安 剛
(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)
摘 要：針對(duì)公格爾水電站600 m高水頭落差的特點(diǎn)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外水輪機(jī)最新發(fā)展趨勢(shì)，通過對(duì)水輪機(jī)形式進(jìn)行技術(shù)和經(jīng)濟(jì)綜合分析，最終選定水斗式水輪機(jī)；并進(jìn)一步對(duì)水輪機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為電站長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了可靠的技術(shù)保障，同時(shí)也為國(guó)內(nèi)外類似電站的設(shè)計(jì)提供一定借鑒。表4個(gè)。
關(guān)鍵詞：高水頭水電站；水輪機(jī)選型；水斗式水輪機(jī)；參數(shù)設(shè)計(jì)
公格爾水電站是蓋孜河流域梯級(jí)開發(fā)的第一級(jí)電站，是蓋孜河梯級(jí)開發(fā)的龍頭水庫工程。電站位于新疆維吾爾自治區(qū)克孜勒蘇柯爾克孜州阿克陶縣境內(nèi)，采用壩后引水式開發(fā)，裝機(jī)容量為200 MW，工程開發(fā)任務(wù)是灌溉、發(fā)電和防洪。電站在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用和部分基荷運(yùn)行任務(wù)，主要由大壩、溢洪道、導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞、發(fā)電引水系統(tǒng)(設(shè)置調(diào)壓井)、壓力管道(一管三機(jī)，約18 km)和地面電站廠房等建筑物組成。
水庫正常蓄水位3 290.0 m，死水位3 280.0 m，調(diào)節(jié)性能為不完全多年調(diào)節(jié)。最高尾水位2 627.34 m，正常尾水位(3臺(tái)機(jī)滿發(fā))2 625.49 m，最大水頭(毛水頭)665 m，加權(quán)平均水頭(凈水頭)632.6 m，額定水頭(凈水頭)607.0 m，最小水頭(凈水頭)607.0 m，多年平均懸移質(zhì)含沙量(天然河道)1.181 9 kg/m3。
電站裝機(jī)容量200 MW，多年平均年發(fā)電量6.7億kW·h，年利用小時(shí)數(shù)3 350 h，保證出力71.5 MW。
公格爾水電站水頭范圍為607～665 m，在該水頭段可供選擇的水輪機(jī)有混流式與水斗式兩種。
現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)水頭在500 m以上的大中型水輪機(jī)設(shè)計(jì)和制造缺乏經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)支持，因此本電站水輪機(jī)將借鑒和引進(jìn)國(guó)外知名廠家的設(shè)計(jì)制造技術(shù)。
3.1 兩種機(jī)型的應(yīng)用概況及分析
世界上最早出現(xiàn)水頭在500 m以上的高水頭混流式水輪機(jī)是20世紀(jì)60年代初裝在挪威Hemsil Ⅰ電站，至今已運(yùn)行40多年。之后在挪威、美國(guó)、英國(guó)、奧地利、瑞士等許多國(guó)家相繼安裝了高水頭混流式水輪發(fā)電機(jī)組，到80年代這類水電站已非常普遍。
在國(guó)外，具有設(shè)計(jì)、制造水頭500 m以上較大容量水輪發(fā)電機(jī)組的廠家有克瓦納(挪威)、安德列茲—維奧(奧地利)、阿爾斯通(法國(guó))和日本等國(guó)的一些著名水電公司。目前，混流式機(jī)組有奧地利的Hausling電站，最大水頭Hmax=734.2 m，出力Nr=180 MW，額定轉(zhuǎn)速n=600 r/min(1984年)；水斗式機(jī)組有瑞典的Bieudron水電站，最大水頭Hmax=1 869 m，出力Nr=423 MW(1998年)，堪稱世界之最。
目前在國(guó)內(nèi)，應(yīng)用在400 m以上高水頭的大容量水斗式水輪機(jī)和混流式水輪機(jī)統(tǒng)計(jì)如下所示(見表1、表2)。
表1 國(guó)內(nèi)大型水斗式水輪機(jī)統(tǒng)計(jì)
電站額定水頭/m單機(jī)容量/MW噴嘴數(shù)制造廠家備注冶勒5801206法國(guó)阿爾斯通已建吉沙485606法國(guó)阿爾斯通已建大發(fā)4821206安德列茲—維奧(奧地利)已建仁宗海5601206安德列茲—維奧(奧地利)已建金窩5951406安德列茲—維奧(奧地利)已建鴨嘴河600606安德列茲—維奧(奧地利)已建吉牛4571206安德列茲—維奧(奧地利)已建
表2 國(guó)內(nèi)大中型高水頭(400 m以上)混流式水輪機(jī)統(tǒng)計(jì)
電站額定水頭/m單機(jī)容量/MW轉(zhuǎn)輪直徑/m轉(zhuǎn)速/(r·min-1)制造廠家備注磽磧490802 3600東芝已建周寧4001252 928428 6克瓦納已建自一里445652 15600克瓦納已建踏卡412552 08600杭州力源已建金平411 5502 08500杭州力源已建金元411 5602 15600杭州力源已建金康458752 15600GE亞洲水電已建聯(lián)補(bǔ)416 9652 15600GE亞洲水電已建
3.2 機(jī)型選擇
水斗式機(jī)型與混流式機(jī)型相比，具有以下特點(diǎn)：
(1)最高效率比混流式水輪機(jī)低2%～3%，但其效率曲線較平緩，當(dāng)負(fù)荷僅為額定負(fù)荷的20%時(shí)仍可以運(yùn)行；而混流式水輪機(jī)要求運(yùn)行在額定出力50%以上。
(2)水斗式轉(zhuǎn)輪露出水面，不存在因氣蝕要求而增加開挖問題。水斗式轉(zhuǎn)輪在1個(gè)大氣壓下工作，其氣蝕磨損較混流式輕，轉(zhuǎn)輪材質(zhì)要求較低，同時(shí)轉(zhuǎn)輪檢修工作量小。水斗式轉(zhuǎn)輪的氣蝕磨損與運(yùn)行負(fù)荷變化關(guān)系不大，而混流式水輪機(jī)在某些工況運(yùn)行時(shí)，氣蝕磨損破壞加劇較明顯。
(3)對(duì)于水斗式水輪機(jī)，機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，可利用折向器迅速遮開水流，從而控制壓力和轉(zhuǎn)速上升，解決了大波動(dòng)穩(wěn)定性問題，提高了機(jī)組的可靠性。
(4)由于在小負(fù)荷區(qū)運(yùn)行時(shí)，水斗式水輪機(jī)的效率反而比混流式水輪機(jī)高。這一點(diǎn)對(duì)于在孤立、容量小的喀克電網(wǎng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用和部分基荷運(yùn)行任務(wù)的公格爾水電站機(jī)組非常重要。
(5)混流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，易損部件較水斗式水輪機(jī)多，檢修、更換和維護(hù)工作量大，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高。
(6)混流式水輪機(jī)過流部件多，迷宮及導(dǎo)葉端面間隙小，受泥沙磨損影響后更換不方便，檢修工作量大。
(7)水斗式水輪機(jī)在含沙水流下運(yùn)行，噴針頭、噴嘴口環(huán)及水斗分水刃的磨損也非常劇烈；但這些部件相對(duì)獨(dú)立，更換方便(在有備件的情況下，1～2 d即可完成)。
(8)混流式機(jī)組發(fā)生振動(dòng)、噪音及不穩(wěn)定的機(jī)率較高。
鑒于以上原因，因此本階段推薦選用立軸水斗式水輪機(jī)。
本電站建成后聯(lián)入喀克電網(wǎng),為電網(wǎng)中最大電站，在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用和部分基荷任務(wù)。機(jī)組臺(tái)數(shù)及單機(jī)容量選擇提出2臺(tái)機(jī)(2×100 MW)、3臺(tái)機(jī)(3×67 MW)、4臺(tái)機(jī)(4×50 MW) 共3個(gè)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較(見表3)。2臺(tái)機(jī)方案發(fā)電系統(tǒng)總造價(jià)低，但電站在喀克電網(wǎng)中所占比重較大，運(yùn)行不夠靈活，且電力系統(tǒng)事故備用容量??；根據(jù)電力系統(tǒng)事故備用容量不應(yīng)小于該系統(tǒng)中最大單機(jī)容量的原則，顯然2臺(tái)機(jī)方案單機(jī)容量為100 MW過大是不合適的。4臺(tái)機(jī)檢修運(yùn)行靈活方便，但其單機(jī)容量偏小，額定轉(zhuǎn)速偏高，機(jī)組振動(dòng)可能給機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行留下隱患，而且在初期投資和年維護(hù)費(fèi)用方面也比其他方案多，故4臺(tái)機(jī)方案不宜推薦。采用3臺(tái)機(jī)(3×67 MW)方案運(yùn)行較靈活，運(yùn)行調(diào)度和機(jī)組檢修比較方便。經(jīng)初步技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，推薦采用3×67 MW方案。
表3 機(jī)組臺(tái)數(shù)比較
項(xiàng)目(4×50MW)(3×67MW)(2×100MW)水輪機(jī)型號(hào)CJ???—L—168/6×13 9CJ???—L—205/6×16 6CJ???—L—237/6×19 6單臺(tái)水輪機(jī)價(jià)格/萬元160020002500發(fā)電機(jī)型號(hào)SF50—10/3800SF67—12/4450SF100—14/5400單臺(tái)發(fā)電機(jī)價(jià)格/萬元6158401200進(jìn)水閥型號(hào)QF800—WY—110QF800—WY—140QF800—WY—180單臺(tái)進(jìn)水閥價(jià)格/萬元250300400調(diào)速器型號(hào)CJT6/6—6 3CJT6/6—6 3CJT6/6—6 3單臺(tái)調(diào)速器價(jià)格/萬元8090100起重機(jī)型號(hào)125/32/5t，Lk=14 5m160/32/5t，Lk=16 5m250/50/10t，Lk=18 5m起重機(jī)價(jià)格/萬元200300440機(jī)電設(shè)備總投資/萬元282852641625424廠房土建總投資/萬元511449834904投資差額/萬元+20000-1071
水輪機(jī)參數(shù)的選擇不僅與水頭有關(guān)，還與單機(jī)容量、額定轉(zhuǎn)速、過機(jī)泥沙含量、出力變化要求等因素有關(guān)。
5.1 單噴嘴比轉(zhuǎn)速選擇
哈爾濱電機(jī)廠統(tǒng)計(jì)公式ns1=284.2H-0.4388=17.1 m·kW。
挪威“免氣蝕曲線”ns1=20 m·kW。
若比轉(zhuǎn)速取在21.5 m·kW左右，則機(jī)組轉(zhuǎn)速為600 r/min，轉(zhuǎn)輪節(jié)圓直徑D1=2 050 mm，水輪機(jī)在額定工況下的射流直徑d0=166 mm，故D1/d0=12.35。實(shí)踐中D1/d0的取值范圍為10～18，轉(zhuǎn)輪斗葉的應(yīng)力水平與水頭成正比；而與D1/d0的平方成反比。為使斗葉應(yīng)力保持在允許的水平，高水頭水輪機(jī)應(yīng)選擇相對(duì)較大的D1/d0值。采用21.5 m·kW左右的比轉(zhuǎn)速已經(jīng)使D1/d0值處于下限范圍。技術(shù)交流時(shí)國(guó)外廠商認(rèn)為對(duì)于水頭范圍為607～665 m的公格爾水電站水輪機(jī)來說，比轉(zhuǎn)速21.5 m·kW(轉(zhuǎn)速600 r/min)過高，主要因?yàn)槎啡~工作應(yīng)力太高，已經(jīng)達(dá)到要保證斗葉壽命而必須采取特殊措施的程度。根據(jù)他們的經(jīng)驗(yàn)，為保證水電站長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，不推薦21.5 m·kW的比轉(zhuǎn)速。
因此，推薦水輪機(jī)單噴嘴比轉(zhuǎn)速為17.76 m·kW，機(jī)組轉(zhuǎn)速為500 r/min。
5.2 噴嘴數(shù)選擇
根據(jù)計(jì)算，本電站水輪機(jī)可以選擇5或6個(gè)噴嘴數(shù)，按水輪機(jī)68.72 MW出力進(jìn)行分析比較(見表4)。
表4 5噴嘴和6噴嘴方案機(jī)組參數(shù)比較
Nr/MW噴嘴數(shù)nr/(r·min-1)Qr/(m3·s-1)d0/mmD1/mmD1/d0ns/m·kWns1/m·kW68 725428 612 66176212312 0637 5216 7868 72650012 66166205012 3543 7517 76
由表4可知，5噴嘴水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪節(jié)圓直徑大、轉(zhuǎn)速低，同時(shí)由于轉(zhuǎn)速降低將導(dǎo)致發(fā)電機(jī)尺寸增加，一方面增大了機(jī)組投資，另一方面將增加廠房尺寸和開挖量。另外，根據(jù)制造廠提供的資料，6噴嘴水斗式水輪機(jī)的效率要高于5噴嘴水斗式水輪機(jī)，并且6噴嘴水斗式水輪機(jī)在調(diào)節(jié)負(fù)荷時(shí)可對(duì)稱切除噴嘴，從而不給軸承造成附加載荷。
基于以上原因，故水斗式水輪機(jī)暫按6個(gè)噴嘴進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。
5.3 水斗式水輪機(jī)型式和主要參數(shù)
水輪機(jī)型號(hào)為CJ***—L—205/6×16.6，轉(zhuǎn)輪節(jié)圓直徑2 050 mm，射流直徑166 mm，噴嘴數(shù)6個(gè)，水斗數(shù)22個(gè)，額定流量12.66 m3/s，額定轉(zhuǎn)速500 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速935 r/min，額定功率68.72 MW，額定工況點(diǎn)效率91.42%，最高效率91.99%，排出高度+3.0 m。
水斗式水輪機(jī)的安裝高程由排出高度hp和最高尾水位確定，確定安裝高程時(shí)應(yīng)保證在任何工況下尾水渠保持足夠的通氣高度，hp一般為(1.0～1.5)D1，暫定hp為3.0 m(1.5D1)；下游最高尾水位為2 627.34 m，故水輪機(jī)安裝高程為(2 627.34+3)m=2 630.34 m。
公格爾水電站屬高水頭電站，通過對(duì)機(jī)型的比選，并結(jié)合電站自身特點(diǎn)，對(duì)水輪機(jī)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，為該電站今后長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。
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責(zé)任編輯 吳 昊
收稿日期：2017-05-03
作者簡(jiǎn)介：安 剛(1975-)， 男，高級(jí)工程師，主要從事水電站水力機(jī)械設(shè)計(jì)工作。 E_mail：angang3030@163.com
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