī)模調(diào)整為18900千瓦。機(jī)組臺數(shù)的選擇，由于采用一臺機(jī)和四臺機(jī)明顯不合理，故重點(diǎn)進(jìn)行了二臺機(jī)和三臺機(jī)的比較。詳見表1。

表1 機(jī)組臺數(shù)比較表

上列比較表中，二機(jī)方案單機(jī)容量較大，只能選用立式機(jī)組，如選擇混流式機(jī)型則額定轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分（如用750轉(zhuǎn)/分，無合適的工況點(diǎn)供選擇）、轉(zhuǎn)輪直徑1.05米、用400米水頭段轉(zhuǎn)輪；但1000轉(zhuǎn)/分的立式機(jī)組目前尚無成熟的制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，故二機(jī)方案只能選用立式?jīng)_擊式機(jī)型、根據(jù)單機(jī)流量采用4噴嘴、轉(zhuǎn)輪直徑1.5米；三機(jī)方案采用臥式、混流式機(jī)組，額定轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)/分，轉(zhuǎn)輪直徑0.95米、用400米水頭段轉(zhuǎn)輪HLA542，有成熟的制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

從上表兩方案對比分析可知，設(shè)計(jì)工況點(diǎn)效率三機(jī)方案比二機(jī)方案高；二機(jī)方案沖擊式機(jī)組要少利用3米水頭；機(jī)組設(shè)備造價(jià)三機(jī)方案比二機(jī)方案少375萬元；三機(jī)方案主廠房須增加一個(gè)機(jī)組間距，但二機(jī)方案為立式機(jī)組多層廠房、綜合土建投資三機(jī)方案比二機(jī)方案少80萬元；主廠房橋機(jī)造價(jià)三機(jī)方案比二機(jī)方案少36萬元；電氣設(shè)備造價(jià)三機(jī)方案比二機(jī)方案多60萬元。

綜合兩方案的廠房、機(jī)、電設(shè)備造價(jià)，三機(jī)方案比二機(jī)方案共少431萬元。故三臺機(jī)方案經(jīng)濟(jì)性最好，技術(shù)性也能滿足本站要求，本階段設(shè)計(jì)推薦三臺機(jī)方案。

2.2 水輪機(jī)選型

在本站的水頭條件下，有混流式和沖擊式兩種系列的水輪機(jī)適合本站采用。可供選擇的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號有HLA179、HLD54、HLA542、CJA237、CJA475等。各轉(zhuǎn)輪模型參數(shù)見表2、3。

表2 本站適用的各轉(zhuǎn)輪模型參數(shù)（混流式）

表3 本站適用的各轉(zhuǎn)輪模型參數(shù)（沖擊式）

從以上各轉(zhuǎn)輪的分析比較看，混流式方案中，三種轉(zhuǎn)輪均為目前中高水頭段普遍使用的能量指標(biāo)和汽蝕指標(biāo)均較好的混流式轉(zhuǎn)輪、均可用于本電站。其中HLA542轉(zhuǎn)輪的效率最高、氣蝕性能也好，轉(zhuǎn)輪為長短葉片且葉片數(shù)多，是專門為高水頭段設(shè)計(jì)的混流式轉(zhuǎn)輪。HLA179和HLD54兩方案轉(zhuǎn)輪的效率和氣蝕性能相差不大，其中HLA179方案的運(yùn)行高效率區(qū)更理想。故本電站采用HLA179或HLA542轉(zhuǎn)輪更適宜。進(jìn)一步選型比較以HLA179和HLA542轉(zhuǎn)輪進(jìn)行。

沖擊式方案中，CJA237和CJA475轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行效率和最高效率都相差不大，CJA237機(jī)型的水斗根部應(yīng)力小于CJA475機(jī)型，在防止甩斗的安全可靠性方面CJA237機(jī)型有優(yōu)勢，是目前使用較多、技術(shù)指標(biāo)較優(yōu)的一個(gè)轉(zhuǎn)輪。故以CJA237轉(zhuǎn)輪參與本電站的進(jìn)一步選型比較。各對應(yīng)轉(zhuǎn)輪的水機(jī)選型比較詳見表4（Hp=260.4M、N=6300kW）。

表4 水機(jī)選型技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

經(jīng)比較分析可知，第Ⅲ方案沖擊式機(jī)組其經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)不如第Ⅰ、 Ⅱ方案的混流式機(jī)組；由于沖擊式機(jī)組方案根據(jù)本站的水頭、流量條件，雙噴嘴不能滿足流量要求，只能采用4噴嘴機(jī)型，這樣機(jī)組裝置方式為采用立式機(jī)型，故其機(jī)組和廠房造價(jià)大幅上升，與第Ⅰ、Ⅱ方案相比機(jī)組造價(jià)高369萬元、廠房造價(jià)高約90萬元，且少利用3米水頭。所以本站不宜采用第Ⅲ方案沖擊式機(jī)組。

第Ⅰ、 Ⅱ方案均為中高水頭段較優(yōu)秀的混流式轉(zhuǎn)輪，能量和汽蝕指標(biāo)都較好，均在高效區(qū)運(yùn)行。相對而言，第Ⅱ方案HLA542機(jī)型最高效率和運(yùn)行效率均優(yōu)于第Ⅰ方案。第Ⅱ方案汽蝕性能指標(biāo)也比第Ⅰ方案優(yōu)，機(jī)組吸出高度為-0.47米，第Ⅰ方案機(jī)組吸出高度為-1.801米。廠房土建造價(jià)第Ⅱ方案比第Ⅰ方案少8萬元。兩方案機(jī)組造價(jià)基本相同。

綜合比較后，認(rèn)為第Ⅱ方案機(jī)組技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)、最適合本電站采用，該方案HLA542系列機(jī)組有較多的實(shí)際運(yùn)行電站例子、運(yùn)行情況較好。本次設(shè)計(jì)推薦HLA542機(jī)型為本電站采用主機(jī)。

2.3 水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)

水輪機(jī)型號HLA542-WJ-95、額定轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/分、額定出力6667千瓦、額定流量2.868米3/秒、吸出高度≤-0.47米、飛逸轉(zhuǎn)速1670轉(zhuǎn)/分、運(yùn)行最高效率92%、設(shè)計(jì)工況效率91%、發(fā)電機(jī)型號SFW6300-6/1730、額定電壓10.5千伏、額定轉(zhuǎn)速1000轉(zhuǎn)/分、額定功率6333千瓦、額定功率因素0.8、額定容量7920千伏安。

綜上，本次設(shè)計(jì)推薦HLA542機(jī)型為本電站采用主機(jī)，HLA542系列機(jī)組有較多的實(shí)際運(yùn)行電站例子、運(yùn)行情況較好。