吉沙水电站机组型式及主要参数的选择

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。

4.2 直径比m分析

为获得较高的水轮机效率及改善水斗受力条件，工作水头越高，则转轮直径与喷嘴直径的比 （m=D1/d0）越大，但降低了水轮机比转速。根据经验及统计分析，500 m水头段的m值在11～13。

4.3 喷嘴数选择

增加喷嘴数可提高比转速，减少投资，但受到空化磨损及结构尺寸的限制，根据本电站水头范围及单机容量分析，对于单机60 MW方案，从运行调节负荷的灵活性和稳定性来看，宜选6喷嘴；从转轮空化磨损及运行维护来看，宜选5喷嘴。以上两种喷嘴数各有优缺点，也均有运行业绩，均可采用。

4.4 水斗数选择

水斗数与水能参数、水斗型线、喷嘴数、结构和制造厂的工艺水平等因素有关，为获得较高的水轮机效率及考虑结构强度，通常优选Z0=18～22。

5 结语

吉沙水电站水轮机选型设计时，国内已投运或在建的容量较大的冲击式水轮机还较少。通过合理地选择水轮机型式及主要参数，保证了机组的稳定运行。吉沙水电站冲击式机组的选型设计经验对以后的类似工程具有一定的借鉴意义。