高水头水电站水轮机选型设计研究

岑 美 陈大明 郭 燕

(1.四川广播电视大学，四川 成都 610072； 2.四川省清源工程咨询有限公司，四川 成都 610072)

·机械与设备·

高水头水电站水轮机选型设计研究

岑 美1陈大明2郭 燕1

(1.四川广播电视大学，四川 成都 610072； 2.四川省清源工程咨询有限公司，四川 成都 610072)

结合工程实例，介绍了高水头水电站的水轮机选型过程，并采用综合指标评价法，列出了不同的影响评价指标，综合各指标的影响程度，最终确定了水轮机机组的设计方案，为高水头水电站的水轮机选型设计提供了设计思路。

高水头，水轮机，选型设计，评价指标

水头大于200 m的水电站通常称为高水头水电站，高水头水电站的水库通常不具备调节能力或调节能力较低，上下游水位相对稳定，水头变化幅度相对较小，出力和发电量基本取决于来水量。当前高水头水电站常用的水轮机为混流式和冲击式，大、中型混流式水轮机的应用范围为20 m～450 m，可逆式的混流式水轮机应用水头可达700 m；水斗式水轮机是冲击式水轮机中应用最广泛的一种机型，应用水头范围可达300 m～2 000 m。

1 电站概况

某水电站位于四川省甘孜州雅江县境内，电站采用引水式开发，地下厂房，闸、厂址相距约17 km。电站总装机容量220 MW，多年平均发电量9.26亿kW·h/10.272亿kW·h(单独/联合运行)，年利用小时数4 209 h/4 669 h(单独/联合)，电站引用流量42.8 m3/s，具有日调节能力。该水电站为单一的发电工程，无防洪、航运、供水等综合利用要求。电站水头参数：最大水头631.9 m/631.0 m(单独/联合)、加权平均水头616.1 m/617.9 m(单独/联合)、额定水头605.4 m、最小水头605.4 m。电站泥沙特性：多年平均含沙量924 g/m3、多年汛期(6月～9月)平均含沙量1 460 g/m3、最大粒径1.0 mm、中数粒径0.011 mm、粒径大于0.1 mm沙重占5.6%；年平均过机含沙量520 g/m3、汛期(6月～10月)过机含沙量762 g/m3、最大过机粒径0.1 mm、中数过机粒径0.017 5 mm。

2 拟定水轮机机型比选方案

适合本电站水头的水轮机机型有混流式和水斗式。对于混流式水轮机，可供选择的机组台数有2台、3台和4台，若采用4台机方案，单机容量仅为55 MW、容量相对偏小，且额定转速为1 000 r/min，机组尺寸小，设计、制造、运行维护均较困难，投资、年运行维护费用也较大，4台混流式水轮机方案不宜推荐，混流式机组仅对2台和3台机方案进行比较。对于水斗式水轮机，因可切换喷嘴以1个～6个喷嘴运行，稳定出力范围在10%～100%额定出力之间，2台机方案完全满足电站运行要求。

拟定水轮机机型比较方案：2台水斗式、2台混流式和3台混流式。不同方案的技术参数见表1。

3 综合比较分析比选方案

结合电站具体情况和水轮机机型综合比较表(见表1)，对水轮机机型方案进行综合比较分析。

3.1 水轮机运行性能影响分析

机组稳定运行方面，电站按规范规定配置2台混流式、3台混流式和2台水斗式方案机组可以保证稳定出力调节范围分别为49.5 MW～110 MW，32.985 MW～73.3 MW和11 MW～110 MW。枯水年电站枯期平均出力28.5 MW，且电站水库为日调节水库、调节库容较小，运行中有可能要求更低的电站出力。2台混流式方案无法满足电站枯水期的出力要求，3台混流式方案基本满足要求，2台水斗式方案完全满足低出力的要求。其次，水斗式水轮机的稳定运行区域较宽广，可在10%～100%额定出力范围内长期连续稳定运行，大大优于混流式45%～100%额定出力的稳定运行区。另外，混流式机组方案的允许吸出高度较低，较低的吸出高度对水轮机在防抬机设计、尾水管补气设计等方面都提出了特殊的要求，影响机组在高尾水位下稳定运行。

表1 水轮机机型综合比较表

水轮机运行效率方面，水斗式水轮机的运行效率低于混流式1%～2%，但水斗式水轮机可根据出力变化切换喷嘴数从单喷嘴到多喷嘴稳定运行，使其在不同出力下始终保持较高效率，通常在60%额定出力以下的较低负荷区运行时水斗式水轮机效率高于混流式。

3.2 电站投资影响分析

压力钢管投资影响：混流式机组方案电站最大水头642.2 m、调节保证计算压力升高值790 m，水斗式机组方案电站最大水头631.9 m、调节保证计算压力升高值705 m。混流式机组方案的最大水头和压力上升值均高于水斗式机组方案，电站水头压力大、压力钢管承受的压力值大，将增加压力钢管的投资。

机组设备投资影响：混流式水轮机转速高于水斗式，转速高、重量轻、可减小水轮机及发电机的尺寸。机组投资方面，混流式机组方案为11 160万元(2台机)、11 680万元(3台机)，水斗式机组方案为13 000万元，选用混流式机组方案可减少机电设备投资。

电站总投资影响：混流式机组方案较低的吸出高度将使水轮机机组的安装高程较低，地下厂房水下开挖较深，土建工程量及工作难度较大。其次，水斗式机组方案的地下厂房水下开挖工程量很小、施工容易，且水斗式水轮机转轮位于最高尾水位以上，可简化厂房排水设施，减少电站总投资。由表1可知，电站静态总投资和单位电能投资水斗式机组方案最少。

机组运行维护费用影响：电站的过机泥沙含量和大硬度过机泥沙均较大，如采用混流式机组，要保证5年大修间隔周期难度大，花费的人力、物力及损失电量远大于水斗式机组。而水斗式机组方案，在结构上过流部件和密封部件较少，易磨损的喷针头、喷嘴口环及水斗分水刃相对独立，更换方便(有备件的情况下，1 d～2 d即可完成)，有利于缩短机组检修时间。因此，水斗式机组方案可减少运行维护成本、工期和检修损失电量。

4 确定水轮机机型

表2 水轮机选型评价指标分析表

影响水轮机选型设计的因素较多，如何权衡所有影响因素确定机组方案，采用综合评价指标法分析各影响因素。首先，从水轮机自身运行性能和电站投资影响程度两大方面分析，列出影响水轮机选型设计的评价指标：机组稳定性、机组高效率运行范围、机组设备投资、电站静态总投资、机组运行维护费用。其次，比较分析不同机组方案各评价指标的影响程度，列出水轮机选型评价指标分析表，见表2。由表2可知，水斗式机组方案在水轮机运行性能方面较混流式机组方案好，在电站投资方面较混流式机组方案小，因此电站推荐采用2台水斗式机组方案。

5 结语

高水头水电站具有水头高、水头变幅小、引用流量小的特点。如何拟定适合高水头水电站的水轮机机型，首先根据电站的具体情况初步拟定水轮机机型比较方案；其次，从水轮机的自身运行性能和电站的投资影响程度两大方面进行综合比较分析；再次，在综合分析的基础上采用综合指标评价法，将影响因素列为不同的评价指标，按不同指标的评价准则对各机组方案进行评价；最后权衡各指标影响程度，最终确定水轮机机型。

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Research on hydraulic turbine type design of the high-head hydropower station

Cen Mei1Chen Daming2Guo Yan1

(1.SichuanRadioandTVUniversity，Chengdu610072，China； 2.SichuanQingyuanEngineeringConsultingCo.,Ltd,Chengdu610072，China)

This paper introduces the design process of hydraulic turbine type selection of the high-head hydropower station with a specific engineering example, and using the method of comprehensive evaluation index. List the evaluation index of hydraulic turbine, comprehensive the influence degree of each index, determine the scheme of the hydraulic turbine finally. This paper provides the design method for the hydraulic turbine type design of the high-head hydropower station.

high-head, hydraulic turbine, type design, evaluation index

1009-6825(2017)03-0219-02

2016-11-11

岑 美(1982- )，女，硕士，讲师

TV531

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