奎屯河三级水电站水轮机技术参数比选

2015-12-15肖仁杰

地下水 2015年4期

肖仁杰

(奎屯农七师勘测设计研究院(有限公司)，新疆奎屯833200)

1 工程概况

奎屯河三级水电站位于新疆省生产建设兵团第七师境内奎屯河流域中奎屯河的上游，是奎屯河流域奎屯河上梯级开发的第3个水电站。奎屯河三级水电站工程主要的工程任务是引水发电，同时保证第七师、乌苏、奎屯市、独山子的工农业生产生活用水，引水道设计流量为50 m3/s。电站发电设计净水头145.5 m，发电流量48.32 m3/s，电站装机60 MW，年利用小时数3 281 h，年发电量20 670万 kW·h。电站建成后，可有效改善当地供电区供电用电情况。

2 电站基本参数

2.1 水位

前池水位:正常水位:972.46 m

最高水位:973.74 m

最低水位:969.58 m

尾水位:最高尾水位:822.59 m

设计尾水位:820.42 m

最低水位:820.16 m

2.2 水头

最大毛水头:149.87 m;

设计水头:145.5 m;

最小净水头:143.1 m。

2.3 流量

多年平均流量:20.3 m3/s;

历年月平均最小流量:4.3 m3/s;

电站引用流量:50 m3/s。

2.4 泥沙

全年过机泥沙平均含量:1.187 kg/m3;

汛期过机泥沙平均含量:1.795 kg/3;

2.5 主要动能参数

装机容量:60 MW;

装机台数:3台;

年利用小时数:3 281 h;

电站在系统中的运行方式:基荷、非调相。

3 水轮机参数分析选择

奎屯河三级水电站水头范围在143～150 m间，为中水头电站。根据电站的水头范围及引水流量，确定水轮机型式为混流式水轮机。按比转速选择水轮机仍是现阶段选型的主要手段，根据本电站水头变幅和含沙量特点，不片面强调高参数、高能量指标，而更注重机组运行的稳定性及水轮机的空蚀性能。

3.1 额定水头的选择

按《GB/T15468-2006水轮机基本技术条件》额定水头是指发电机发出额定功率时，水轮机所需的最小工作水头。奎屯河三级水电站为中水头电站，水轮机的额定水头宜在加权平均水头的0.95～1范围内选取，经多方面比较论证后选取为145.5 m。

3.2 水轮机能量参数的确定

3.2.1 比转速和比转速系数的选择

水轮机比转速ns和比转速系数K是衡量水轮机能量特性、经济性和先进性的综合性指标。目前世界上普遍采用比转速系数k值来反映水轮机的设计，制造技术水平。在工程应用中大容量水轮发电机组为缩小机组及厂房尺寸，节省投资，提高电站的经济效益，在可能的条件下，倾向于选择较高的比转速ns和比速系数K。但是比转速ns的提高受到泥沙磨损、空化性能、运行稳定性等诸多因素的制约，不能只追求的过高指标，还需要结合本电站的特点，对其进行综合分析比较，以确定合适的指标。

表1列出国内部分中型混流机组的比转速ns值和K值，其中比转速ns值在170～210 m·kW(其相应机组额定水头为160～130 m)，比速系数K值在1 100～2 000之间。机组额定水头越高，比转速越低，但随着时间的推移有不断增大的趋势。

从表1列出的已运行的中型混流机组的参数可以得出，比转速ns为100～270 mkW，比数系数为1 100～2 050，其中古尔图河、奎屯河、玛纳斯河三条河流地理位置较近，泥沙颗粒、成分、含量等参数相当，上述四座电站在电站引水口均有沉砂池等泥沙处理措施。其中古尔图河三级站转轮磨损情况较为严重，运行一年后转轮就需要进行大的修补。其余三座电站运行情况相对较好，转轮基本可以运行两到三年不需进行大修补焊。

表1 国内部分中型混流机组的比转速ns值和K值

考虑到目前国内常用转轮的比转速约为150～350 mkW，且本电站的额定水头比较高，汛期泥沙含量比较高。经分析比较，本电站水轮机的比转速ns值宜选定在120 m·kW左右，比速系数K值为1 300左右。

3.2.2 单位转速和单位流量的选择

选用较高的单位转速，可以减小发电机的尺寸和重量;选用较大的单位流量，可以减小水轮机的尺寸和重量。但水轮机强度、空化和运行稳定性等诸多因素又制约着单位转速和单位流量的提高。随着水轮发电机组设计、制造及其相关技术的发展与进步，单位转速和单位流量较以前都有了很大的提高。

根据选定的比转速值120 m·kW左右、以及现阶段国内相同水头段水轮机的使用情况及其制造水平和相关资料。结合本电站的过机泥沙含量，经计算分析比较，初步确定本电站水轮机额定工况的单位转速为60～65 r/min之间，单位流量为400～600 L/s之间。

3.2.3 水轮机效率的选择

效率是水轮机的一个重要参数。目前国内外大型水轮机模型最优效率值均以超过93.5%。根据本电站的实际情况，比较合理、可行的选择是:水轮机模型最高效率应不低于92% ，原型水轮机最高效率应不低于93.5%;额定工况模型效率应不低于90% ，额定工况原型水轮机效率应不低于91% 。

表2 水轮机模型转轮技术参数比较

表3 奎屯河三级水电站原型水轮发电机组各方案技术参数比较(额定工况)

3.3 原型水轮发电机组及参数的选择

奎屯河三级水电站水头范围在143～150 m间，为中水头电站。根据电站的水头范围，以及水电站的引水流量，水轮机转轮应选择混流式。适用于本电站水头段的混流转轮较多，本次选择了具有代表性的A339、A550、A678、A575c型转轮，这些转轮已广泛应用于国内中型混流式电站，可以作为本电站水轮机参数选择的依据。A339、A550、A678、A575c等转轮的模型参数列于表2。并拟定了4个原型水轮发电机组选择方案(见表3)进行了计算比较。

从上述选型计算比较结果可以看出，各种形式的水轮机均可适用于本电站，但经详细比较论证后发现不同型号的水轮机还存在以下不同的优缺点:

(1)HLA339—LJ—160型水轮机的机组效率相对较低，空蚀系数相对较大，所以计算出来的吸出高度较小，导致机组安装高程低，厂房开挖大，从而增大了厂房的土建投资。

(2)HLA550—LJ—180型水轮机的转速低，转轮直径大，机组造价高，而其效率不如HLA575c型水轮机的效率高。

(3)HLA678—LJ—145型水轮机虽然转轮直径小，机组造价低，效率相对较高，但其空蚀系数大，并且转速较高。由于本站过机水流含沙量大，考虑到运行期转轮的磨蚀情况，降低维修成本。本电站不推荐适用转速较高的水轮机型号。

通过上述几个方案的比较，可以看出方案四中的HLA575c—LJ—160型水轮机不仅具备其他机型所具有的优点外，而且还具有效率高、高效区范围广、转速适中、转轮直径相对较小等优点。再根据选型计算和转轮综合特性曲线分析，水轮机的型号初步推荐HLA575c—LJ—160机型，并相应地选用SF10—12/3250型发电机。