兰州市水源地建设工程彭家坪调流调压站机组选型设计

杨尚宇　刘绍谦　王文先

摘 要：兰州市水源地建设工程是以供水为主、发电为辅的工程，机组主要作用是消能，装机容量确定及机组选型均有别于常规电站项目。本文详细论述了本工程的设计思路，可为同类型项目提供一定的设计参考。

关键词：水源地建设工程;调流调压站;装机容量;机组选型

中图分类号：TV554 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）32-0101-02

Unit Selection Design of Pengjiaping Regulating Station of Water

Source Construction Project in Lanzhou

YANG Shangyu LIU Shaoqian WANG Wenxian

（Yellow River Survey， Planning， Design and Research Institute Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： The water source construction project in Lanzhou city is mainly water supply， followed by power generation. The main function of the unit is energy dissipation. The determination of installed capacity and unit selection are different from conventional power station projects. In this paper， the design idea of the project was discussed in detail， which could provide some design reference for the same type of project.

Keywords： water source construction project;flow regulation station;installed capacity;unit selection

1 工程概況

兰州市水源地建设工程是为了将刘家峡水库作为引水水源地向兰州市供水。彭家坪支线调流调压站消能设施布置在分水井的下游，距离分水井处约300.0m，分水井与取水口之间为长31.29km的有压输水隧洞。彭家坪支线调流调压站的主要功能是将水流的富余能量消除，使水流可自流至彭家坪水厂。水轮发电机组以满足流量供应为主，流量调节是其主要职责，发电效益次之。

2 调流调压站基本参数

校核洪水位为1 738.00m，正常蓄水位为1 735.00m，最低发电水位为1 717.00m，死水位为1 694.00m;正常尾水位（流量Q=15.0m3/s）为1 639.00m，一台机满发尾水位（流量Q=5.0m3/s）为1 637.85m;最大水头为101.00m，水轮机发电最小水头为73.40m，极限最小水头为50.40m，加权平均水头为81.20m;近期引水流量为11.6m3/s，远期引水流量（远期）为15.5m3/s，彭家坪水厂水处理能力为（4×2.95）m3/s。

3 装机容量选择

装机容量的确定有别于常规的发电项目。为充分利用水轮发电机组发电，选型时应保证理论计算的水轮机总流量大于供水流量。根据混流式水轮机运行特性及水头变幅，水轮机最大流量发生在额定水头工况，但由于发电机出力限制，水轮机最小流量发生在最大水头工况（101m）[1]。为此，对于不同的装机台数，水轮机最大水头时的流量应不小于11.6m3/s，确定调流调压站总装机容量为10.5MW，即3×3.5MW方案。

4 额定水头选择

额定水头按照加权平均水头的90%～100%选取，取额定水头为81.0m。相应最大水头与额定水头（[Hmax/Hr]）比值约为1.25，最小水头与额定水头（[Hmin/Hr]）比值约为0.91。

电站最小水头73.4m是按照刘家峡水库实际最低运行水位为1 717.00m时确定的，而刘家峡水库死水位为1 694.00m，对应最小极限水头为50.4m。在机组招标采购时，需要兼顾水轮机在低于73.4m时的运行稳定性要求。

5 额定转速选择

针对3×3.5MW装机方案，结合模型转轮的计算情况，适合机组的额定转速有1 000、750、600r/min三档，对应的比转速为247.8、185.9、148.7m·kW，比速系数K分别为2 230.5、1 673.1和1 338.3。

对于卧式水轮发电机组的转速选择，应把机组安全稳定运行放在首位，并结合噪声影响、土建投资等因素综合考虑。通过咨询国内多家制造厂，以上三种转速的水轮发电机组在生产制造上均无较大的生产制造难度。

低转速的机组运行噪声会低些，但机组造价及土建投资会提高，而高转速的机组反之。因此，综合考虑投资因素及噪声因素，确定水轮机额定转速为750r/min。

6 水轮机参数选择

本工程水轮机水头为73.40～101.00m，适合该水头段的水轮机模型转轮较多。综合考虑效率、空化性能和转轮使用业绩等因素，较合适的模型转轮有HLA438-35（方案一）、HLA606-35（方案二）和HLA671-36（方案三）。

由于供水项目的特殊性，使水轮机的参数选择有别于常规以发电为主的水轮机。在计算本工程的水轮机参数时，除常规参数外，还应重点关注如下问题：机组各水头下，发出预想出力时的流量是否满足供水流量要求;单台水轮机流量为2.95m3/s时，其运行稳定性及效率指标情况。

各模型转轮方案机组参数比较计算如表1、表2所示。

三个方案均能满足供水流量11.6m3/s的要求。但从运行范围来看，方案一的运行范围偏离高效区较多，加权效率指标偏低，方案二和方案三的运行范围优于方案一。从水轮机特性来看，方案二的水轮机可运行的水头区间最大。根据供水要求，彭家坪水厂的水处理设备在近期不会完全工作，而存在小流量运行的特点（即1×2.95m3/s或2×2.95m3/s）。机组的过流能力应保证与上述流量工况相匹配，且应保证机组在流量2.95m3/s时能以较高效率稳定运行。从表1、表2可以看出，方案二最优，方案三次之，方案一最差。

由于机组存在小流量、工况长期运行的特点，从该工况调流调压站效益方面来看，方案二的发电量相对较高，方案三次之，方案一最差。

綜合以上分析，从机电设备投资、水头范围的适应性、机组总体效率、流量匹配性等方面确定方案二为推荐方案。

7 结语

本项目的特点为供水为主、发电次之，水轮发电机组的选型设计需要完全满足工程供水的要求。该类型项目装机容量的确定和机组选型是需要重点关注的因素，都有别于常规电站项目。这在近几年内黄河勘测规划设计研究院承担的供水发电类项目及考虑生态基流发电项目中非常常见，本文可为此类项目设计提供一定的思路。

参考文献：

[1]水电站机电设计手册：水力机械[M].北京：水利电力出版社，1983.