扭子水电站水轮机组选型研究

□ 张小旸

扭子水电站位于甘南藏族自治州卓尼县城上游约20.1km处的洮河干流上，距兰州市约360km。工程主要任务是发电，枢纽主要由泄洪冲沙闸、排冰闸、挡水坝、引水建筑物、发电厂房及开关站组成。

一、机组台数及额定水头选择

根据《洮河扭子水电站可行性研究报告审查意见》及《水力发电厂机电设计规范》，电站确定使用3台机组方案。

电站水头范围23.48～30.65m，水能计算出加权平均水头27.14m，根据电站水头运行范围，通过对不同型号水轮机、不同额定水头进行计算比较，确定额定水头为25.0m。

二、机组方案选择

扭子电站为径流式电站，水头变幅不大，无调节能力。根据型谱资料，适用23～31m水头段的机型有混流式机组和轴流式机组。根据《洮河扭子水电站可行性研究报告审查意见》，选定轴流式机组方案。

根据水能计算结果，确定本电站装机容量为30000kW。针对电站特点，轴流式机组（转浆式转轮采用ZZ550，定浆式转轮采用ZDJP502）可组合成4个方案：2台12000kW和1台6000kW轴流定浆式机组（方案1）、2台10000kW轴流定浆式机组和1台10000kW轴流转浆式机组（方案2）、2台10000kW轴流转浆式机组和1台10000kW轴流定浆式机组（方案3）、3台10000kW轴流转浆式机组（方案4）。

由于4个方案均为3台机组，厂房投资、电气设备投资、水机辅助设备和金属结构设备投资差别较小，不参与比较，仅从主要机电设备投资、年发电量、水能利用和运行管理情况等方面进行比较。

对于无调节能力的径流式电站而言，方案1为3台轴流定浆式机组，优点:机电设备投资最低,机组结构简单，制造容易，运行维护方便。根据规范轴流定浆机组保证的稳定出力运行范围是70～100%，6000kW机组最低发电流量为23.0m3/s，可以满足电站保证流量26.66m3/s时发电的要求。缺点:当偏离设计工况时，效率会急剧下降；流量在27.7～43.5m3/s之间时，因大小机组衔接不好难以利用，这期间流量只能利用27.7m3/s，最多时15.8m3/s流量将被弃掉，弃水将引起电量损失。方案1年发电量12452 万 kW·h。

方案2装有2台轴流定浆式机组和1台轴流转浆式机组，方案3装有1台轴流定浆式机组和2台轴流转浆式机组。方案2和方案3均为轴流定浆式机组和轴流转浆式机组组合。轴流定浆式机组具有出力调节能力差的缺点；优点是机电设备投资较低。轴流转浆式机组优点是效率曲线比较平坦，机组运行比较稳定，稳定的工况区域宽，出力范围为35～100%，最低发电流量为17.3m3/s，保证流量为26.66m3/s，可以发电，弥补了轴流定浆式机组的缺点。方案2缺点是当流量在46.2～56.1m3/s之间时，或者流量不好利用，或者水轮机效率偏低。方案2年发电量13422万kW·h。方案3满足流量在46.2～56.1m3/s之间时，水能得到较充分利用，水轮机效率较高，具有更好的效益。方案3年发电量13499万kW·h。

方案4装有3台轴流转浆式机组，整个方案缺点是机电设备投资最高。轴流转浆式机组优点是效率曲线比较平坦，机组运行比较稳定，稳定的工况区域宽，出力范围为35～100%，最低发电流量为17.3m3/s，保证流量为26.66m3/s，可以发电。水能利用充分，水轮机效率较高，同时电站机组结构整齐划一，便于管理。另外，枯水期历时较长，枯水期机组检修时，3台转浆式机组可互为备用。年最大发电量13572万kW·h。方案4的缺点是轴流转浆式机组结构较复杂，检修维护比较麻烦。机电设备一次性投资最高。

综合比较：方案1为3台轴流定浆式机组，与其他方案比较，机电设备投资最低，但弃水流量最大，流量组合适配性最差，年发电量最低，优势不明显，不予采用。方案2、3均为轴流转浆式与轴流定浆式组合机组，单机容量相同。方案2与方案3比较，机电设备投资较低，但会出现弃水现象，流量组合适配性差，年发电量较低，不予采用。方案4、3流量适配性均较好。方案4与方案3比较，年发电量多73万kW·h，机组运行灵活，零部件互换性好，便于管理。经综合比较并和业主协商后，选定方案4，即3台10000kW轴流转浆式机组。对于轴流转浆式机组结构复杂等问题，可以通过采用先进的生产工艺和技术得到解决。

三、水轮机模型转轮选择

根据型谱资料，经过计算，并经机组厂家推荐，适合电站参数的模型转轮有：ZZ550、ZZA834。比较两个模型转轮， ZZ550和ZZA834水轮机转速、尺寸、重量相同，机电设备投资基本相同。比较特征水头下两个转轮水轮机的效率和空蚀特性,可以看出，特征水头下两个转轮的效率基本相同、流量基本相同。空蚀特性：高水头工况ZZA834比ZZ550优，低水头工况ZZ550优。但考虑到机组实际运行99%的时间都在24～30.65m水头段，从空蚀特性方面比较，ZZA834比ZZ550优越。这样，水轮机ZZA834比ZZ550安装高程高，土建工程量小，相应土建投资小。另外，模型最高效率ZZA834比ZZ550高0.65个百分点。综合比较，推荐ZZA834转轮。

四、结语

水轮发电机组的选择是水电站设计工作的一个重要环节,其目的是要根据所设计的水电站的具体条件,正确合理地选择一套水轮发电机组，为水电站水工设计提供相关资料。水轮发电机组选择的合理与否,直接影响到水电站的造价和今后水电站经济效益的发挥。