浅谈月潭水库工程水轮机选型设计

程 琼

(黄山市月潭水库管理处，安徽 黄山 245000)

1 概 述

月潭水库地处新安江主源率水河中上游，坝址位于黄山市休宁县海阳镇首村下琳溪组下游约500 m处,距休宁县城18.5 km，距黄山市区29 km。月潭水库控制流域面积908 km2，多年平均流量35.4 m3/s，多年平均径流量为11.10亿m3。月潭水库是一座以防洪为主，结合城镇供水和发电，兼顾灌溉的综合水利枢纽。水库规模为大(2)型，工程等别为Ⅱ等。水库正常蓄水位为165.0 m，总库容为1.57亿m3。

月潭水库电站为坝后式，发电厂房布置于左岸坝后。净水头范围在13.7～24 m，电能加权平均净水头为19.15 m，水轮机额定水头为18.0 m，规划设计总装机容量为20 MW。该水头段较适合的水轮机型式有轴流转桨式和灯泡贯流式。本文主要通过对该两种机型的布置、投资、施工难度、水轮机效率及机组结构性能等方面进行综合分析和比较，并最终确定合理的水轮机机型。

2 电站主要技术参数

电站装机容量20 MW。水库死水位157.0 m，汛限水位160.5 m，正常蓄水位165.0 m，100年一遇设计最高洪水位170.3 m， 1 000年一遇校核标准洪水位为172.1 m。发电厂房下游100年一遇下游洪水位为150.9 m，正常尾水位为142.6 m，最低尾水位为141.00 m，最大毛水头为24.0 m，加权平均毛水头为19.4 m，最小毛水头为14.0 m，额定水头为18.0 m。

3 水轮机机型结构设计

3.1 轴流转桨式机组结构设计

轴流转桨式机组纵轴线与坝轴线距离50.5 m，机组安装高程为138.5 m，基坑开挖高程129.17 m，主厂房(含安装间)长48.3 m，下部宽23.173 m，安装间层以上宽16.2 m，高36.2 m。副厂房布置于上游侧，长29.3 m，宽15.6 m，高14.9 m。引水道穿越坝体，采用一机一管方式，引水管道直径4.5 m，进水口底坎高程为147.0 m，高于淤沙高程即146.0 m，坝前进水口各设1道拦污栅，孔口宽为6.8 m；事故检修闸门孔口尺寸为6.0 m×7.0 m(宽×高)；电站尾水检修门2扇，孔口尺寸为3.652 m×3.598 m。坝前拦污栅与检修事故闸门及尾水门采用移动式门机启闭。其具体结构如图1所示。

图1 轴流转桨式机组结构布置图

3.2 灯泡贯流式机组结构设计

灯泡贯流式机组纵轴线与坝轴线距离46.0 m，机组安装高程为134.7 m，基坑开挖高程128.5 m，主厂房(含安装间)长46.95 m，下部宽32.404 m，安装间层以上宽20.9 m，高36.6 m。副厂房布置于下游侧，长度与主厂房一致，宽7.5 m，高10.0 m。引水方式和进水口布置与轴流转桨式相同。电站尾水检修门1扇，孔口尺寸5.045 m×5.056 m。其具体结构如图2所示。

图2 灯泡贯流式机组结构布置图

4 水轮机机型的比较与选择

4.1 工程投资及施工对比

根据两种机型的发电厂房建筑物布置和结构尺寸，分别进行工程量和投资计算，各机型主要工程量及投资对比详见表1。

通过表1的对比可知，轴流转桨式的投资比灯泡贯流式少138万元，从投资角度考虑采用轴流转桨式更节省。从施工难度分析，轴流转桨式厂房基坑开挖长度为22.373 m，灯泡贯流式厂房基坑开挖长度为26.092 m，且开挖深度较轴流转桨式加深0.67 m。厂房基坑开挖和消力池左边墙必须在一期导流前完成，并利用消力池左边墙作为一期纵向围堰，灯泡贯流式相比轴流转桨式增加了一期施工难度和风险。经对比轴流转桨式比较合适。

表1 发电厂房型式投资比较表

4.2 机组结构性能对比

灯泡贯流式机组在超低水头段的优势相对较明显，《水力发电厂机电设计规范》(DL/T 5186-2004)中也规定“对于最大水头20 m及以下的径流式水电厂，宜优先选用贯流式水轮机。” 本站最大水头为24.0 m，加权平均净水头达19.15 m，国内近些年兴建了大量的灯泡贯流式水电站，但在已建的电站中，额定水头达到20 m且运行很成功的实例很少。如湖南沅江干流上的某电站，其水头范围为8.4～27.3 m，额定水头20 m，是我国目前应用水头较高的灯泡贯流式电站，自2003年投产以来，由于工作水头高，机组振动、摆度较大，一直存在着诸如转子支臂裂纹和筋板断裂、桨叶接力器联接螺栓断裂、重锤机不动作、桨叶接力器铜套漏油等各种问题。本站水头范围和该电站很接近，如采用灯泡贯流机组方案，由于机组容量比该电站小，虽不一定会出现诸如上述的问题，但目前可供选择的高水头段的贯流式水力模型较少，可供选择的供货商范围也相对较少。并且本站转轮直径2.75 m左右，由于尺寸较小，其结构布置上有很多不便的地方。而对于轴流转桨式机组，近些年，随着我国水力设计技术水平的提高，轴流式水轮机在效率水平上有了大幅度的提高，最优效率提高了3%～4%，大流量区的效率提高了近8%～10%，本站最低水头为13.7 m，轴流转桨式机组可以在本站水头范围内安全稳定运行。故从机组性能角度考虑,建议采用轴流转桨式机组。

4.3 水工结构布置对比

月潭电站上游校洪水位为172.0 m，如从底板开挖面高程128.5 m算起，如做成站身直接挡水的河床式结构，其挡水高度达43 m左右，不利于厂房的结构稳定，且水库淤沙高程较高，河床式的灯泡贯流厂房难以满足冲沙要求。而且本站厂房尾水的校核洪水位为150.9 m，考虑到防洪要求，不论采用何种方案,其厂房安装间地面高程都将抬高至151.5 m以上，这将使灯泡贯流式机组在厂房高度上的优势在本站也得不到发挥。因此，从水工结构布置角度，本站更适合轴流转桨式。

4.4 后期运行维护对比

从运行维护角度而言，灯泡贯流式机组全部处于水下，要求严密的密封结构和良好的通风防潮性能，维护上比轴流转桨式更困难。另外，项目周边已建成的轴流转桨式电站比较多。而几乎无灯泡贯流式水电站，建设单位对于灯泡贯流式机组的运行维护经验的借鉴也比较缺乏。因此，从后期维护方面考虑,也建议采用轴流转桨式。

综上所述，月潭水电站最终确定采用轴流转桨式水轮机方案。

5 结 论

月潭水电站水轮机根据电站参数初步选取了轴流转桨式和灯泡贯流式两种类型进行了结构设计，通过对厂房布置的工程投资、施工难度、机组结构性能、水工结构布置以及后期运行维护等方面进行综合对比，并结合已建电站类似机组的运行情况及水轮机制造技术的水平，最终确定采用轴流转桨式机组。