生态机组选型设计

艾茂华，瞿卫华

（1.湖南水利水电职业技术学院，湖南 长沙 410131；2.湖南省地方电力试验中心有限公司，湖南 长沙 410007）

1 电站概况

湖南省某水电站为引水式径流电站，1991年11月开始发电。电站装有3台灯泡贯流式水轮发电机组，装机容量为3×20MW，设计水头14.5m。年设计发电量2.93亿kW·h，年利用4 871h。水库正常蓄水位114.00m，发电死水位为110.20 m，控制流域面积11 791 km2，多年平均流量325 m3/s，多年平均径流量为102.5亿m3，正常蓄水位时水库库容为3156万m3，总库容为6 100万m3，是一座以发电为主，兼有航运、灌溉、城市供水等综合效益的中型水利枢纽工程[1]。

2 生态机组建设的必要性

党的十九大以来，习近平总书记进一步全面阐述了“绿水青山就是金山银山”的理念，生态文明建设思想深入人心[2]。该水电站引水渠道长4.1 km，坝址以下河道弯曲，有十余公里的脱水河段。为建设美丽河湖，泄放生态流量以改善大坝下游河道生态环境成了急需解决的问题。水电站设计于20世纪80年代，由于设计之初无生态流量相关要求，大坝没有设计生态机组或生态泄流设施，现状要保证31.5 m3/s的生态流量下泄，只能是采取开闸直接泄水或增加生态机组两种方式[3～4]。新增生态机组建设生态电站，既充分利用生态流量水资源发电，又满足下游生态需求[5]。

3 生态机组主要参数的确定

3.1 生态流量

根据湖南省小水电清理整改相关政策，其生态流量确定为31.5 m3/s。

3.2 水库特征水位

水库特征水位参数如表1所示，大坝的横剖面图如图1所示。

图1 大坝横剖面图

表1 水库特征水位参数

由于缺少大坝下游水位流量曲线资料，根据水工建筑物参数，本次方案设计可暂定下游侧在不发电时水位为102.2 m，以正常生态流量31.5 m3/s发电时水位为103.0 m。

根据生态机组流量值，应至少泄放31.5 m3/s的流量为机组流量限制条件，取水管高程110.7 m＋0.5 m淹没深度计算，此时对应的毛水头为：

H=110.7+0.5-103.0=8.2 m即：毛水头为8.2 m时，生态机组的过流能力最小数值不应小于31.5 m3/s。可确定影响机组选取的水位流量参数见表2。

表2 水位流量参数

3.3 机组容量的确定

根据机组特征水头及生态流量情况，可初步确定生态机组容量为3 MW，即3 000 kW，对应额定水头为10.5 m，额定流量初步确定为34.8 m3/s，因要考虑低水头下足额泄放生态流量工况，额定流量较生态流量值相比稍大。

4 厂房形式方案的选择

因生态机组容量较小，大多小于3 000 kW，采用卧式灯泡贯流机组性价比较低。根据大坝上下游水头差及装机容量情况，以及两岸地形地质情况，发电机组可采用立式或全新的全贯流式机组发电。两种发电机组方案建筑工程经济指标参数见表3。

表3 两种机型厂房方案比较

4.1 轴流立式机组厂房方案

生态电站总装机为3 MW，采用轴流立式机组时，考虑综合价格，采用1台机组。采用轴流立式机组厂房平面布置图见图2，轴流立式机组厂房纵剖面图见图3。因立式机组厂房要考虑厂房防洪问题，该方案包含防洪墙土建。

图2 立式灯泡贯流式机组厂房平面布置图

图3 立式灯泡贯流式机组厂房纵剖面图

4.2 全贯流式机组厂房方案

采用全贯流式机组时，考虑可靠性和经济性，采用1台3MW机组，全贯流式机组厂房平面布置图见图4，厂房纵剖面图见图5。

图4 全贯流式机组厂房平面布置图

图5 全贯流式机组厂房纵剖面图

4.3 土建方案的选择

由表3可知：全贯流式生态机组厂房估算约为149.08万元；轴流立式机组厂房估算约为411.63万元，全贯流式生态机组厂房造价远低于轴流立式机组厂房。全贯流式生态机组安装在管道里面，不需要防潮防洪，发电机结构简单、牢固，电站设备简化、负荷控制简单，运行维护方便，本次生态机组采用全贯流式机组厂房。

5 机电设备的选择

生态电站基本参数如表4所示。

表4 生态电站的基本参数

5.1 水轮发电机组的选择

1）机组台数的确定

考虑要保证31.5 m3/s的生态流量下泄，如考虑运行可靠性与检修维护的灵活性，可选装2台1.5MW机组。综合考虑可靠性和经济性，选装1台机组。

2）机型的选择

据电站基本参数，查《水轮机设计手册》，机型宜选轴流定桨式或全贯流式机组。全贯流式机组无论是厂房投资、机组辅助设施、电气二次设备方面，投资均要小很多，但机组本身价格较高。综合考虑，总造价较低，选用1台机组，参数如表5。

表5 3 000 kW单台全贯流机组参数与报价表

新型全贯流式生态机组不需要调速器和励磁装置，综合特性曲线图如图6所示。

6 结 论

为充分发挥生态电站综合效益，设计生态机组建设生态电站，由生态机组合理调节生态流量，保护生态环境，同时利用生态弃水进行发电。

图6 综合特性曲线图

综合比较，全贯流水轮发电机组的优势在于：不需要传统机组形式的厂房；水轮机部分日常不需要维护；发电机浸泡在流道水中，克服了传统贯流式发电机冷却、散热、密封等难题,日常不需要维护。

通过对生态电站的平面布置及水轮发电机组的比选，最终选定左岸隧洞引水结合全贯流式机组1台方案。水轮机型号为GD890-WPZ-250，发电机型号为DGS-3000-6300-W。