长距离输水工程出口消能电站机组选择

2017-03-27马传波

东北水利水电 2017年3期

关键词：轴流式调水发电量

马传波

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110003）

长距离输水工程出口消能电站机组选择

马传波

（辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳110003）

消能电站是应用于长距离输水工程末端满足输水及消能功能，并可充分利用能量的工程措施。通过工程实例，综合考虑调水工程达产前后的流量及水头变化过程，并结合不同类型水轮机组特点，拟定组合方案，最终在满足调水安全的前提下，推荐技术合理、经济合适的机组。

长距离；输水工程；消能电站；机组选择

近年来，跨流域调水工程日益增多，有些调水工程进出口会具有较大的水头差。水头差大会产生高速水流，将带来一系列问题，主要有以下四方面：一是会发生强烈的压强脉动，由于高速水流的高度紊动使动水压强产生强烈的脉动，强烈的脉动有可能引起建筑物的震动，危害极大；二是当流速大时，有自由表面的水流中将掺入大量空气，变成乳白色的掺气水流，破坏液体连续性；三是水流不稳定时，边界发生急剧变化时，流线发生分离，形成旋涡，就会产生低压区，产生气蚀现象；四是发生波浪，由于流速快，局部很小的变化，都可能形成波浪，当波浪传到下游出口，使消能造成困难。因此必须在出口布设消能设施，以减少出流对隧洞出口处的冲刷和破坏。

消能阀和消能电站都是常见的消能型式。消能阀利用水流和空气大面积的摩擦生产雾化来进行消能，消能效果十分突出，同时对环境损害很小，而且其布置紧凑，占地小，操作灵活，运行管理方便、可靠，综合成本较低，适用于小流量调水工程。消能电站是将机械能转化为电能，由于需要布设发电厂房等设施，因此需要具备修建厂房的地形地貌条件，需要占用部分土地，且管理人员相对消能阀而言要增加，但是对于大流量、高水头的调水工程却可以创造一定的经济效益。消能电站选择合适机组对于工程良性运行至关重要。以某消能电站机组选择过程为实例，以调水工程水头、调水流量过程为基础，综合考虑轴流式水轮机和混流式水轮机的运行特点以及调研目前国内生产厂家实际情况，最终从技术和经济两方面确定推荐方案。

1 消能电站概况

该调水工程是利用输水隧洞将某大型水库的水自流引水临近流域某中型水库，输水隧洞全长99.54 km。调水进口水库正常蓄水位为318.48 m，死水位为281.48 m；出口水库正常蓄水位为236 m（电站尾水位）；最大净水头为70 m，最小净水头为12.50 m，加权平均水头为33.02 m；设计调水流量77 m3/s，最大调水流量120 m3/s。

2 电站机组方案比选原则

2.1 方案比较原则

1）工程主要任务是调水，发电只是输水的消能方式。所以电站运行首先考虑满足调水要求，其次才是发电。在满足输水消能的前提下，对各机组方案进行经济比较，据此确定经济合理的消能方案。

2）以调水过程线为依据，计算各方案多年平均发电量，根据方案投资、发电收益计算各方案经济指标。通过经济技术比较推荐采用经济较优且运行安全的方案。

2.2 机组水头范围论证

工程调水存在以下特点：

1）达产后调水特点：调大流量时间较长，调70 m3/s以上占60%；低水位调水时间长，水头50 m以下占75%，15～12.5 m占10%。

2）初期未达产时，存在着高水位调小流量的运行时段。正常高水位318.48 m以下，调30～50 m3/s以下，水头可达70 m。

水头范围选择既要满足达产后中低水头段长期运行要求，又要兼顾初期小流量调水高水头发电要求。考虑以上因素，确定机组水头范围为70～12.5 m。

2.3 轴流式和混流式水轮机特点

因电站水头变幅大，采用一种机型无法满足运行要求。混流式水轮机运行水头范围较小并适合高水头段运行，轴流式水轮机运行范围较宽，但适合在低水头段运行。

轴流式水轮机的水头范围差异也较大，最大水头与最小水头比值通常不超过2.3倍，其最大可以达到3.5倍。轴流式运行范围对电站装机容量影响较大。轴流式水轮机水头变蝠较大的电站工程实例见表1。变蝠较大的工程实例较少，而多集中在哈电、东方为代表的一流企业名下。

表1 轴流式水轮机变蝠较大的电站工程实例

通过对有代表性的水轮机生产厂调研后，有天发、杭州江河、浙江舜飞3家水轮机厂对消能电站轴流机组50～12.5 m运行范围进行了CFD分析，根据CFD分析结果，3家均认为50～12.5 m运行是不稳定的。舜飞的结论是45～12.5 m可以保证稳定运行；江河的结论是40～12.5 m可以保证稳定运行；天发的结论是45～12.5 m可以保证稳定运行，但需要进行详细复核计算。

参考以上3家的CFD计算结果及工程实例，轴流式水轮机水头范围按3种考虑：45～12.5 m，40～12.5 m，35～12.5 m。其中45～12.5 m和40～ 12.5 m都没有相近工程实例，如果采用需做模型试验。35～12.5 m的最大与最小比值达到2.8倍，超过常规，但有相近工程实例。而且，从各家提供的模型特性曲线上判断，都在模型特性曲线范围内。参考专家意见，采用水头运行范围35～12.5 m的轴流式水轮机是可以不做模型试验的。

2.4 方案拟定及经济比较

根据轴流式的水头范围，拟定以下3组方案进行比较。

A组：采用轴流和轮流两种机型，2台轴流式水轮机（水头范围12.5～45 m），2台混流式水轮机（水头范围42～70 m）。

表2 A组方案水轮机参数表

2台机型1与2台机型2～5分别组合，拟定4套方案，针对4套方案进行经济比较：方案1投资11 211万元，多年平均发电量11 237万kW·h；方案2投资11 569万元，多年平均发电量11 433万kW·h；方案3投资11 687万元，多年平均发电量11 530万kW·h；方案4投资12 075万元，多年平均发电量11 618万kW·h。采用差额内部收益率方法进行比较，方案2与方案1差额内部收益率13.09%，投资大的方案2较优；方案3与方案2差额内部收益率19.23%，投资大的方案3较优；方案4与方案3差额内部收益率7.32%，投资小的方案3较优。则A组中方案3较优。

B组：同样采用两种机型，2台轴流式水轮机（水头范围12.5～40 m），2台混流式水轮机（40～70 m）。

方案组合同A组，同样拟定4套方案并进行经济比较：方案1投资11 201万元，多年平均发电量10 443万kW·h；方案2投资11 499万元，多年平均发电量10 731万kW·h；方案3投资11 667万元，多年平均发电量10 948万kW·h；方案4投资11 997万元，多年平均发电量11 028万kW·h。采用差额内部收益率方法进行比较，方案2与方案1差额内部收益率18.85%，投资大的方案2较优；方案3与方案2差额内部收益率39.64%，投资大的方案3较优；方案4与方案3差额内部收益率7.77%，投资小的方案3较优。则B组中方案3较优。

表3 B组比较方案水轮机主要参数

C组：采用3种机型，2台轴流式水轮机（水头范围12.5～35 m），2台混流式水轮机,其中，1台低水头运行（35～55 m)，1台高水头运行（42～70 m)。

表4 C组比较方案水轮机主要参数

2台机型1与2台机型2～5分别组合，拟定4套方案。针对4套方案进行经济比较：方案1投资11 350万元，多年平均发电量10 180万kW·h；方案2投资11 786万元，多年平均发电量10 590万kW·h；方案3投资11 889万元，多年平均发电量10 770万kW·h；方案4投资12 309万元，多年平均发电量10 944万kW·h。采用差额内部收益率方法进行比较，方案2与方案1差额内部收益率21.77%，投资大的方案2较优；方案3与方案2差额内部收益率37.92%，投资大的方案3较优；方案4与方案3差额内部收益率7.9%，投资小的方案3较优。则C组中方案3较优。

A、B、C组方案中，都是方案3为最经济方案。对3组中较优方案再进行经济比较，A3方案投资17 884万元，多年平均发电量11 530万kW·h；B3方案投资17 884万元，多年平均发电量10 948万kW·h；C3方案投资18 560万元，多年平均发电量10 770万kW·h。从经济上比较，A3方案投资最省，发电量最多，为最经济方案，其次为B3。C3投资最大、发电量最小，为最不经济方案。A3运行范围宽，灵活性、经济性最好，但安全性最差。本着安全第一的原则，不推荐采用A3方案。C3方案因其水头范围相对较窄，所以其运行安全可靠性最高。但其发电量最少、投资最大，为最不经济方案；且机型数量多，调度、运行复杂，日常维护工作也大；同时在高水头段只能一台机组运行，在高水位最大调水量仅为30.5 m3/s，少于隧洞能达到的调水量，运行灵活性较差。B3方案安全可靠性强于A3，与C3方案比，除安全靠性稍差外，其经济性、运行灵活型性均优于C3方案。B3水头范围稍宽，但根据已掌握的部分水轮机模型曲线和参考几家CFD分析成果多数厂家是可以达到的，参考专家意见需要做模型试验已保证其运行安全可靠性。综合比较，推荐采用B3方案，2台12 000 kW轴流式水轮机（40～12.5 m），2台13 000 kW混流式水轮机（70～42 m），电站最大运行容量为26 000 kW。