浅谈泾河东庄水电站水轮机选择

2019-10-25张新萍张晓晗

陕西水利 2019年9期

张新萍，杨森，赵晗，胡静，张晓晗

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安 710001）

水轮机选择是在动能计算拟定的水电站工作水头范围、引用流量及装机规模方案的基础上进行的。内容包括确定单机容量及机组台数；选定机型和装置方式；选定水轮机的轴功率、转轮直径、同步转速、吸出高度、安装高程等基本参数[1]。对于高泥沙、中高水头的东庄水电站，水轮机选择决定空化性能、抗磨蚀性能及机组的稳定运行。

1 工程概况

泾河东庄水利枢纽位于陕西省泾河干流，距西安市约90 km。是国家172项节水供水重大水利工程之一。工程的开发任务是以防洪减淤为主，兼顾供水、发电和改善生态等综合利用，水库为年调节，总库容32.76亿m3，为Ⅰ等大（1）型工程。东庄水电站装机容量110 MW，装设2台35 MW和2台20 MW立轴混流式水轮发电机组。引水系统为1洞4机方式，地下厂房。东庄电站承担电力系统的调峰任务进行调峰运用。日调峰4 h～6 h，其余时间（20 h～18 h）按生态基流、工业供水流量、灌溉流量以及弃水流量进行发电。机组选型应同时满足生态基流和工业供水流量泄放以及机组高效运行的要求[2]。

2 电站基本参数

电站基本参数：最大水头为200.92 m；最小水头为152.04m；出力加权平均水头为182.9 m；电站引用流量为69.4 m3/s；多年平均（最大）含沙量（建库前天然河道）为140 kg/m3（310.0 kg/m3）；建库后含沙量为 15.7 kg/m3～101.22 kg/m3；平均粒径为0.018 mm；电站年发电量为年利用小时数为2593 h；电站保证出力为17 MW；生态流量为5.33 m3/s～15.99 m3/s，保证率100%；工业供水为3.12 m3/s（考虑日变化系数），保证率95%；灌溉流量为0～32.4 m3/s（日平均），保证率50%；弃水流量为 0～51.0 m3/s。

3 水轮机选择

东庄水电站水头范围152.04 m～200.92 m，属中高水头段，适用的水轮机型式为混流式，故选定混流式机型。

3.1 额定水头选择分析

根据水轮机特性，保证稳定、可靠、高效运行为准则，确定水轮机额定水头为177.0 m。若降低额定水头为170 m，则水轮机造价增加约4%，工程造价亦会相应增加，而年发电量增加幅度并不大，同时机组在出现概率较高的高水头运行区域工况恶化，所以不予采用。若提高额定水头，不宜大于加权平均水头，提高的空间有限，且不能降低机组造价。通过技术经济分析比较，额定水头选取177.0 m。

3.2 水轮机台数选择分析

机组台数的选取在考虑运行调度灵活性、工程投资等因素的同时，还应在保证出力下机组能稳定运行，以发挥最大的发电效益。

将生态基流及工业供水流量合并看作常流量（8.45 m3/s～19.11 m3/s）进行发电。在所有水头范围内生态基流及工业供水流量均有泄放可能，因此，在确定装机台数及单机容量时，需保证在最大水头下，水轮发电机组应能通过生态基流及工业供水流量最大值，同时可以长期高效稳定运行。经估算，非调峰时，在最大水头、无灌溉及弃水时，生态基流及工业供水流量的出力约15 MW～33 MW，其中出力可能时长15 MW约7.5个月，24 MW～33 MW约4.5个月。根据《水利水电工程机电设计技术规范》（SL 511-2011）规定：机组台数宜不少于2台。从电站调度灵活性、设备投资、满足生态基流及工业供水发电稳定性等方面考虑，对电站装机台数3台机和4台机两个大的方案进行比较分析。

电站装机3台时，1台机组常年利用生态流量及工业供水流量进行发电，另2台机组作为备用或调峰时投入运行。可组合成2个方案，均为2大1小异型机组：2×45 MW+1×20 MW、2×47.5 MW+1×15 MW。2个方案在小机检修或事故时，大机不能作为备用投入，需要从大坝泄放流量，均会损失电量。因此3台机组方案不合适。

电站装机4台时，可组合成A、B、C、D共4个方案：2×45 MW+2×10 MW、2×40 MW+2×15 MW、2×35 MW+2×20 MW、4×27.5 MW。

（1）电站接入陕西电网担负电网调峰运行，装机台数应考虑满足电站保证出力因素。方案A单台或2台小机无法满足发满保证出力要求，单台大机组可满足；方案B虽单机无法满足保证出力的要求，但两台小机组同时运行时可满足；方案C和方案D在发足保证出力时，大小机组均在混流式水轮机稳定运行范围内。

（2）为满足生态基流及工业供水发电流量的要求，所选方案在所有水头范围内，通过生态基流及工业供水流量时应处于混流式水轮机的45%～100%稳定运行范围内。且由于其运行小时数较长（日运行时间大于18 h），还应保证在通过该流量时，电站机组尽可能处于高效率区。

从发电过程比较，方案A发电流量不连续，流量受阻，有弃水发生。方案B、C和D在生态及工业供水流量范围内均可组合发电。但方案B在最大水头泄放小流量时需2台小机运行，出力及水轮机效率偏低；方案D在泄放小流量时1台机出力及水轮机效率偏低；方案C有2台小机组，小出力时有备用机组投入，效率较高，发电效益较好；当有灌溉流量时，大、小机组的组合运行灵活；方案C在出力9 MW～110 MW范围，发电流量连续，无弃水发生，比方案D年发电量多552万kW·h，优势比较明显。

（3）电站虽地处山区，但各方案单机容量不大，外围交通条件较好，机电设备各大重件经铁路或公路运输至主厂房安装间，运输条件不是机组台数选择的限制条件。

（4）以上4台机方案中，机组的设计制造均是可行的，但水轮机工艺难度系数随单机容量的增加而增加。

（5）厂房宽度及高度主要与各方案中大机组的容量有关，其容量越大，厂房越宽，高度也越高。且上述方案中，方案A机电设备投资最高，方案C、方案B次之，方案D投资最少。

综合以上分析，选定方案C为推荐方案，即2×35 MW+2×20 MW方案。

方案C小机组最小发电流量6.21 m3/s。根据水能45年统计资料，小于6.21 m3/s的生态流量占比为0.65%，比例非常小，这部分流量机组不能发电，或电站因故机组不能发电时，可利用二道坝坝身设置检修放空孔泄放流量。在初期蓄水期机组不能发电时，生态基流通过大坝下游导流洞和大坝排沙底孔向下游泄放，满足生态、工业以及灌溉供水要求。

机组检修可安排在9月～次年4月，本时段大多数情况下泄放流量较小、1台机组运行，可以安排其它机组检修或轮换检修，满足运行要求。

因此，电站装设2大2小异型机组方案（2×35 MW+2×20 MW）是合适的。

3.3 水轮机参数选择

比转速ns及比速系数K值是表征水轮机综合技术经济水平的重要特征参数。在同样水头和出力下，高比速的水轮机转速高、尺寸小，因而水轮机造价降低。但提高水轮机比转速需提高水轮机的单位转速和单位流量，从而使水轮机转轮内相对流速增加，过高的相对流速造成流道内压力降低，对水轮机的空化性能、稳定性及抗磨蚀性能造成不利的影响。

黄河小浪底、万家寨等电站机组选型的设计经验及运行实践表明，除了其具有较好的水力设计、加工工艺和材质因素外，较低的参数水平也是水轮机具有良好抗磨蚀性能的重要保证。东庄电站运行水头高、含沙量大，水轮机参数水平的选择应把电站的长期稳定运行放在首位，比转速的选取应低于清水河流电站；同时为保障电站机组安全运行，应适当加大机组淹没深度。

综合分析计算，确定水轮机比速系数值在1300～1700之间选取，相应的比转速为96.0 m·kW～126.7 m·kW，且水轮机转轮出口相对流速W2不大于38 m/s。经过比较，选定大（小）机额定转速为333.3 r/min（428.6 r/min），额定比转速为98.0 m·kW（95.3 m·kW），比速系数 K 值为 1304（1268），水轮机转轮出口相对流速W2为37.62 m/s（36.62 m/s）。

3.4 机组参数选择

通过对国内中小型水轮机厂进行咨询和调研，有5个机组厂提供并推荐选型方案。根据各厂提供的模型转轮资料，较合适的模型转轮主要有HLA351E、HLA542这两种型号。两种转轮的单位流量相差不大；HLA351E效率比HLA542高；空化性能HLA542比HLA351E要好一些，但对于地下厂房优势并不明显。经选型计算，两种转轮方案大小机转轮直径相同、机组运行范围均基本包含高效区，推荐能量指标好的HLA351E模型转轮。转轮型号的选用采用比转速数字表示，不用具体的型号，即为 HL（98）-LJ-260（大机）、HL（95.3）-LJ-200（小机）。其主要参数[2]见表1。

表1 水轮发电机组参数表

3.5 水轮机吸出高度H s和安装高程

根据引水系统一洞四机的布置形式，考虑四台机组的导水机构中心线在同一高程。因此，在计算安装高程时，需分别计算大、小机组的吸出高度后，根据两种机型较小的吸出高度来确定安装高程。经计算，小机组的吸出高度大于大机组的吸出高度。

在含沙水流条件下，空化往往提前发生，而且空蚀与磨损的联合作用又将进一步加重水轮机的磨蚀损坏程度，预留足够的空化安全系数是抑制空化发生的途径之一。参考相关多泥沙河流电站的经验，确定大机组的相应吸出高度为Hs=-9.0 m，装置空化系数为0.08。按一台小机最小发电流量对应尾水位588.64 m，确定四台机组的水轮机安装高程579.64 m。

3.6 水轮机检修方案

高水头、多泥沙水电站水轮机通流部件的磨损破坏是不可避免的。由于水轮机按照低参数原则进行选型，通过采用合适的不锈钢抗磨蚀材料和抗磨涂层保护，可以有效延长机组大修期。此外，小机组运行小时数较长，其检修频率较高，大机组则较少。考虑到小机组装机容量不大，其上拆和中拆方案的难易程度基本相当。因此选择水轮机检修采用上拆方案。