夹岩水利枢纽坝后电站装机方案及选型设计

葛 曦，黄正财，杨 超，张建勋

(贵州省水利水电勘测设计研究院，贵州 贵阳 550002)

1 概 述

夹岩水利枢纽工程是贵州省1座以城乡供水和灌溉为主、兼顾发电并为区域扶贫开发及改善生态环境创造条件的综合性大型水利枢纽工程，由水源工程、毕大供水工程和灌区骨干输水工程3部分组成。夹岩坝后电站布置于大坝右岸下游冲沟出口，采用地面式厂房，一管三机布置型式，总装机容量为90 MW，保证出力为10.3 MW，多年平均发电量为2.198亿kW.h。电站最大水头113.4 m，加权平均水头110.5 m，最小水头95.5 m，泥沙含量0.65 kg/m3。

夹岩坝后电站具有大库容、低保证出力的特点，因此装机方案的确定需结合下放生态水的流量，重视机组长期运行的高效与稳定，同时考虑电站高水头且变幅较大的运行稳定性。

2 装机方案分析

机组台数的选择原则主要考虑机组的运行稳定性和运行维护管理、机电设备投资和厂房土建工程量等因素。

因该水利枢纽功能主要以供水和灌溉为主，发电为次要功能，水库调度运行方式是电调服从水调，因此在灌溉季节首先保证灌溉和供水功能，发电仅能利用下放生态水运行。为了保证机组长期高效稳定运行，提高发电量和机组使用寿命，结合电站的保证出力及该水头段混流式机组的稳定运行范围，选用3×30 MW和 2×36 MW+1×18 MW(大小机方案)两个装机方案进行技术经济比较。两个方案投资相差不大，大小机方案电站布置略微复杂，但运行调度比较灵活。

夹岩水库坝址下游4 km处为九洞天国家重点风景名胜区上游边界，满足河道景观和漂流的最低水深为1.35 m，采用曼宁公式计算出相应流量为12 m3/s。环境生态用水要求采用90%保证率法，将夹岩坝址1957—2011年最枯月水文分析计算，P=90%时，对应的流量为12.1 m3/s，故下放生态水流量定为12.1 m3/s。该流量与18 MW机组额定流量18.62 m3/s之比占62.8%，与30 MW机组额定流量30.91 m3/s之比为37.9%。本电站为混流式机组，主机出力稳定运行区间为45%～100%，在单独下放环境水的情况下，18 MW小机组可高效稳定运行；而3台30 MW的装机方案在这些工况下不在稳定运行区间。

因此，夹岩坝后电站机组台数推荐2×36 MW+1×18 MW的大小机方案。

3 机组选型设计

电站最大水头为113.4 m，此水头段适合的水轮机型式为混流式。该水头段至150 m水头段合适的转轮有HLA743、HLA630、HLA606、HLA384、D294A、HLA855、HLA801、 HLY190、HLA678等优秀转轮。

3.1 额定水头的选择

电站的运行水头为113.4～95.5 m，电站加权平均水头为110.5 m，水头变幅为17.9 m。额定水头在加权平均水头的0.95～1之间选定。从水头出现几率表得知(见表1)：本站高水头段113.4～107.0 m出现几率比较高，水头在107 m以上占78.2%。

目前国内外已运行的稳定性较好的水电站水轮机运行水头统计规律：最大水头与最小水头的比值小于1.5，最大水头与额定水头的比值小于1.15。考虑电站运行的稳定性，同时考虑机组出力受阻较小，确定本电站额定水头为107 m。

表1 水头出现几率

3.2 机型选择

择优选择HLA630、HLA743、HLA606等3种转轮(代表不同的转速)进行详细的技术经济比较。在机组选型计算过程中，重点计算比较了机组稳定性、能量指标、气蚀性能、运行工况、额定转速以及厂房尺寸等(见表2、表3)。

表2 36MW机组机型主要特征参数比较

(1)36MW机组代表转轮分析比较

效率：HLA630机型的模型最高效率94.75%，原型最高效率95.75%。水轮机额定效率93.96%、最大水头时效率95.12%、最小水头时效率93.27%，在3个选型方案中效率是最高的方案；HLA743机型效率次之；HLA606机型效率较低。

空蚀性能：HLA606最大空化系数0.05，吸出高度为-0.37 m，抗空蚀性能最好；HLA630空化系数0.08，吸出高度为-4.6 m，抗空蚀性能次之；HLA743最大空化系数0.123，吸出高度为-11.7 m，抗空蚀性能较差。

能量指标方面：3个方案中HLA630、HLA743转轮直径都为2.03 m、额定转速都为375 r/min，HLA630、HLA743水轮发电机组外形尺寸小、设备重量最轻、设备造价低，能量指标高。HLA606转轮直径2.19 m、额定转速333.3 r/min，其水轮发电机组外形尺寸大、设备造价高，能量指标比较低。

运行工况：HLA630、HLA606运行工况范围都比较好，最优效率在中、高水头之间，90%以上在高效率区，运行范围广；HLA743水轮机运行工况差。

综上所述，HLA630具有较高的效率，能量指标比较高，厂房开挖不大，推荐HLA630—LJ—203为本站大机代表机型。

表318MW机组机型主要特征参数比较

项 目方案一方案二方案三水轮机型号HLA630—LJ—150HLA743—LJ—134HLA606—LJ—165比转速197.9237.7169.8比速系数2 047.32 459.31 756.8额定转速/(r·min-1)500600428.6转轮直径/m1.51.341.65额定流量/(m3·s-1)18.6219.518.84水轮机额定效率/%94.9490.8593.9模型水轮机最高效率/%94.7594.2193.2效率修正值/%+0.87+0.87+0.95吸出高度-4.6-11.7-0.37气蚀系数0.080.1230.05

(2)18MW机组代表转轮分析比较

效率：3个方案中，方案一效率最高，HLA630机型的模型最高效率94.75%，原型最高效率95.62%。水轮机额定效率94.94%、最小水头效率93.16%、最大水头效率95.32%；方案二效率也比较高，但最小水头效率89.015%比较低；方案三HLA606模型最高效率93.2%，水轮机最大水头和最小水头效率都低。

空蚀性能：HLA606最大空化系数0.05，吸出高度为-0.37 m，抗空蚀性能最好；HLA630空化系数0.08，吸出高度为-4.6 m，抗空蚀性能次之；HLA743最大空化系数0.123，吸出高度为-11.7 m，抗空蚀性能较差。

能量指标方面：3个方案中HLA743转轮直径为1.34 m、额定转速600 r/min，能量指标比较高，水轮发电机组外形尺寸小、设备重量最轻、设备造价低，能量指标比较高，但厂房开挖很深。HLA630能量指标次之、HLA606的能量指标比较差。

运行工况： HLA630运行工况范围都比较好，整个运行水头都在最优效率区内；HLA743和HLA606水轮机运行工况都比较差，高水头运行工况偏移高效区。

综上所述，HL A630具有比较高的效率、机组尺寸小、设备重量最轻、厂房开挖不大、机组稳定运行范围广，因此推荐HLA630—LJ—150为本站小机代表机型。

HLA630转轮在天生桥二级电站、乌江渡电站扩机、龙背湾等许多水电站已成功运行。

4 结 语

夹岩水利枢纽及黔西北供水工程是1座大型水利枢纽工程，其主要功能为供水、灌溉，虽然有很大的库容，但是坝后电站装机容量并不大，保证出力也不高，电站主要是在下放生态流量时进行发电，丰水期也可以多发季节性电量；因此在装机方案选择时着重考虑了机组长时间运行的高效稳定性。采用大小机搭配的方案，使小机能够有较好的运行范围，同时大小机的搭配也涵盖了混流式机组的稳定运行范围。至于机组选型方面，由于水头变幅较大，因此着重分析了水头段出现的几率，保证机组在长期运行的水头范围内有较优的运行工况，选择了本水头段具有代表性的转轮。