高 瑜,赵明琴

(1.中国水电工程顾问集团公司,北京 100120;2.中国水电顾问集团贵阳勘测设计研究院,贵州 贵阳 550081)

1 工程概况

沙沱水电站位于贵州省沿河县城上游约7 km,是乌江干流开发选定方案中的第九级,属贵州省"西电东送"第二批开工项目的 "四水工程"之一,于2004年开始筹建.电站建成后,在系统中承担调峰、调频、事故及负荷备用.沙沱水库正常蓄水位365.0 m,调节库容2.87亿m3,属日调节水库.电站装机容量4X280 MW,保证出力322.9 MW,年利用小时数为4 064 h,水头运行范围50~74.9 m,多年平均含沙量为0.507 kg/m3.机组经招标确定水轮机由哈尔滨电机厂有限责任公司供货,发电机由天津阿尔斯通水电设备有限公司供货.

2 水轮机选型

2.1 额定水头

沙沱水电站正常蓄水位365.0 m,汛期限制水位357.0 m,死水位353.5 m,最大水头74.9 m,最小水头50.0 m,额定水头64.0 m,加权水头68.4 m,单机容量280 MW.沙沱水电站受阻出力多为汛期季节性电能,在既考虑到减少受阻出力又不过分强调受阻出力的情况下,兼顾水轮机稳定运行性能的要求,对额定水头初拟了61、62.5、64、65.5、67 m 5个方案进行比较,额定水头比较方案参数见表1.

随着额定水头的逐步提高,电站汛期受阻出力在逐步加大,当额定水头为67 m时,电站受阻容量达72.86 MW,由此可见,当额定水头提高时,电站汛期的容量效益明显减少.此外,随着额定水头的提高,电站的发电量在逐步减少,但变化并不大,主要是由于上游构皮滩水库建成后,沙沱水电站的入库流量比较均匀,汛期弃水明显减少.

贵州电网的调峰任务主要由乌江梯级水电站群来承担,虽然乌江梯级有洪家渡、构皮滩两大水库,但梯级的年内出力分配还是以汛期出力为主,因此,为满足贵州电网的调峰需求,乌江梯级水电站群仍存在一定的弃水调峰.沙沱水电站本身仅具日调节性能,汛期发电与弃水的矛盾将较突出,由于汛期限制水位为357 m,为保证沙沱水电站在汛期能满装机发电,经计算,额定水头不宜高于62.5 m.

表1 额定水头比较方案

从各方案的受阻容量来看,61、62.5 m额定水头方案没有受阻,64 m方案受阻容量为10.04 MW,65.5 m方案受阻容量达43.33 MW.从贵州电网的负荷特性和电源结构分析,贵州负荷的峰谷差并不大,且洪家渡、构皮滩等调峰电源建成后,沙沱水电站应以发电量为主.从电网的电力电量平衡来看,沙沱水电站的汛期的受阻容量均不对电网的安全运行产生影响.但65.5~67 m方案受阻容量占装机容量的比重较大,达15.5%~26%,不宜采用.

2.1.2 额定水头与运行稳定性的关系

水轮机的额定水头与水轮机的运行稳定性有着密切的关系,经对国内外大型水轮机运行范围进行统计,当Hmax/Hmin≤1.6、Hmax/Hr≤1.15时,水轮机有较好的运行稳定性.统计资料表明,国外有85%的电站,国内有75%的电站Hmax/Hr≤1.15.沙沱水电站额定水头在64~65.5 m时,Hmax/Hr接近1.15.

从沙沱水电站水轮机的运行工况来看,为兼顾汛期与枯水期的不同运行水位,当额定水头为61 m时,水轮机在汛期的运行条件较好,但在枯水期的效率偏低.而当额定水头为65.5 m时,水轮机在枯水期的运行条件较好,但在汛期的效率偏低.当额定水头为64 m时,水轮机在汛期和枯水期的运行条件均较好,均处于高效率区和稳定区运行.因此,从水轮机的运行条件来看,额定水头选择64 m较好.

表2 主机制造厂水轮机投标情况统计

2.1.3 经济比较

BIM技术的可视化特点在暖通工程设计中的作用非常重要，例如，传统的施工图只是采用二维方法将各构件的数据信息标在图纸上，对其三维效果或安装效果很难进行直观的表达。而BIM技术提供了可视化的思路，设计者可以根据数据信息建立仿真模型，将设计效果直观地展现在人们面前，并且不仅包括构件的尺寸数据，还可以将不同的构件以不同的颜色进行标示，对其位置关系一目了然。另外，BlM技术的可视化结果不仅可以用效果图展示及报表生成，更重要的是，项目设计、建造、运营过程中的沟通、讨论、决策都在可视化的状态下进行，大大提高了工作效率。

从以上方案之间的投资效益来看,额定水头从67 m方案降低到65.5 m方案时,由额定水头变化带来的投资变化增加1 632万元,年发电量增加2 100万kW.h,补充单位电能投资为0.78元/kW.h,方案的经济性比较好;从65.5 m方案降低到64 m方案时,由额定水头变化带来的投资变化增加2312万元,年发电量增加2 100万kW.h,补充单位电能投资为1.10元/kW.h,因此,额定水头64 m比65.5 m经济合理.额定水头从64 m再降低到62.5 m时,由于额定水头变化带来的投资增加3 488万元,年发电量增加700万kW.h,补充单位电能投资为4.98元/kW.h,在一定的时期内,沙沱水电站额定水头从64.0 m降至62.5 m无盈利能力.

综合上述分析,沙沱水电站额定水头64 m方案经济合理,且水轮机在汛期和枯水期的均处于高效率区和稳定区运行,此外,64 m方案在汛期的受阻容量仅10.04 MW,对电网的安全运行基本无影响,因此,推荐本电站的额定水头为64.0 m.

2.2 水轮机参数

2.2.1 比转速及比速系数

比转速ns和比速系数K是水轮机的重要特征参数之一,是衡量水轮机能量特性、经济性和先进性的一个综合性能指标,同时亦反映了水轮机的设计制造水平.提高比转速,不仅可以减小机组尺寸,降低机组造价,同时还可以减小主厂房尺寸,降低土建投资,特别是大容量机组更是如此,因此在可能的条件下,倾向于选择较高的比转速ns和比速系数K.但水轮机比转速ns的提高受到水轮机刚度、强度、空化、泥沙磨损、运行稳定性以及平均效率等方面的制约.近年来国内外诸多高参数的大型水轮机陆续出现了水力不稳定和转轮叶片开裂问题,从而引起了业内人士的广泛关注.因此,必须根据电站的具体实际情况,对水轮机的各项性能指标进行综合分析,选择合理的比转速ns和比速系数K值.大型混流式水轮机比转速随额定水头的变化曲线如图1所示.

图1 大型混流式水轮机比转速随额定水头的变化关系曲线

图1 中曲线ns=2 357/Hr0.538是根据国内外大量已建大型水电站的参数做出的统计回归曲线.另外一条ns=47 406/(Hr+108.5)曲线是考虑了水轮机比转速的新发展而做出的统计回归曲线,位于统计电站的外包络线位置.对于沙沱水电站ns=2 357/640.538=251.6(m.kW制)或ns=47 406/(64+108.5)=274.8(m.kW制),从图1可以看出,统计的比转速范围大约在250~275(m.kW制)之间,相应的比速系数K=2 000~2 200.从国内该水头段大型混流式水轮机比转速统计资料,如索风营、思林、柘溪扩机、凤滩扩机、彭水等电站比速系数在2 096~2 265之间.表2为国内几大主机制造厂在招标阶段为本电站水轮机投标情况统计情况.

经综合分析及各大主机制造厂家投标情况,考虑到本电站具体特点,推荐水轮机比转速为ns=260~280(m.kW制),比速系数K=2 080~2 240.

2.2.2 单位转速和单位流量的选择

单位转速的选择应考虑和单位流量进行最佳匹配以满足高效、稳定运行的要求.选用较高的单位转速,可以提高机组的转速,从而可以减小发电机的尺寸和重量;选用较大的单位流量,可以减小水轮机的尺寸和重量,这对于大型水轮发电机组有较大的经济效益.但单位转速和单位流量的提高又受到强度、空化和运行稳定性等许多条件的限制,而且模型转轮各参数之间应该有合理的匹配关系,才能获得较好的综合性能指标.

从表2可以看出,除个别厂家最优工况单位转速低于76 r/min,其余厂家最优工况单位转速在76~80 r/min之间,限制工况单位流量在1.23~1.3 m3/s之间.从近几年相同水头段投产电站如索风营、思林、柘溪扩机、凤滩扩机、彭水等电站统计资料,额定点的单位流量在1.15~1.24 m3/s.

经过上述分析,考虑本电站水轮机的运行特点,推荐转轮最优单位转速n110范围为76~80 r/min,限制工况单位流量Q11范围为1.15~1.25 m3/s.

2.2.3 水轮机效率

水轮机效率是评价水轮机能量特性的重要指标,直接影响电站的发电效益.从近几年投产电站如索风营、思林、柘溪扩机、凤滩扩机、彭水等电站统计资料来看,水轮机真机最高效率已超过96%,各大主机制造厂所投标的水轮机原型最高效率均超过95.5%.结合沙沱水电站具体特点,水轮机真机最高效率应不低于95.5%,模型最高效率不低于94%,真机额定点效率应不低于91.5%,相应模型额定点效率应不低于89.5%.

2.2.4 水轮机空化系数

水轮机空化性能通常用空化系数σ来衡量.空化系数σ的大小关系到机组的安装高程 (电站的开挖深度)、安全稳定运行、检修周期和使用寿命.水轮机研究工作的重点之一,就是在提高水轮机能量指标的同时,降低水轮机的空化系数,改善空化性能.一般模型空化系数与比转速正相关,即随着比转速的提高,空化系数也呈上升趋势,也就是说,如果追求过高的能量指标,免不了要牺牲空化性能,这也是不赞成片面追求过高的能量指标的原因之一.从国内外比转速与空化系数的统计公式可得出水轮机的σc为0.106~0.164,各大主机制造厂家所投标的σc为0.1237~0.185,初生空化系数σi为0.2114~0.252,结合沙沱水电站具体特点,建议电站空化系数σc在0.13~0.16,σi在0.2~0.25之间选取.

3 水轮机模型、原型参数

经综合考虑,沙沱水电站最终选定水轮机模型参数为:

(1)水轮机模型参数.最优工况下,单位转速n110=76~80 r/min,单位流量Q110=0.9~1 m3/s,效率Mmax≥94.5%;限制工况下,单位流量Q11=1.15~1.25 m/s,效率η≥89.5%,临界空化系数σc=0.13~0.16,初生空化系数σi=0.2~0.25.

(2)水轮机原型参数.水轮机型号为HLA904c-LJ-710,额定出力Pr=284.3 MW,额定流量Qr=490.27 m3/s,转轮直径D1=7.1 m,额定转速nr=93.75 r/min,额定工况比转速ns=276.1(m.kW制),比速系数K=2 208.8,最高效率ηmax=96.03%,额定效率ηr=92.2%,电站空化系数σp=0.242(即吸出高度-5.83 m,安装高程285.0 m).

4 结 语

沙沱水电站采用的HLA904c-LJ-710型水轮机是在综合考虑沙沱水电站类型、装机容量、水头、流量等因素后,严格按照国家设计规范、标准要求,借鉴国内外机组选型经验数据,经过多方案多次比选做出的正确选择,完全满足该电站安全、稳定、经济运行需求.2、3号机组自2013年5月并网以来,机组各项指标运行正常,满足规程规范的各项要求,说明沙沱水轮机选型是经济、合理的.

[1] 水电站机电设计手册编写组.水电站机电设计手册:水力机械[M].北京:中国水利电力出版社,1983.

[2] 刘大凯主编.水轮机 [M].3版.北京:中国水利水电出版社,1997.

[3]DL/T 5186-2004 水力发电厂机电设计规范[S].