周江涛

中国葛洲坝集团国际工程有限公司，北京市 132200

刚果（金）邦德拉水电站机组扩容和选型研究

周江涛

中国葛洲坝集团国际工程有限公司，北京市 132200

本文介绍了刚果金邦德拉水电站改造和扩建项目水轮机扩容和选型研究过程，总结出原水电站建筑物已定及缺乏有效水文资料的情况下，旧冲击式水轮机进行扩容、选型的实用简洁方案，以供其它项目参考使用。

冲击式;水轮机;扩容;选型

1 项目简介

邦德拉（Bendera）水电站位于刚果民主共和国省东南部，距离卡莱米（Kalemie）市120km，为引水式电站，承担卡莱米市基荷电力供应。原设计装机5台单机容量为8.6MW的冲击式机组，1951年开工建设，1959年完工，完成了主要水工建筑物和2台机组的安装，主要情况如下：

地面厂房:1号和2号机组完成安装，3～5号机组预留了机坑位置。

大坝:坝高12m，坝顶长60m，溢流堰混凝土重力拱坝；

引水隧洞:长1415m，截面尺寸:4.60m；

1号压力钢管:直径1.15m，长1390m；

目前两台机均因故障停机，业主刚果（金）能源部计划对现有两台机组进行拆除和更新，并安装其余三台机组。计划安装5台新水轮发电机组及配套机电设备，制造和安装2号压力管道。2号主压力管道从引水隧洞出口阀室中预留的接口开始，平行于1号主压力管道布置，至厂房通过压力支管分别为计划安装的3～5号机组供水。为满足当地日益正在的用电需求，业主希望能扩大单台装机容量。

2 电站装机容量分析

装机容量的恰当选择与否，对电站的经济效益影响非常明显。机组容量选择考虑的是日平均流量和利用水头，并涉及多学科交叉如规划专业、水工专业、水力机械专业。经现场实地考察，电站所在区域有着典型的热带草原气候特点，全年分为雨季（11月至次年4月）和旱季（5月至10月），年平均降水量约1000mm。电站从Kiymbi 河引水，根据电站原统计资料，Kiymbi 河最小流量：3.0m3/s，最大流量：500m3/s。水库特征水位：最高水位：1654.70m，正常水位：1652.20m，最低水位：1646.10m，库容：90000 m3。电站最大毛水头679.7m，设计毛水头677.2m，最小毛水头671.1m。

根据当地水文特点及进行计算分析，我方向业主提出了提高装机容量的可行性，增设水电站重复容量。即利用丰水期的多余水量，增发季节性电能，从而达到节省能源（家庭自用柴油发电机油耗）的目的。

3 机组选型研究

3.1 确定机组型式

电站原有水轮机机为卧轴水斗式，制造商为意大利的Riva公司。为20世纪40-50年代的产品，单台机额定功率：8690kW，转轮直径:1370mm，额定水头：656m，额定流量：1.5m3/s，额定转速：750r/min，喷嘴类型：直线型，单一喷嘴，水斗数量：20。

我国水轮机制造厂家对于小型冲击式水轮机通常也采用卧式布置，相对于立式机组，卧式结构简单，并便于安装和维护，鉴于此，新机组计划同旧机组一致采用卧式。

对于喷嘴数量选择，旧机组为单喷嘴，效率较低，易产生应力集中。双喷嘴水轮机喷嘴可随负荷变化自动切换，工作的负荷区间大，且双喷嘴水斗受力均衡，受力状态较好。鉴于此，新机组计划采用双喷嘴。

3.2 确定机组参数

（1）确定工作水头

为增大水轮机的出力，根据水轮机出力原理公式：

其中：N为水轮机出力(kW)；Q为流量(m3/s)；H为净水头(m)；g为工程现场重力加速度(m-s-2)，本电站取9.78；ηT为水轮机效率，一般为90.4%。

从公式(1)可以得知，为提高水轮机出力，需要提高流量、水头或效率，其中水轮机效率基本为固定值，就需要提高Q与H的乘积。

根据《水电站调压室设计规范》（DL/ T 5058-1996），水流经过引水隧洞和压力管道后，水头存在损失，包括沿程摩擦损失和局部损失，水头损失量与引用流量的平方成正比。为充分利用丰水期的水量，水轮机加大引用流量后，水头损失也会增加。设Q总为引水隧洞流量，Q道为压力管道流量。则水头损失△h公式为：

K总为引水隧洞水头损失系数，K1为压力管道水头损失系数。根据本电站实际情况，K总取0.03，K1取0.963。

设拟建的2#压力钢管引水流量为Q1，则单台机的出力N可以表示为Q1的函数，公式如下：

由公式（3），绘出水轮机出力-流量关系曲线如下：

图1 水轮机出力-流量关系曲线

由曲线可知，单机流量增大，出力增大，但是单位流量所产生的出力在减少，即单位水量的利用率在降低。说明单靠增加流量，出力已经不经济了。而且由于电站枯水期来水量减少，故需要综合考虑引用流量，以达到既经济又扩大水轮机出力的目的。

考虑到水量的保证率，计划使用原设计的额定5台机的流量7.5m3/s作为枯水期的引水量，为4台机供水发电。在丰水期时，5台机进行满发，这样既利用了丰水期的水能，又兼顾到了枯水期的流量，并可以顺序安排一台机在枯水期进行检修和保养。

此时单台机的引用流量为1.87m3/ s，此时△h=32.9m，则机组的运行水头H=677.2-32.9=662.8m

根据公式（3），经计算单台水轮机出力可达到P1=10.6MW。

据此，初定水轮机参数为：

额定水头：644m，发额定出力时流量：1.87m3/s，额定点效率：90.4%；额定出力：10.65MW，喷嘴数：2。

根据公式（2），相应的1#压力钢管所带2台机组的水头损失为：

△h=0.03×(1.87×5)2+0.963×(1.87×2)2

计算得出△h=16.1m

相应工作水头H=677.2-16.1=661.1m，大于额定水头644m，满足发额定出力条件。

由于原厂房机坑尺寸已定，水轮机的转轮尺寸初步比选原水轮机，按照制造厂家的系列尺寸，选为1400mm。

射流直径d0的确定，根据程良骏所著《水轮机》提供的公式计算。

d0：射流直径，z0：喷嘴个数，zp：转轮个数，Hr：额定水头，Q：单台机额定流量。

计算得出d0=105mm。

冲击式水轮机直径比m=D1/d0为水轮机的重要参数。经试验及制造厂家多年总结经验，m值应处于10到20之间。选定的水轮机直径比m=D1/d0=140/10.5=13.3。m为13.3，说明水轮机的直径比是恰当的。

据此，根据厂家的型号规定，选定水轮机的型号为：CJC601-W-140/2×10.5。

按照7.5m3/s的总流量4台机组发电时，水轮机额定功率达到42.6MW，与原规划的7.5m3/s的总流量5台机额定功率43MW基本持平。当水流量大于7.5m3/s时，水轮机即可以比原规划的机组多出力，额定出力达到了53.2MW。

值得一提的是，业主的部分工程师对西方厂家的设备非常认可，要求采用西方厂家的单喷嘴的设备，增大装机容量。我方向其提供了详细的计算过程，并指出如果采用单喷嘴，经采用有限元建模计算分析，单机出力达到10MW，将出现应力集中，超出荷载承受界限，水轮机遭到破坏的情况。经过科学的计算和分析，业主工程师心服口服，双方顺利签订了电站机组供货、安装合同，为以后的模型试验、机组生产和供应打好了基础。

4 结语

在原有电站引水隧洞及压力管道、厂房尺寸一定及缺乏相应水文资料的情况下，本文对如何利用丰水期的水量，提高装机容量进行了深入的研究。在不改变原有压力管道的情况下，选定的水轮机不仅满足了原有电站的枯水期的供电需求，而且有效利用了丰水期的水量，装机容量可从43MW扩大到53MW，将产生较大的经济效益。我国、非洲及其他地区国家有较多的运行多年的旧机组需要改造或更新，并且许多类似地区雨季较长，地方又存在较大的电力供应缺口，希望本文提供的冲击式水轮机经验能供类似项目参考使用。

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.21.015