盖孜水电站高水头水轮机选型设计

2017-07-31安刚

水电站机电技术 2017年6期

关键词：混流式斗式水轮机

安刚

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000）

盖孜水电站高水头水轮机选型设计

安刚

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐 830000）

针对盖孜水电站高水头水轮机的特点，通过可研和招标阶段设计对水轮机参数进行优化，提高了电站长期运行的稳定性和可靠性。

盖孜水电站；高水头水轮机；机组选型；混流式；水斗式

1 工程概况

盖孜水电站是盖孜河流域梯级开发的第二级电站，电站位于新疆维吾尔自治区克孜勒苏柯尔克孜州阿克陶县境内，距阿克陶县城约67 km，距喀什市约120 km。电站为径流式电站，采用引水式开发，装机容量为116 MW，工程开发任务是水力发电，与布仑口—公格尔电站同步运行，承担电力系统调峰任务。工程主要有引水调节池、发电引水系统、压力管道（一管三机，约11.45 km）、电站地面厂房、尾水渠、尾水节制退水闸、反调节池和反调节池引水闸及放空检修洞等组成。

2 电站基本参数

（1）前池特性

正常水位 2 625.67 m

最低水位 2 624.792 m

调节性能无

（2）尾水位

最高尾水位 2 254.47 m

正常尾水位（3台机满发） 2 254.06 m

设计尾水位（1台机满发） 2 252.77 m

（3）水头

最大水头（毛水头） 373.77 m

加权平均水头（净水头） 360.48 m

额定水头（净水头） 347.0 m

最小水头（净水头） 346.33 m

（4）多年平均悬移质含沙量 0.021kg/m3

（5）电站动能指标

装机容量 116 MW

多年平均年发电量 3.83亿kW·h

年利用小时数 3 308 h

保证出力 38.3 MW

3 机组机型和台数选择

盖孜水电站水头为 346.33～373.77 m，Hmax/Hr=1.077、Hmin/Hr=0.998、Hmax/Hmin=1.079，在该水头段可供选择的水轮机型式有混流式与水斗式两种。可供选择机组台数有2台、3台和4台。对于4台机方案，由于其单机容量偏小、额定转速偏高、机组尺寸小、设计制造运行维护困难，可能给机组的稳定运行留下隐患，而且在初期投资和年维护费用方面，也比其它方案大。故4台机方案不宜推荐。

综上所述，对机组机型和机组台数的选择可组合成2×54 MW混流式、水斗式，3×38.7 MW混流式、水斗式四个方案作全面的分析。

3.1 机组机型选择

（1）在技术经济参数方面，由下页表1可知，混流式机型与水斗式机型相比，具有以下优点：

1）投资低，3台混流机型方案分别比2台水斗和3台水斗机型少354万元和631万元；

2）混流式水轮机效率高，最高效率比水斗式高，有试验资料表明，通常采用长短叶片的混流式水轮机在出力范围为(50%～100%)Nr时的效率始终比水斗式水轮机高。水斗式水轮机效率随出力变化较小，但对水头变化敏感。混流式机型的多年平均发电量要比水斗式多。

表1 四个方案的性能和经济比较表

3）由于排出高度和吸出高度的要求，水斗式水轮机转轮需装设在最高尾水位以上约3 m，而混流式水轮机转轮需装设在设计尾水位以下8 m，考虑下游尾水位变幅，由此水斗式水轮机会因水头利用不充分造成一定电量损失。

近期（不考虑其下游梯级规划的托尕依水电站调节池）尾水变幅，水斗式水轮机比混流式水轮机将少利用水头约4.5m，造成年电量损失约800万kW·h。

4）盖孜电站负荷变化范围一般在40～116MW，低于40 MW的机会小，有利于发挥混流式机型的优势。

（2）在运行维护方面，水斗式机型与混流式机型相比，有以下特点：

1）混流式水轮机结构复杂，易损部件较水斗式水轮机多，检修、更换和维护工作量大，运行维护费用较高。

2）混流式水轮机过流部件多，迷宫及导叶端面间隙小，受泥沙磨损影响后更换不方便，检修工作量大。但盖孜水电站过机泥沙小，预计泥沙磨损轻微，大修间隔时间较长。

3）水斗式水轮机在含沙水流下运行，喷针头、喷嘴口环及水斗分水刃的磨损也非常剧烈，但这些部件相对独立，更换方便（在有备件的情况下，1～2 d即可完成）。

4）混流式机组发生振动、噪音及不稳定的机率较高，但大多制造厂家认为只要设计合理，尾水管压力脉动幅值 (即峰峰值)ΔH一般可控制在相应水头的3%。

鉴于以上原因，混流式机型初期投资低，效率高，多年平均发电量高约800万kW·h；水斗式水轮机具有运行、维护简单和零部件更换方便，检修工期短等特点，具有较好的运行维护性能；而盖孜电站机组过机泥沙含量轻微，由泥沙磨损引起的机组检修机会少。

因此本阶段推荐选用混流式机型。

3.2 机组台数选择

由表1可得，两种混流式方案水轮机工作范围及所得电量相当；主要机电设备及主厂房土建投资3台机方案高约213万。但3台机运行灵活、方便，检修时对电站出力影响小一些。另外，2台机比3台机在出力分配上出现高水头、小出力工况的可能性大，可能给机组的安全稳定运行留下隐患；另一方面盖孜电站接布仑口水电站的尾水，与布仑口水电站联合调峰，装机台数与之匹配有利于水能资源充分利用。从提高梯级电站联合运行效率及灵活性角度，故推荐选用3台机方案。