浅谈斜卡水电站水轮机机组选型

2022-10-29向升郑静

四川水利 2022年5期

向升，郑静

(1.中国水利水电第七工程局有限公司，成都，610213；2.四川水利职业技术学院，四川崇州，611231)

1 电站概况

斜卡水电站位于四川省甘孜州九龙县斜卡乡境内，是九龙河左岸支流踏卡河上“一库两级”水电规划的龙头水库电站。电站为混合式开发，首部建混凝土面板坝壅水，坝址位于大桥沟口上游约900m河段，由隧洞引水至地面发电厂，厂址位于磨坊坪附近踏卡河右岸漫滩，坝、厂址相距约15km。

电站装机容量130MW，多年平均发电量5.211亿kW·h，水库总库容8485万m3，具有季调节能力，电站基本参数见表1。

表1 电站基本参数

2 水轮机机型和台数选择

斜卡水电站总库容为8485万m3，装机容量为130MW，属于中型工程[1]。水头范围422m～504.7m，为高水头电站，在该水头段可供选择的水轮机型式有混流式与水斗式两种[2]。

2.1 初步设计阶段

初步设计阶段，根据斜卡水电站水头范围，对混流式与水斗式两种机型进行了分析比较，分别对2×65MW混流式、3×43.33MW混流式、水斗式3个方案作全面的分析。

初步设计阶段机型和装机台数方案比较见表2。

表2 初步设计阶段机型和装机台数方案比较

通过对国内中、高水头水斗式水轮机应用情况、国内中、高水头混流式水轮机应用情况及国外高水头大容量混流式水轮机应用情况的比较，综合电站投资、能量指标、机组运行情况、厂区布置，结合国内外的生产制造水平，经与动能、水工等专业共同研究后，初设阶段推荐选用2台混流式机组方案。

2.2 招标设计阶段

招标设计阶段，针对斜卡水电站机组机型及装机台数选择的问题进行进一步的研究：(1)对与本电站水头及容量相似的电站运行情况进行了进一步的调查及了解；(2)邀请相关水轮机专家及主机设备生产厂家设计专家进行了深入的技术交流，并对当时国内外水电设备的设计、生产及市场现状进行了探讨与交流。得出以下结论：

(1)当时国内高水头混流式水轮机的运行情况不是很理想，运行时的振动和不稳定运行范围均较大。

(2)能够设计、生产斜卡水电站2台混流式机组的生产厂家有GEHA、哈电、东电、力源、天阿、东芝杭州等，机组可选择面还是相当大的。但到当时国内水电市场发展迅速，GEHA、哈电、天阿、东芝杭州等国内大型及合资厂生产任务繁重，对斜卡水电站的主机设备制造不感兴趣，因此，选择面变窄了很多。

考虑到上述情况，专家一致意见如果选用水斗式水轮机，则昆电、重水等国内生产厂家也能生产，在水头范围内，水斗式机组的运行会很可靠，检修维护也方便。因此，建议招标阶段可考虑同时对混流式及水斗式水轮机两种方案进行招标，并通过比选最终选出更适合本电站特性的水轮机型。

招标采购时，为了选出适合本电站的机组机型，分别对2台、3台水斗式及2台混流式两种方案进行招标。混流式方案仅1家公司投标，水斗式方案2家公司投标。关于水斗式机型，当时投入运行的国产水斗式机组的单机容量仅为35MW，斜卡电站的单机容量达到了65MW，国产水斗式有相当大的风险。如果采用进口方案，两家的报价较混流式机组报价高，2台水斗式水轮机(转轮进口方案)的投标总价比3台机投标总价(转轮国产方案)高很多，其总价接近3台机方案的2倍，且采用进口转轮方案其运行维护成本较高，也不利于今后的备品转轮采购。因此，如果选择2台混流式方案，只有1家可以选择，而且报价较高；如果选择水斗式方案，可选择的厂家有两家。如果选2台机选国产转轮，风险较大，选转轮进口，价格很高，选3台机国产转轮较为合理。水斗式方案，厂房的开挖量明显比混流式机组小，且水斗式水轮机组的运行稳定性及出力调节范围均比混流式好，更利于梯级调度，3台水斗式水轮机方案，所有设备均可实现国产，设备采购成本将大大降低，后期运行与维护成本也相应降低。机组甩负荷时的最大转速升高率保证值：当机组容量占系统工作总容量的比重不大，或不担负调频时，宜小于60%；冲击式机组最大转速升高率宜小于30%。机组甩负荷的蜗壳最大压力升高率保证值：额定水头大于300m时，宜小于25%[3]。水斗式机组可通过调整折向器及喷针的关闭时间独立地控制转速升高率及压力升高率，通过折向器的快速关闭控制机组转速上升，可有效地将机组最大转速升高率控制在30%以内，同时通过增加喷针的关闭时间控制配水环管进口最大压力升高率；混流式机组只能通过导叶的关闭时间控制压力升高率及转速升高率，因此水斗式机组在流道及发电机的设计和制造难度相对较低。

招标设计阶段机型和装机台数方案比较见表3。

表3 招标设计阶段机型和装机台数方案比较

从机电设备投资、能量指标、梯级调度、运行维护、设备设计及制造难度、设备生产厂家的选择及厂房布置等方面综合考虑，确定斜卡水电站选择装设3台单机45MW的水斗式水轮机方案。水斗式水轮机主要参数为：水轮机型号：CJA237-L-230/4×21；转轮直径：2300mm；喷嘴数：4；射流直径：210mm；额定水头447m；额定流量11.9m3/s；额定出力46.4MW、最大出力51MW；额定转速375r/min、最大飞逸转速703r/min；机组旋转方向：俯视顺时针；额定效率89.1%、最高效率91%；水轮机转动部分重量30t、水轮机总重量212t；最小排出高度3.0m；安装高程2661.60m。

3 水轮机的结构特点

根据当时的设计及加工能力，针对斜卡水电站水轮机组水头及容量特性，重庆水轮机厂有限公司吸取了国内外同类型机组的成功设计经验，采取了以下针对性的结构设计。

(1)转轮采用ZG00Cr13Ni4Mo不锈钢整铸结构，水斗根据模板进行研磨，在保证水力性能及不影响充分排流前提下，适当增大水斗根部厚度，水斗根部、斗与斗之间均以圆弧过渡，降低水斗根部应力。

(2)喷管采用直流内控式，双向油压操作，控制机构设在喷管内，各喷嘴以相同的开口和其他喷嘴并列同步投入运行，也可单独投入运行。整个行程范围内喷针具有水力自关闭能力。每个喷嘴有一个可更换的喷嘴口环和喷针头，并装有一个调整法兰及不锈钢护板。水轮机的喷针头，喷嘴口还能方便地在机坑内拆修更换。每个喷管都设有一个偏流器，偏流器的切水刀板为整铸，偏流器采用油压开启及关闭，关闭腔设置有弹簧以保证在调速器油压消失后偏流器可靠关闭。

(3)水轮机主轴与转轮采用液压预紧螺栓的摩擦式联接方式，以便于转轮的检修与更换。

(4)水轮机导轴承采用稀油润滑巴氏合金瓦衬的自润滑筒式轴承，其结构可靠和便于检修。

(5)补气系统设计方式为在水导轴承处均匀布置有4根补气管，在机壳处均匀布置有8根补气管(不同的两个高程，每个高程4根)，补气管的分部位、分高程均匀布置，保证了补气的均匀性及可靠性，能保证水轮机输出预定功率、运行稳定以及正常运行条件下实际排出高度不小于设计值。

4 电站现状

斜卡水电站已于2014年顺利投产发电，目前电站机组运行灵活稳定，检修维护方便，作为踏卡河龙头水库电站在梯级调节上发挥着重要的作用。目前正在建设斜卡水光互补光伏电站(装机14万kW)，光伏电站以一回220kV线路接入斜卡水电站开关站，水光总容量27.5万kW，通过不完全年调节的库容和水斗式机组(0.56万kW～13.5万kW负荷范围)调节能力更大，能充分发挥水光互补的优势，为电网提供稳定电源，还可为业主创造更大的效益，助力新能源开发。