某水利枢纽水力机械及机电设计

吴贺林

（贵州省水利投资（集团）有限责任公司，贵州 贵阳 550000）

1 工程概况

蒙江位于珠江流域，是红水河一级支流，分为两源，主源格凸河发源于长顺县，河长153 km；支流涟江发源于花溪区，河长142 km。两源于双河口汇合，以下称蒙江，蒙江干流河长96 km，总流域面积8 650 km2。

黄家湾水利枢纽位于格凸河中游纳耐田河段，坝址断面以上集水面积969 km2，河长91.23 km，主河道平均比降3.63‰。枢纽为大（2）型Ⅱ等工程，设计洪水标准100 年一遇，校核洪水标准2000 年一遇，死水位1 035 m，正常蓄水位1 055 m，总库容15 720 万m3，为蒙江（含格凸河）水电梯级开发的龙头水库，功能以城乡生活和工业供水为主，兼顾农田灌溉和发电。供水保证率P=95%，灌溉保证率P=80%，发电保证率P=90%[1]。

枢纽由大坝枢纽工程、供水灌溉工程和发电工程三部分组成，采用主坝+左岸大地头冲沟副坝+左岸岸坡式溢洪道+左岸泄洪兼放空隧洞+右岸供水灌溉取水系统+右岸坝后电站布置，其中塔式取水口为供水灌溉与发电合并布设。

2 水力机械

2.1 水力发电

电站为坝后式开发，总布置形式为取水口→引水隧洞→压力钢管→发电厂房，均布置于右岸，装机容量24 MW。机组台数及单机容量主要考虑电站保证出力与下放生态流量，枯期11～4 月2.04 m3/s、汛期5～10 月5.40 m3/s，兼顾机组运行稳定性和运行维护管理、机电设备和厂房土建工程量等因素。

2.1.1 机组方案

电站机组采用大小机结合形式布置。根据多年月流量排频统计，流量大于3.98 m3/s 出现频率在90%左右，已基本覆盖运行时段，其余10%时段不能发电，此时通过环境水管下放生态流量。因此小机即生态机功率4 500 kW，其45%出力流量3.98 m3/s；考虑大小机衔接和稳定运行，保证全时段发电，兼顾经济和灵活性原则，配备2 台9 750 kW大机，使其45%出力4 387.5 kW接近小机装机容量。装机方案为2×9 750 kW+1×4 500 kW。

2.1.2 水轮机

枢纽正常蓄水位1 055 m，水头运行范围49.08～69.77 m，水头变幅20.69 m，按规范要求此类中高水头水轮机的额定水头宜在加权平均水头0.95～1倍范围内选定。根据水头出现几率成果，本站高水头段59.00～69.77 m 出现比例较高，60 m 以上占65.31%，综合考虑电站稳定运行和保证率，额定水头为加权平均水头0.985 倍即60.85 m。水轮机比转速220≤ns≤260 m（kW），比速系数1 700≤k≤2 000，结合该水头段优秀模型特性曲线，本电站水轮机模型最高效率≥94.22%，真机最高效率≥95.0%，额定工况时模型效率≥92.0%，真机效率≥93.0%。适合本站的水轮机型为混流式，以9 750 kW 机组机型比选为例，其主要特征参数比较如表1 所示，模型综合特性曲线如图1 所示[2]。

图1 9 750 kW 机组机型模型综合特性曲线图

表1 9 750 kW 机组机型特征参数比选表

从效率角度分析，HLA904a 的模型、原型最高效率、额定效率和最大、最小水头效率在比选方案中最高，HLA743 次之，HLA244 较低；从空蚀性能角度分析，HLA904a 最大空化系数0.117，吸出高度-3.2 m，抗空蚀性能最好，HLA244 次之，HLA743 较差；从能量指标角度分析，HLA904a 转轮直径1.40 m 最小，额定转速428.6 r/min，设备重量轻，设备造价低，能量指标高；从运行工况角度分析，HLA904a 运行工况范围在高效率区，运行范围广。综合确定HLA904a-LJ-140 为本站9 750 kW 机组代表机型，按照同样方式确定HLA904a-LJ-102 为4500kW 机组代表机型[3]。

2.1.3 发电机

发电机型号SF9750-14/3300 为悬式结构，额定功率9 750 kW，额定电压10.5 kV，额定转速428.6 r/min，功率因素0.8，额定效率96.8%，频率50 Hz，绝缘耐热等级F 级，自并励可控硅静止励磁，飞轮力矩800 kN·m2。采用机械制动，密闭式空气循环通风冷却。

发电机型号SF4500-10/2600 为悬式结构，额定功率4 500 kW，额定电压10.5 kV，额定转速600 r/min，功率因素0.8，额定效率96.2%，频率50 Hz，绝缘耐热等级F 级，自并励可控硅静止励磁，飞轮力矩200 kN·m2。采用机械制动，密闭式空气循环通风冷却。

2.1.4 水力过渡过程

电站引水隧洞长428.6 m，内径5.0 m，引水主管长30 m，直径5.0 m；支管长23.52 m，直径2.25 m。隧洞桩号0+155.056 m 处接灌溉引水支管，管长47 m，直径1.6 m，末端接调流调压阀，灌溉引水流量6.528 m3/s。根据《水力发电厂机电设计技术规范》，过渡过程按以下原则设计：机组甩负荷最大转速升高率＜60%；机组甩负荷在额定水头和最高水头两种情况下，最大蜗壳压力升高控制在相应水头30%～50%以内；机组甩全负荷时尾水管内最大真空度≤8 m 水柱。将灌溉引水末端调流调压阀模拟为1 台机组，并按两种工况计算，取各过渡过程特征数值的最大值作为控制值，结果表明成果均满足规范要求[4]。

（1）灌溉引水管取设计流量，即模拟机组运行，流量6.528 m3/s，此时直线关机时间大机9 s、小机6 s；机组甩负荷的最大转速上升值大机56.48%、小机21.02%；机组最大蜗壳压力升高值大机46.60%、小机34.81%；尾水管内最大真空度大机5.60 m、小机5.30 m；大机转动惯量80 t·m2、小机20 t·m2。

（2）灌溉引水管不取流量，即模拟机组停机，此时直线关机时间大机9 s、小机6 s；机组甩负荷最大转速上升值大机54.87%、小机53.82%；机组最大蜗壳压力升高值大机46.31%、小机46.36%；尾水管内最大真空度大机3.10 m、小机4.50 m、大机转动惯量80 t·m2、小机转动惯量20 t·m2。

2.2 提水泵站

本工程共有8 座泵站，其中松白支渠1 座、水宗支渠1 座、水塘支渠1 座、猴场供水管线1 座、大营供水管线1 座、库尾1 座、其余斗渠2 座。以松白支渠长征桥提水泵站为例，介绍泵站机电设计。

2.2.1 基本资料

长征桥泵站功能为向松山工业园、县城和松山片区灌溉供水，泵站采用一级提水，原水从松白支渠0+710.809 处自流进入进水池，经水泵提水至1 177 m 高程出水池。取水池最高运行水位1 026.30 m、设计水位1 026.20 m、最低运行水位1 026.10 m；高位水池最高运行水位1 177.90 m、设计水位1 177.70 m、最低运行水位1 177.50 m；泵站设计流量2.739 m3/s，其中灌溉设计流量0.609 m3/s、灌溉加大流量0.792 m3/s、供水设计流量1.947 m3/s；泵站吸水管线长度7.5 m、管径0.7 m，泵站至高位水池管线长度570 m、管径1.4 m；厂内外进出水管线水头损失7.7 m，其中厂外5.7 m、厂内2.0 m；泵站最高扬程159.50 m、设计扬程159.20 m、最低扬程158.90 m。

2.2.2 装机方案比选

考虑到泵站供水流量较大、利用小时较高，灌溉流量较小、年利用小时较低，根据《泵站设计规范》，供水部分装机方案为3 用1 备或2 用1 备、灌溉部分设1 台机组，经设备市场调查，两方案比选要素如表2 所示。可知，经济性方面方案一总投资较方案二增加40 万元，二者相差不大；运行灵活性方面方案一单泵设计流量0.649 m3/s，与灌溉设计流量相当，方案二单泵设计流量0.974 m3/s 则差距较大，不利于灌溉期流量的调节。考虑灌溉期较短、利用小时不高，确定采用方案一，非灌溉期时开启3 台水泵供水即满足供水设计流量要求；灌溉期开启4 台水泵，通过输水调节和运行方案优化满足各工况流量要求[5]。

表2 长征桥提水泵站装机方案比选表

2.2.3 水泵机组选型

本泵站装机5 台，单级双吸离心泵制造难度小、效率高，电机运行稳定性高，厂房布置方便，为选定机型。泵机设计扬程159.2 m，额定流量0.649 m3/s，额定转速1 490 r/min，额定效率≥81.0%，最大轴功率≤1 180 kW，吸水口直径0.5 m，出水口直径0.4 m，比转速69.1，最大汽蚀余量7.0 m。配套电动机选用同步电机，额定功率1 400 kW，额定效率95.6%，额定频率50 Hz，功率因数0.9，额定转速1 500 r/min，额定电压10 kV。水泵并联曲线如图2 所示，可知，单台水泵运行时最大扬程时流量输出2 300 m3/h，最小扬程时流量输出2 380 m3/h，设计扬程时流量输出2 336 m3/h；3 台水泵运行时最大扬程时流量输出6 860 m3/h，最小扬程时流量输出7 100 m3/h，设计扬程时流量输出6 970 m3/h；4 台水泵运行时最大扬程时流量输出9 100 m3/h，最小扬程时流量输出9 410 m3/h，设计扬程时流量输出9 240 m3/h，在非灌溉期（3 台水泵运行）和灌溉期（4 台水泵运行）均满足供水流量要求[6]。

图2 水泵并联曲线图

2.2.4 调保计算

本泵站出水主管长约570 m，直径1 300 mm，机组运行方式为4 用1 备，按4 台机组同时突然断电计算。调保计算参数如下：阀门两段关闭，4 s 关闭95%、20 s 关闭5%；最高压力按1.18 倍水泵出口额定压力为195 m；最高反转速按0.46 倍额定转速为-690 r/min。经计算在供水总管上设置1 台DN400 水击预防阀、1 台DN400 水击泄压阀、3 台DN200 复合式防水锤空气阀（桩号管0+054.769、管0+250.058和管0+435.158）。压力包络线如图3所示，管道任何部位不出现水柱断裂。

图3 调保计算压力包络线图

3 电气

3.1 电站与电气主接线

黄家湾枢纽电站升高电压侧为110 kV 电压等级，其中110 kV 侧出线1 回，电站通过一回线路接入紫云110 kV 变电站，输电距离14 km，导线型号LGJ-240，输送最大容量为2.4 万kW。电站在丰水期担任基荷，枯水期担任峰荷，无调相要求。

发电机与变压器组合采用“三机两变”方案，即2×9 750 kW 机组为单母线接线，经1 台25 000 kVA变压器组成两机一变单元，由10.5 kV 升压至121 kV；4 500 kW 机组和1 台6 300 kVA 变压器组成一机一变单元接线；2 台厂用变压器分别接在发电机10.5 kVⅠ、Ⅱ段母线上。110 kV 电压侧采用单母线接线[7]。

3.2 厂用电及坝区供电

厂用电源按两组独立设计，1 号厂用电源由发电机Ⅰ段电压母线经断路器、500 kVA 干式变压器引来，2 号厂用电源由发电机Ⅱ段电压母线经断路器、500 kVA 干式变压器引来。机组自用电与全厂公用电混合供电，采用一级电压380 V/220 V 供电，400 V 母线分两段分别接至2 台厂用变压器，两者互为备用，正常情况下分段运行。

坝区用电设备负荷较分散，因此在坝区左、右岸各设置1 套10 kV 配电系统。

左岸用电设备负荷主要包括溢洪道弧形工作闸门3 台总功率2×30 kW，检修闸门启闭机1 台功率2×15 kW，泄洪放空隧洞进口事故闸门启闭机1 台功率32 kW，事故闸门用检修桥机1 座功率11 kW，泄洪放空隧洞进口工作闸门启闭机1 台功率 22 kW，工作闸门用检修桥机1 座功率15 kW；考虑照明、检修等负荷，用电设备总容量为246 kW，最大负荷为207 kW。电源引接1 号发电机出口10 kV 母线和保留10 kV 施工电源的双电源供电方式，经1 台315 kVA 降压变压器降压至0.4 kV 后供电。考虑大坝有溢洪要求，再设1 台300 kW 柴油发电机做应急电源接于0.4 kV 母线上[8]。

右岸用电设备负荷主要包括取水口拦污栅清污机16 kW，取水口上中下层隔水闸门启闭机2×22 kW；溉供水管出口检修阀门5.5 kW、工作阀门5.5 kW、桥机11 kW，考虑照明、检修等负荷，用电设备总容量为148 kW，最大负荷为132 kW。电源引接坝区左岸配电系统中10 kV 母线，经1 台250 kVA 降压变压器降压至0.4 kV 后供电。

3.3 泵站电气

以松白支渠长征桥提水泵站为例，介绍泵站电气设计。

长征桥泵站装机容量为5×1 400 kW 4 用1 备布置，设计流量1.947 m3/s，日供水量16.8 万m3，供水重要性为中等，属中型泵站，泵站负荷等级确定为二级，需两回供电线路向泵站供电，经线路电压降计算，采用35 kV 电压等级、LGJ—120 导线向泵站供电时，4 台电动机同时运行下线路电压降2.03%，满足GB/T 12325—2008《电能质量 供电电压偏差》规范要求。电动机与主变压器组合采用2 台主变单母线接线布置，明备用方式运行，主变压器容量8 000 kVA。假设干桥110 kV 变电站35 kV 侧为无穷大系统，按最不利运行情况即泵站10 kV 母线4 台电动机运行，系统接线图及等值电抗图见图4、图5。

图4 系统接线图

图5 等值电抗图

泵站电动机单机额定容量1 400 kW，主要功能为供水，年利用小时高，按同步电动机考虑。电动机主要参数额定功率1 400 kW，额定电压10 kV，额定电流93.5 A，功率因数0.9，额定频率50 Hz，额定效率96.1%；电动机断路器型号ZN28—12，额定电压12 kV，额定电流630 A，额定开断电流25 kA，额定短路关合电流65 kA，机械寿命20 000 次；主变压器型号S11—8000/35，额定容量8 000 kVA，电压35±2×2.5%/10.5 kV，结线组别Y、d11，调压方式无载调压，阻抗电压7.5%，中性点不接地。电器设备均采用箱型固定式金属开关，其中35 kV 设备断路器为ZN12—40.5 型真空断路器，额定电流630 A，额定开断电流25 kA；10 kV 设备断路器为ZN28—12 型真空断路器，额定电流630 A，额定开断电流25 kA；35 kV 高压电缆型号WDZB-YJV；10 kV 高压电缆型号WDZB-YJV。考虑母线电压下降对接触器、直流系统充电装置的影响，电动机起动按软启动方式，经计算10 kV 母线电压降6.2%，满足规范要求。

4 结语

黄家湾水利枢纽建成后多年平均供水量9 321 万m3/a，可解决紫云县12.3 万人、2.35 万头大牲畜和工业园区供水问题，灌溉田土74 121 亩，电站总装机容量2.4 万kW，多年平均发电量5 630 万kW·h，同时可对下游梯级电站起到调节作用，提高下游梯级电站保证出力，增加发电量。工程概算总投资319 602 万元，经济内部收益率8.04%，经济效益费用比1.0，净现值1 238 万元。工程开发条件好，实施效果显著，经济合理可行。后续应当加强蒙江下游其余梯级枢纽开发论证和实施工作。