下坂地电站水轮机参数及机型选择

张新萍

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安710001）

1 工程概况

下坂地水利枢纽工程位于新疆塔什库尔干河中下游，地处喀什地区塔什库尔干塔吉克自治县班迪尔乡境内，距塔什库尔干塔吉克自治县45 km，距喀什市315 km，距自治区首府乌鲁木齐市1815 km。该工程是塔里木河流域近期综合治理中惟一的山区水库枢纽工程，水利枢纽为多年调节水库。主要任务是以生态补水及春旱供水为主，结合发电的综合性Ⅱ等大（2）型工程。枢纽建筑物由拦河坝、导流泄洪洞、引水发电洞和电站厂房四部分组成。电站厂房为地下式。

电站安装3台50 MW混流式水轮发电机组，总装机150 MW，为中型水电站。装机容量占两地州电网系统最大负荷的17.24%左右。电站在系统中承担峰荷以及主要事故备用、负荷备用任务。

2 电站基本参数

正常蓄水位：2960.0 m

极限最低水位：2915.0 m

校核洪水位（P=0.2%）：2964.6 m

设计洪水位（P=1%）：2963.2 m

总库容：8.67亿m3

最高尾水位（Q=803 m3/s）：2746.87 m

正常尾水位（Q=89.69 m3/s）：2746.76m

最低尾水位（Q=14.95 m3/s）：2744.61 m

最大净水头：214.80 m

最小净水头：155.76 m

出力加权平均水头：194.33 m

机组额定水头：190 m

电站引用流量：89.69 m3/s

多年平均含砂量（建库前天然河道）：0.491 kg/m3实测最大含砂量（建库前天然河道）：16.8 kg/m3平均粒径：0.138 mm

装机容量：150 MW

机组台数：3台

单机容量：50 MW

电站年发电量：4.644×108 kW·h

年利用小时数：3096 h

电站保证出力：35.9 MW

3 水轮机选择

水能计算确定下坂地电站装机容量为150 MW[1]。根据电站实际情况，从运行管理的灵活性及节省投资等方面考虑[2]，机组台数宜在2 ～4台范围内选取，台数少于2台，则运行调度不灵活，台数多于4台，则投资增加较大，不经济。根据电力系统负荷上涨速度、典型日负荷图、电网结构和系统要求的备用容量、重复容量以及电站的保证出力、发电和供水流量的匹配等因素对电站的装机方案进行计算分析，比选论证2台、3台、4台3个方案的合理性，其单机容量分别为75 MW、50 MW、37.5 MW，择优推荐。

电站装机容量一定时，在一定范围内单机容量愈大，其综合经济效益愈大。当电站装2台机组时，单机容量为75 MW，检修备用容量偏大，电站运行调度也不灵活，同时，对于在系统中承担峰荷的电站，单机容量过大，会降低电站小出力调节灵活性，难于适应系统负荷变化对电站出力的要求，此方案不合理，故不选用2台机组方案。对于3台和4台2个方案，从以下几方面进行比较分析。

机组参数：对于装机3台和4台2个方案，单机容量分别为50 MW和37.5 MW，经过计算，机组参数水平差别较小，二者在本电站均有良好的性能。

运行管理：电站装机37.5 MW×4台和50 MW×3台2个方案比较，机组台数多一台，相对应的配电设备及变压器也多一个单元，运行检修工作量增大，管理相对不便。对整个电站而言4台机组较3台机组发生事故的概率要大一些，安排机组检修的时间也较长。

机组运行的灵活性：就整个电站来看，承担调峰任务，负荷变动较大。4台机组较3台机组运行灵活，对系统要求小负荷输出时适配性较好。根据《水轮机基本技术条件》（GB/T 15468）[3]规定：混流式水轮机在最大和最小水头范围内，稳定运行的范围是45% ～100%的机组最大出力。由此计算出单机37.5 MW机组在高于额定水头时运行所保证稳定运行的范围是16.875 ～37.5 MW，单机50 MW机组是22.5 ～50 MW。两方案稳定出力下限相差5.6 MW，对于喀什克州两地州电力系统总容量870 MW的电网而言，50 MW机组单机容量与37.5 MW机组单机容量的负荷调度灵活性均能满足系统要求，基本无差别。

单台机组故障对系统的影响：《接入系统设计报告》[4]在装机方案中论述“从系统角度来看，2010年全疆电网已实现220 kV联网，喀什克州电网220 kV目标网架基本实现，且喀什克州电网装机容量近700 MW（不含下坂地电站装机），电网网架较为坚强，下坂地电站采用单机50 MW机组，在故障情况下对电网的冲击不会造成太大影响。因此，从系统角度考虑采用两种装机方案都是可行的。从经济角度考虑，推荐采用3×50 MW方案。”

投资：电站投资主要由机组及附属设备、电气设备、土建、金属结构等部分组成。本电站为地下式厂房，4台机方案较3台机除多一台主机及附属设备外，机电设备还要相应增加一套配电设备及变压器，水工部分要多一条压力钢管（支管）、尾水管和母线洞室，主厂房和主变压器室长度亦增加。参考厂家提供的设备尺寸和参数，进行装机3台、4台2个方案的设计和计算，得出结论：50 MW×3台机方案较37.5 MW×4台机方案投资少2966万元。

从以上分析看出，50 MW×3台机方案比37.5 MW×4台机方案优，因此选择3台机方案。

4 水轮机参数及机型选择

4.1 水轮机型式及额定水头选择

电站水头范围155.76～214.80 m，属中高水头，在混流式水轮机使用水头范围内。选择混流式水轮机。

水轮机额定水头选择:考虑水库运行要满足生态补水和春季灌溉的要求：在汛期蓄水，发电流量小，枯水期因下游用水需要下放流量大、发电多这一特点，以充分利用水量多发电，减少弃水，同时结合水轮机的特性，保证稳定、可靠、高效运行为准则，确定水轮机额定水头为190 m。根据水头保证率曲线，190 m水头对应保证率为70%，即机组大部分时间可以发到额定出力。若降低额定水头为180 m，则水轮机造价增加约4%，工程造价亦相应增加，而年发电量增加不到1‰，同时机组在出现概率较高的高水头运行区域工况恶化，所以不予采用。电站出力加权平均水头为194.33 m，通常额定水头与加权平均水头的比值应满足0.9 ～1.0的范围，而190/194.33=0.978，符合0.9 ～1.0的比值范围。若提高额定水头，不宜大于加权平均水头194.33 m，提高的空间有限，且不能降低机组造价。通过经济、技术分析比较，额定水头选取190 m是合适的。

4.2 比转速n s和比速系数K值选择

采用经验公式的方法，并对已投运的与本电站水头相近的250 m水头段混流式水轮机进行统计的方法，确定水轮机比转速ns和比速系数K。

按国内外一些比转速经验公式计算下坂地电站水轮机比转速ns和比速系数K见表1。

表1 按国内外经验公式计算下坂地电站水轮机比转速n s和比速系数K

通过对国内外已建成的250 m水头段混流式水轮机的比转速及比速系数进行统计，进一步了解国内外机组的参数水平，统计结果见表2。

表2 统计结果表

从上述经验公式计算、电站建设统计资料来看，本电站比转速ns应在130 ～160 m·kW之间，相应K值为1900 ～2200。经计算本电站的机组在比转速130 ～160 m·kW范围内对应有2个同步转速：428.6 r/min和500 r/min，当采用同步转速428.6 r/min时，相应的比转速ns=138，比速系数K=1901；当采用同步转速500 r/min时，相应的比转速ns=161，比速系数K=2219。虽然比转速ns=160 m·kW（相应比速系数K=2200）的方案参数高，达到国内先进水平，但考虑到近年在国内出现一些电站因片面追求高参数而忽略了稳定和汽蚀等问题，导致机组震动、汽蚀破坏严重，维修工作量增大，不能充分发挥效益的情况，考虑本电站位于边疆地区，工业技术条件相对较差的实际情况，推荐采用比转速ns=138 m·kW、相应比速系数K=1900、同步转速为428.6 r/min的方案。

4.3 转轮型号选择

根据电站水头参数，参考转轮型谱和国内制造厂提供的模型转轮资料，从中选出适用于本电站且性能较优的模型转轮型号有HLA 691、HLA339、HLA575C、HLD247等，其模型参数见表3，相应的真机主要参数见表4。

表3 水轮机模型转轮参数表

从表中可看出：HLA339转轮效率偏低且吸出高度太大，予以舍去；HLA575C的额定水头对应的单位转速与其最优单位转速相差较远，也不予考虑；转轮HLA691与HLD247相比，性能均较优，模型最高效率达到93%以上，为国内的先进水平,机组的额定工况点接近模型转轮的最优工况，都可用于本电站。其中HLD247的参数水平比HLA691要高，前者单位转速n10′=67 r/min，最大单位流量Q1′=631L/s，比转速ns=159.4m·kW,比速系数K=2205；而后者n10′=63.5 r/min，Q1′=568 L/s，ns=141.3 m·kW,K=1840；HLA691机型采用的额定转速为428.6 r/min，HLD247机型的额定转速为500 r/min。从比转速和比速系数来看，转速428.6 r/min的方案略显保守，而转速500 r/min的方案较为先进。

表4 水轮机主要参数计算列表

虽然HLD247比HLA691具有效率高、汽蚀系数小、参数水平高、机组造价底等优点，但对于本电站来说长期稳定运行、减少维修工作量更为重要。对混流式水轮机而言，使用水头越高，效率、稳定性、气蚀性能等问题也越突出，转速越高带来的问题也增多，对生产制造的要求和运行管理水平的要求相应提高，检修工作量增大。考虑到本电站运行水头较高，水头变幅较大，电站运行要结合供水和灌溉要求，在系统中承担变化的负荷，同时地处高海拔边远地区，交通不便等诸多因素，从运行稳定可靠且减少维修工作量等角度考虑，选择机组的目标参数不宜高，以运行稳定、性能可靠为主，推荐水轮机比速系数K值选用1900左右，相应比转速为138 m·kW，同步转速为428.6 r/min。即水轮机为HL138-LJ-205。

4.4 制造厂咨询情况

通过向国内制造厂家进行咨询，选择参数先进、性能优良的转轮进行比较。各制造厂推荐的转轮参数见表5。

根据表5，天津阿尔斯通的转轮HLFNXBD2和东方厂的转轮HLD307C满足我们推荐的参数指标，二者最高效率相当，均达到94.9%以上的较高水平，额定效率转轮HLFNXBD2比HLD307C高一个百分点，但前者转轮直径较大，造价较高，而吸出高度较小的优点在地下厂房的电站中又表现不明显。因此，推荐HLD307C转轮作为设计参照使用。

HLD307C模型转轮主要参数如下：

最优单位流量/（m3·s-1）：0.403

最优单位转速/（r·min-1）：63.5

最高效率/（%）：93.9

最优工况汽蚀系数：0.03

限制工况单位流量/（m3·s-1）：0.558

限制工况效率/（%）：0.90

表5 国内制造厂推荐的转轮参数

4.5 选定的机组参数

通过对转轮参数的分析，对水轮机型号的选择和对制造厂家资料的研究比较，综合分析后选定水轮发电机组主要参数[5]见表6。

5 结语

下坂地水电站属中高水头的中型水电站，水轮机参数的选择，宜结合国内现有的成熟技术和机型比较选择。根据电站的参数分析，水轮机转速采用428.6 r/min方案是可行的。

表6 水轮发电机组参数表

下坂地水电站已于2010年投产发电，通过机组实际运行情况证明，机型选择是合适的。

[1] 陕西省水利电力勘测设计研究院.新疆塔里木河流域近期综合治理下坂地水利枢纽工程初步设计报告[R].2004.

[2] 水力发电厂机电设计规范，DL/5186-2004.

[3] 水轮机基本技术条件，GB/T 15468-2006.

[4] 新疆电力设计院，新疆下坂地水电站接入系统设计报告.

[5] 水电站机电设计手册（水力机械），水利电力出版社.