吉沙水电站机组型式及主要参数的选择

2012-07-26郑冬飞李仕宏

水力发电 2012年3期

关键词：混流式转轮水轮机

郑冬飞，李仕宏

（中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京 100024）

1 工程概况及电站主要参数

1.1 工程概况

吉沙水电站位于云南省迪庆藏族自治州香格里拉县境内，以发电为主，采用引水式开发，引水系统采用 “一洞一井一管二机”布置形式，总长约15.5 km，引水线路采用全埋藏式布置，电站总装机容量120 MW，装有2台60 MW的冲击式水轮发电机组。

1.2 电站主要参数

水库正常蓄水位3 132.0 m，死水位3 123.0 m；下游设计尾水位（半台机发电）2 581.5 m，下游（满发）尾水位2 582.5 m，下游设计尾水洪水位（P=2.0%）2 584.15 m，最大水头539.88 m，最小水头480.66 m，额定水头485.0 m，加权平均水头为517.70 m；保证出力58 MW，装机利用小时数4 763 h，坝址年平均含沙量为0.798 kg/m3，实测最大含沙量16 kg/m3，电站初期运行悬移质泥沙年平均含沙量在0.65 kg/m3左右，中值粒径为0.018 mm，平均粒径为0.087 mm。

2 水轮机机型选择

吉沙水电站属于高水头中型水电站，水头范围内适用的机型有冲击式和混流式水轮机两种。

结合电站实际情况，拟定两台60 MW冲击式水轮机方案和两台60 MW混流式水轮机方案进行综合性能比较，详见表1。

2.1 技术比较

据掌握的资料可知，目前世界上使用水头最高的混流式水轮机为1986年投运的奥地利豪依斯林水电站水轮机 (Hmax=734 m，Nr=180 MW)；冲击式水轮机以瑞士毕奥德隆水电站 (Hmax=1 869 m，Nr=423 MW)为代表，其水头和容量均为目前冲击式水轮机最高水平。根据有关机型资料的统计分析来看，国外知名厂商或国内制造厂与国外厂商技术合作设计、生产制造500 m水头段、单机容量60 MW的混流式水轮机和冲击式水轮机在技术上都是可行的。

2.1.1 稳定性

混流式水轮机流态复杂，发生振动及运行不稳定的机率高，普遍存在部分负荷运行时的稳定性问题，本电站由于埋深过大，达-13 m左右，难以实现靠自然补气来保证机组运行稳定，这是一个较为棘手的问题。冲击式水轮机可采用切换喷嘴的办法调节负荷，同时本电站水头变幅不大，也不存在因水头变化而造成其效率陡变的情况，因此，在整个运行范围内冲击式水轮机稳定性要明显优于混流式水轮机。

表1 吉沙水电站机型选择参数比较

2.1.2 运行维护

吉沙电站含沙量较高，水轮机泥沙磨损将比较严重。混流式水轮机过流部件受泥沙磨损影响后更换不方便，检修工作量大，而冲击式水轮机在含泥沙水流下运行，喷针头、喷嘴口环及水斗分水刃的磨损也非常剧烈，但这些部件相对独立，更换较方便。因此在运行维护方面，冲击式水轮机能较好的发挥其优势。而且，由于混流式水轮机埋深大，其尾水管出口比尾水出口处硕多岗河低很多，其尾水流道坡度为1∶3左右，再加上河流泥沙较多，可能会出现泥沙向尾水洞回淤现象，这将给电站运行维护带来困难。

2.1.3 水头的利用

冲击式水轮机转轮需装设在最高尾水位以上，会引起水头利用不充分并造成一定电量损失，不利于下游水位变幅大的电站。本电站下游水位变幅较小，其排出高度为4.35 m，选择冲击式机组与混流式机组相比要减少约6 m水头，但仅占额定水头的1%左右，对电量的影响不大。

2.1.4 水轮机效率

从目前机组整个发展水平来看，混流式机组的最高效率要高于冲击式水轮机。但是本电站额定水头485 m，单机容量60 MW，采用混流式机组额定转速为750 r/min，其比转速处在混流式机组比转速范围的下限，通过资料分析，最高效率约91%左右，且高效率区较小，整个水头变化范围内，混流式水轮机与冲击式水轮机的效率相差不大，针对本电站而言，冲击式水轮机的效率可能要高一点。

2.1.5 其他方面

混流式水轮机转速750 r/min，对应的飞逸转速比冲击式水轮机高约370 r/min，且轴向水推力约1 250 kN，发电机设计难度较大，则宜选用冲击式水轮机。目前国内500 m水头段混流式机组电站很少，为进口转轮，且无运行经验。

2.2 投资比较

2.2.1 机电设备投资

冲击式机组方案比混流式机组方案同步转速低3～4档，单台机组总质量增大约100 t，但本电站采用的混流式机组发电机额定转速与飞逸转速高，设计制造难度大一些，经对国内招标的类似电站的机组价格分析，该水头段的混流式机组单价比冲击式要高一些。通过分析，两台冲击式机组方案（进口转轮）机电设备投资比两台混流式机组方案（进口转轮）要多近500万元。

2.2.2 土建投资

冲击式机组厂房尺寸长度和跨度都要大一些，由于采用地面厂房布置方案，布置厂房的花椒坡村地形较为开阔、平缓，厂房尺寸增大增加的土建工程量有限；本电站海拔较高，冲击式机组安装高程约2 588.5 m，混流式机组比冲击式机组安装高程低15 m左右，增加厂房开挖深度及尾水渠的开挖；另一方面机组甩负荷时，冲击式水轮机折向器的作用调节性能较好，可适当降低压力管道和调压室的设计等级和规模，综合起来看，混流式机组增加的土建工程投资约500万元。

2.2.3 工程直接投资

两种机组方案相差不大。同时还应看到，对水头500 m以上的混流式水轮机有成熟技术的公司在国内、外也只有2～3家，这将给主机招标带来一定困难，机组招标时报价缺乏可比性。

综上所述，考虑到500 m水头段冲击式机型技术较为成熟，生产厂家较多，有利于将来机组招标采购，并且电站的枢纽布置、机组运行维护方便等因素，推荐选用冲击式水轮机。

表2 国内部分冲击式水轮机主要参数

3 机组台数和单机容量选择

吉沙水电站装机容量不大，机组台数不宜过多。同时，考虑本电站机组以发电为主及设备运行灵活性，电站装机利用小时数较高，不宜采用一台机方案，否则机组检修时，整个电站停机，造成电能浪费。下面就根据电站装机容量比较装机2、3、4台方案。

对于3台机方案，当前国内几大制造厂都没有自行设计生产过单机容量40 MW这么大容量的冲击式水轮机，如果机组的关键部件采用进口，其投资将远远高出国产4台机方案投资和两台机组（关键部件采用进口）方案；厂房枢纽引起的投资差别不大，而且机组台数为奇数，电气主接线较复杂，电气设计和设备运行管理均较困难。下面对2台机和4台机方案进行具体的技术经济比较分析。

表2统计了国内部分冲击式水轮机的主要参数，通过对当时已运行或在建的冲击式水轮机业绩进行分析，其中2台机方案即60 MW冲击式水轮机组采用国外厂商合作的方式，即水轮机设计和关键设备可采用分包，分包人完成水轮机的水力设计和结构设计，并配套提供两套水轮机转轮、喷嘴、喷针等主要部件；对于4台机方案30 MW冲击式水轮机，国内制造厂商可以根据自己的设计水平、生产制造经验和近年来的科研成果，自行设计生产制造，也可以与国外有经验厂家合作共同设计生产。

2台60 MW和4台30 MW冲击式机组方案比较见表3。

表3 吉沙水电站机组台数比较（冲击式机组方案）

由表3可以看出：两个方案的单喷嘴比转速基本一致；2台机方案的机组综合效率略高于4台机方案；两者机组安装高程基本一致，均可定为2 588.5 m，对水头利用基本一致；2台机方案运行维护明显优于4台机方案；2台机方案与4台机方案最大运输件均为变压器，两个方案的主变均为2台，运输条件无差别。

综上所述，单机容量30 MW和60 MW的冲击式水轮机在技术上都是可行的。

从机组投资来看，4台机方案机组总质量比2台机方案大300 t左右，两台机方案采用进口转轮、喷嘴和技术，水轮机制造单价要高，机组投资2台机方案比4台机方案要略高，考虑调速器、球阀及电气设备等投资，2台机方案机电设备投资比4台机方案要略省。综合机电、土建总投资，2台机方案比4台机方案要省490万元左右。

综合考虑，推荐装设2台机组方案。

4 水轮机参数选择

4.1 比转速及机组转速选择

从冲击式水轮机单喷嘴比转速选择的统计可以看出，500 m水头段的单喷嘴比转速在16～22（m·kW制）之间。国内、外的制造水平存在一定差距，在冲击式机组设计时比转速的选择也有一定差距。由收集到的资料，最近由国内生产制造的老挝南梦3电站水轮机，额定水头518 m，其单喷嘴比转速14.56（m·kW制）；引进国外转轮和技术的云南高桥电站，额定水头555 m，其单喷嘴比转速19.29（m·kW制）。最终吉沙水电站引进转轮比转速取值17.5（m·kW制）左右，对应的机组转速为428.6 r/min。