小漩水电站水轮发电机组选型设计

2015-03-16许建文

小水电 2015年6期

关键词：水电站

许建文

(湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北武汉 430064)

小漩水电站水轮发电机组选型设计

许建文

(湖北省水利水电规划勘测设计院，湖北武汉 430064)

摘要：小漩水电站是湖北省堵河流域规划开发实施的一部分，作为上游梯级水电站的反调节电站，机组的运行稳定性需要重点设计考虑。通过分析该电站与一般径流式水电站的不同特征,对额定水头与本电站接近的国内外大中型灯泡贯流式机组的参数进行统计比选, 提出本电站机组较为合理的比转速及比速系数，在此基础上确定较为合理的水轮发电机组参数。表8个。

关键词：水电站；额定水头；比转速；比速系数；选型设计

1工程概况

小漩水电站位于湖北省十堰市竹山县境内堵河干流中上游, 堵河是长江一级支流汉江中上游南岸1条较大的支流；电站总装机容量50 MW,多年平均发电量1.494亿kW·h,年利用小时数2 988 h。

小漩水电站工程开发任务是以发电为主，兼可改善库区航运，并对上游梯级潘口水电站进行反调节。潘口水电站在系统中主要承担调峰、调频和事故备用，小漩水电站作为下游反调节梯级，其回水至潘口水电站坝址，可调节潘口电站的生态基流，有效提高潘口电站的调峰作用。

小漩水电站工程主要建筑物由泄水闸、电站厂房、两岸连接土石坝段、斜面升船机等部分组成；本工程是堵河流域规划开发实施的一部分，工程建成后能整体提高流域开发效益，同时是促进地区经济的持续发展以及带动湖北电力系统发展和电源结构优化的需要，是应对气候变化的积极举措，有较好的经济效益和社会效益。

2电站主要参数

电站最大水头16.20 m，加权平均水头13.97 m，最小水头5.29 m，保证出力12.7 MW，多年平均含沙量0.697/0.118 kg/m3。

3水轮发电机组选择

3.1　机组型式选择

小漩电站水头范围为5.29～16.20 m，适应该水头范围的机型有贯流式和轴流式机组，其中灯泡贯流式机组有水流形态好、水力损失低、厂房开挖量省、机组尺寸小及造价低、能量参数水平高等明显优势。对贯流式和轴流式两种机型均按照装机3台进行方案比较，轴流式选用JK509转轮，贯流式选用995a转轮(见表1～表2)。

通过表1的比较可见：JK509转轮在单位过流量、单位转速和效率方面均不及GZ995a，虽气蚀系数相对较小，但因尾水流道为立式弯肘形，流道最低部位的高程较低及厂房开挖深度较大。通过表2的比较可见：相对于贯流机组方案，轴流机组方案存在机组总重大、造价高、机组效率低、比转速水平低、厂房土建工程量大、厂房尺寸及开挖深度大的劣势。综合分析,本站选用灯泡贯流式机组。

表1　水轮机模型参数对比(一)

表2　机组型式比较表

3.2　水轮机参数水平确定

(1)比转速选择

水轮机比转速及相应的比速系数是表征机组技术经济性的综合指标。本设计参考目前国内外已装类似机组的比速水平，用参照法和统计法综合确定较为合理的比转速及比速系数(见表3)。

由表3可见，单机容量较大的机组比速水平较高，如石岛、金银台等机组的比速系数多在2 950～3 050左右；单机容量在20～25 MW之间的机组如马回、那吉、双岭等，其比速系数多在2 850～2 950之间；单机容量在15～20 MW之间的机组如格兰陵、科斯卓姆、竹洲、廖坊等，其比速系数多在2 720～2 820之间；单机容量在15 MW以下的机组如高砂、赵山渡等约在2 520～2 680之间。

本站选型对贯流机组制造经验及业绩相对丰富的厂家进行了在国内供货的贯流机组业绩统计，共统计目前国内已投运的贯流式电站业绩156个，其中最高水头在15.0 m以上或额定水头在12.0 m以上的机组有17个，占比不到11%；由此可见本站的机组容量虽然不大，但运行水头并不低。由于上游梯级潘口电站的容量较大，且在系统中主要担任调峰调频的作用,而本电站容量较小，主要任务之一是作为潘口电站的反调节电站，与潘口电站一起发挥流域的整体效益，因此本电站机组的稳定运行是设计需要强调的重点。

为保证机组运行的稳定性，本电站机组不宜单纯追求过高的参数水平。经综合分析，本电站的比速系数在装机2台25 MW时取2 800～2 850左右，在装机3台16.67 MW时取2 700～2 750左右，在装机4台12.5 MW时取2 550～2 600左右。相应的比转速分别为792～806、764～778、721～735左右。

(2)单位参数选择

经验公式(1)为：

Q11=5.317 8ns0.918/1 000

n11=78.95+0.114 4ns

据此计算单位转速宜为166～169 r/min，单位流量为2.35～2.43 m3/s。

经验公式(2)为：

Q11=2.84×10-3ns1.00755

n11=4.197ns0.5542

据此计算单位转速宜为166～169 r/min，单位流量为2.27～2.36 m3/s。

根据比转速及单位参数匹配情况，经分析计算，小漩电站在装2、3台机和4台机时水轮机额定点的单位流量分别为2.35、2.30 m3/s和2.25 m3/s左右，单位转速分别为170、165 r/min和160 r/min左右。

(3)效率参数选择

参照国内外灯泡贯流式水轮机的模型转轮参数、真机制造精度和实际运行情况，本站所选水轮机的额定效率不低于93.0%，最高效率不低于94.0%。

3.3　水轮机模型选择

根据选定的水轮机参数水平及国内现有的转轮模型和制造能力，选择4叶片的GZSK111B和GZ995a转轮进行参数比较(见表4)。

表3　大中型灯泡贯流式机组参数

表4　水轮机模型参数对比(二)

根据表4参数分析，GZSK111B与GZ995a的单位流量和单位转速相差不大，GZ995a的气蚀性能略好，效率较高,因此本站选用GZ995a的模型转轮参数进行机组的选择计算。

3.4　额定水头选择

小漩电站为低水头径流式日调节水电站，上游水位基本在正常蓄水位和死水位之间波动，变幅不大，而下游受下泄流量影响，变幅较大。

虽然以临界水头做额定水头最能节省机组投资，但此时电站发电量与投资的关系并不一定最合理。为确定电站合理的额定水头，本站选型设计综合考虑临界水头、下游水位变化等各种因素，初拟了12.8、12.5 m和12.2 m共3个额定水头进行电能和投资比较(见表5)。

表5的计算和比较说明，不同额定水头方案之间的差别主要是机组的总重量/造价和年发电量的差别。额定水头从12.8 m 变为12.5 m时补充单位电量投资仅为2.72元/kW·h，具有较好的经济性，从12.5 m 变为12.2 m时补充单位电量投资上升为4.15元/kW·h，经济技术性能相对变差；经综合比较选定额定水头为12.5 m。

表5　不同额定水头的技术经济比较

3.5　装机台数和单机容量比选

本站总装机容量50 MW，选型设计按照装机2、3、4台的方案进行技术经济较，并综合分析各装机台数方案的制造难度和运行调度维护等因素(见表6～表8)。

表6　机组技术参数及工程投资比较

表7　机组制造难度比较

表8　国内部分电站发电机综合难度

(1)根据贯流式机组制造难度理论分析，3种方案的机组总体制造难度均不大。其中水轮机的制造工艺难度系数即使是2台机方案也只是338，在国内各电站中属于较低的水平。发电机的各种难度系数中，2台机方案的推力负荷、推力轴承难度系数及发电机综合难度相对稍大，经过对国内部分电站水轮发电机的综合难度进行统计(见表8)，结果表明：3台机方案和4台机方案的发电机综合难度较小，而2台机方案的发电机虽单机容量不大，但综合难度属于中等水平。从国内各制造厂的生产业绩进行分析，生产过额定容量25 MW以上同时转速在115.4 r/min以上的灯泡式水轮发电机的厂家较少，而且本站最大水头和额定水头在已投运的贯流式机组中属于中等水平。

因此，3台机和4台机方案机组制造难度较小，2台机方案机组制造难度接近中等。

(2)从运行调度方面分析，上游梯级潘口水电站装设2台250 MW机组，该站水库为完全年调节，电站在系统中的作用以调峰调频为主。小漩电站除了与潘口水电站同步发电以外，还能在潘口水电站停机时利用调节库容发电并兼做生态流量下泄。根据潘口电站的设计资料，该站有88%的几率下泄流量在430～678 m3/s之间，此下泄流量范围内小漩电站装设2、3、4台机方案的水轮机工况点均在高效稳定区，能量特性和空化特性区别很小。

经分析，冬季的生态发电流量约为56 m3/s，此时2台机方案的水轮机运行区域单位流量较小(0.56 m3/s)，已严重偏离高效区，且发电容量仅占发电机额定容量的24%左右,对机组的运行稳定性能及设备使用寿命不利；而3台机方案和4台机方案的运行区域较为合理,水轮机效率分别约为90.5%和91.2%,发电容量分别占发电机额定容量的39%和52%左右。夏季的生态发电流量约为129 m3/s，此时3台机方案的运行区域最为合理，水轮机效率约为94.3%，发电容量占发电机额定容量的89%左右；2台机和4台机方案则相对较差一些，水轮机效率分别为93.4%和93.6%，发电容量占发电机额定容量的59%左右。

因此，在与潘口电站的运行匹配程度上，小漩电站装3台机和4台机方案要优于2台机方案。

(3)在总投资方面，2台机方案最省，3台机方案次之。在预想年发电量方面，4台机方案最高，3台机方案次之。相对于2台机方案来说，3台机和4台机方案所增加电量的单位电能投资分别为3.05元/kW·h和4.73元/kW·h；因此，3台机方案的经济性指标相对较好。

综合分析，考虑到工程造价、机组制造难度、电站的发电量、运行调度的灵活性及与潘口电站的运行匹配等因素，本站推荐选用装机3台的方案。