十月水电站改造工程水轮机和发电机选型计算分析

舒 婧

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

新疆自治区水能理论蕴藏量超过3355.45万kW，可开发的水能资源约为853.5亿kW。为充分利用水能资源，自治区各级政府大力发展各类型水力发电设施，经过近20年发展取得了很大成绩。但随着地区经济发展，自治区很多老旧水电站存在效率低下、设备老化等问题，对该些水电站进行改造升级成为当前自治区水利工程建设的重要内容。

1 工程概况

十月水电站位于温泉县哈日布呼镇，博尔塔拉河北岸，东距博乐市38 km，西距温泉县城50 km，该水电站是对原四级电站和五级电站两个电站进行改造，使两级电站合为一级开发，为引水式水电站，改造后的十月水电站设计流量9.5 m3/s，设计水头22.8m，最大水头24.2m，最小水头21.84m，装机容量1800kW。

2 水电站水利动能计算

根据温泉水文站31年实测径流资料，选定三个设计代表年：丰水年P=10%、平水年P=50%、枯水年P=90%。其中选取1998年为P=10%典型年，1981年为P=50%典型年，1993年为P=90%典型年。生态基流取为年均流量的10%，排冰排沙取为年均流量的5%，扣除这一部分流量后，将博尔塔拉河温泉站丰、平、枯三年的月平均流量按流量递减次序排列。

十月水电站的水能计算成果见表1（部分），其出力～保证率关系曲线见下图1；出力～电量累积曲线见下图2；流量～保证率累积曲线见下图3；流量~出力曲线见下图4。本水电站设计保证率P=75%，可在曲线上查出保证出力Np=600 kW，对应的保证流量Q=1.5 m3/s。根据径流调节计算的原则和方法及采用的基础资料进行计算，得出十月水电站保证出力为600 kW，多年平均年发电量670.45万kW·h，装机年利用小时数3725 h。

表1 十月水电站水能指标计算表（部分）

图1 十月水电站出力～保证率关系曲线

图2 十月水电站出力～电量累积曲线

图3 十月水电站流量～保证率累积曲线

图4 十月水电站流量~出力曲线

3 水轮机选型确定分析

（1）水轮机机组形式确定

根据十月水电站的设计水头和水头变化范围，可选择的机组形式有轴流式机组和混流式机组，两种形式的机组优缺点对比如下：①轴流式机组的汽蚀系数是混流式机组的2倍，因此增加了厂房造价；②轴流式机组的水推力系数约为混流式的2倍～4倍，推力轴承荷重大，机组造价较高。综合分析：本项目适合选择混流式水轮机组[1]。

（2）水轮机机组型号确定

通过市场调研，适合本项目的混流式机型有HLA551、HL820等。虽然上述两种机型转轮高效区范围都较广，但从经技术经济分析优选HLA551转轮，理由如下：①HLA551转轮上冠、下环、叶片材质均选用0Cr13Ni4M，空蚀系数为0.19，抗空蚀、耐磨性能好；②该轮机模型单位流量大，最高效率达93.2%[2]；③蜗壳采用全圆端面直接搭接座环焊接结构及特殊水力设计，从0～45°范围内，断面尺寸不变，减少了因断面面积突然缩小所带来的水流撞击和摩擦损失，保证了机组的高效性；④在国内很多中小型水电站得到广泛应用，技术成熟可靠。因此最终拟定十月水电站小机选HLA551-WJ-75型水轮机（模型特性曲线见图5），大机选HLA551-WJ-105型水轮机，具体参数见表2[3]。

图5 HLA551-WJ-75型水轮机模型特性曲线

表2 水轮机型号及详细参数

4 发电机选型分析

水轮机型号确定后，与之配套的水轮发电机型号也就确定了，十月水电站设计选择的卧轴水轮发电机型号及具体参数见表3[4]。

表3 发电机技术参数

5 水轮机和发电机组合方案确定分析

5.1 组合方案设计

由于十月水电站要求保证出力为284 kW，根据该河段干渠各月来水分配情况，初拟以下两种机组组合方案：方案一，一台600 kW和一台1200 kW，总装机容量为1800 kW；方案二，3台600 kW的机组，总装机容量为1800 kW。具体两种方案的各项设计参数见表4[5]。

表4 两种设计方案具体参数

5.2 组合方案比选分析

在此从以下几个方面对表4中的两种方案进行比选分析：①从水资源利用方面分析，方案一和方案二均能充分利用水资源，此方面两方案无差别；②从经济效益方面分析，方案一的投资较方案二少133.84万元，此方面方案一占优；③从施工角度分析，方案一为两套设备，方案二为三套设备，施工工期方案一占优。综合分析：十月水电站最终确定方案一为最终方案。

5.3 调节保证验算分析

调节保证计算目的是要在甩负荷工况中，正确而合理地解决导水叶关闭时间、压力管的压力上升值及机组速率上升值三者之间的关系。根据相关规范：机组容量占电力系统容量比重小时，甩全负荷时最大转速上升率不允许超过50%，水轮机蜗壳最大水锤相对升高值不超过70%。十月水电站的小机、大机调保计算公式如下[6]：

式中：ζ相对为水锤相对升高值；σ为特性系数。

经计算，十月水电站的小机水锤压力相对升高值为54.1%，速率升高值为41.1%；大机水锤压力相对升高值为57.5%，速率升高值为45.2%，均满足规范要求，可保证机组和管道安全。

5.4 主要电气设备选择

十月水电站所在区海拔高程823.5 m，年平均气温3.5℃，极端最高气温25.9℃，极端最低气温-18.1℃，最大冻土深度1.8 m，年最大风速2.6 m/s，地震设防烈度Ⅶ度。

（1）厂用变压器容量选择

一般小型水电站厂用电容量只占全站总装机容量的1%～3%，本站厂变容量取3%，则变容量Sj=（600+1200）×3%/0.8=67.5 kVA，故厂变容量选择100 kVA，其型号为SC-100/10.5（放置在高压开关柜内）。

（2）10 kV高压开关柜

高压开关柜选用XGN2-12型固定式，柜内主开关采用ZN28A—12/630-25 kA真空断路器，配CT—19Ⅱ型弹簧操动机构，隔离开关采用GN30—12D/630型旋转式。

6 结语

通过结合十月水电站的实际情况，本项目最终确定选用1×600kW+1×1200kW的水轮机搭配方案，并且选择了SFW600-12/1180和SFW1200-16/2150发电机与之组合。经过调节保证验算分析后得出小机和大机的水锤压力均满足规范要求，说明本项目的选型是合理的。水轮机和发电机是核心设备，必须经过详细比选论证，不可照搬其他工程，否则无法将设备发挥出最大效益。