某航电枢纽工程机组机型的初步选择

2021-10-22庄乾彪李冬阳任哲明

东北水利水电 2021年10期

庄乾彪，李冬阳，任哲明

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021）

1 概述

木兰航电枢纽位于松花江干流航道里程185km处，坝址右岸是北安屯山头，左岸是洪太屯。工程任务主要是以航运、发电为主，兼顾交通、水产养殖和旅游等综合利用功能。工程枢纽由土坝、泄洪闸、水电站、船闸、鱼道、坝顶公路等工程组成。土坝长715m、泄洪闸长1564m、电站长152m、船闸长120m，渠化航道里程115km。电站装机35 MW，保证出力8.612MW，多年平均发电量1.601×108kW·h，年利用小时数4575h，地震设计烈度为Ⅵ。电站厂房为河床式，水库调节性能为日调节，电站建成后接入黑龙江省电力系统，在系统中不进行调峰运行，按航运和环境用水要求可承担部分基荷，其余工作在腰荷。

电站基本参数：上游水库校核洪水位（P=0.33%）111.60m、设计洪水位（P=1%）110.85m、正常蓄水位108.00m、死水位108.00m；尾水校核洪水位（P=0.33%）111.4m、设计洪水位（P=1%）110.85m，5台机组发电尾水位105.05m、6台机组发电尾水位105.03m，最低尾水位102.13m；电站净水头最大5.9m、最小1.2m，额定水头2.7m。

2 水轮机型式的选择

按《水利水电工程机电设计技术规范》，对于设计水头20.0m以下的径流式水电厂宜优先选用贯流式水轮机，该电站水头范围为5.9～1.2m，适合选用的水轮机型式有灯泡贯流式和竖井贯流式两种，对于竖井贯流式机组，国内仅有四川小龙门电站与该工程相类同，因此大直径、大容量的竖井贯流机组在国内设计及运行经验少，结构设计复杂，而灯泡贯流式机组的设计、制造及运行经验非常丰富、成熟，可选择的设计制造商较多。结合电站水头、转轮直径和机组转速等情况，经综合分析比较，推荐采用灯泡贯流式水轮机。

3 机组台数和单机容量的选择

电站总装机容量为35MW，现对装机5，6，7台，单机容量分别为7.00，5.84，5.00MW共3个方案进行技术经济比较，结果如下：

1）投资情况：6台方案较5台方案少2910万元，7台方案较6台方案少3026万元。

2）平均年电能情况：7台方案较6台方案多90×104kW·h，6台方案较5台方案多60×104kW·h。

3）枢纽布置条件：该电站采用河床式布置型式，坝线较长，完全能够满足厂房布置要求，3个方案都是可行的。

4）对电气主接线的影响：机组台数为6台时，电气主接线方案相对简单，布置方便；而机组台数为5台、7台时，电气主接线稍为复杂，且须选用2种不同容量的主变压器，不利于设备布置。

5）水量衔接情况：电站上游电站装机容量为66MW，装机6台，机组额定流量为232m3/s，各比选方案均满足流量衔接要求，但采用6台机组方案在单机流量匹配上为最优方案。

6）机器制造情况：3个方案的机组在制造方面均不存在制约因素，国内的机组制造厂家的技术水平和加工能力均能满足电站的要求。

7）机组大、重件的运输要求：机组通过采用大件分瓣及合理的运输方式等措施，均不对对外交通形成制约因素。

综合以上因素，6台机方案工程投资量略高于7台机方案，但6台机方案流量特性与上游电站相匹配，调度运行方便，且由于台数少，运行管理相对简单，因此，推荐采用6台机方案。

4 水轮机预期参数的选择

4.1 比转速

比转速ns是水轮机的重要特征参数之一，它表征水轮机综合经济技术水平，是水电站前期设计工作中用来衡量机组参数合理性的标准之一。所以需针对电站的具体情况对水轮机比转速综合比较分析，择优选取。按国内外统计公式计算该电站比转速值见表1。

表1 不同统计公式计算水轮机比转速ns值汇总表

与工程水头相近的灯泡贯流转桨式机组技术参数表见表2。

由表1统计公式计算水轮机的ns为1034～1826 m·kW，比速系数K值为1699～3000，参考表2可以得出ns为1104～1688m·kW，综合考虑取ns=1100～1600m·kW作预期值，相应比速系数为1807～2629。

表2 与工程水头相近的灯泡贯流转桨式机组技术参数表

4.2 单位转速和单位流量

按田树棠编写的《贯流式水轮发电机组及其选择方法》中的公式计算单位转速和单位流量：

与相近项目类比分析，该工程取n1′≈250r/min；Q1′≈3.4m3/s。

4.3 空化系数

水轮机装置空化系数和水轮机比转速有关，根据经验公式计算出的电站水轮机装置空化系数为σy=1.5154×10-5ns1.712≈2.44～4.63。考虑电站地质和厂房开挖情况及电站运行特点，并预留一定的安全裕量，装置空化系数σy暂取3.73（至轮叶顶点）。

4.4 水轮机转轮选择

依据电站的水头范围，适合采用贯流转桨式三叶片转轮。几个参数水平较高转轮的模型主要参数见表3。

表3 荒沟工程面板堆石坝应力与应变计算参数

表3 适合于电站的转轮模型参数

上述模型转轮能量指标相差不大，而GZK3转轮的效率及设计工况单位流量稍强，因此暂按GZK3作为此阶段研究工作的基础转轮。

4.5 推荐的水轮机主要参数

根据分析计算，现阶段推荐的水轮机主要参数：水轮机型号GZ（K3）-WP-670，最大水头5.9m，额定水头2.7m，最小水头1.2m，发电机额定功率NT=5.84MW，额定转速n=62.5r/min，转轮直径值D1=6.7m，额定点水轮机效率ηT=0.897，额定流量Qr=255.81m3/s，吸出高度Hs=-7.1m，额定工况比转速1408m·kW。