新疆径流式水电站大小机组配合选型探讨

经敏川

(新疆三一一水利水电勘察设计有限公司，新疆 乌鲁木齐 830002)

新疆径流式水电站大小机组配合选型探讨

经敏川

(新疆三一一水利水电勘察设计有限公司，新疆 乌鲁木齐 830002)

新疆大部分河流具有水量小、径流不发育、夏季河流水量大、冬季河流萎缩等特点。径流式水电站按照河道多年平均流量及获得的水头进行装机容量选择。本文通过开垦河三级水电站机组选型方案比较，选择在不同转轮直径机组组合方案：当来水流量大于水电站水轮机过水能力时，水电站满出力运行；流量不足时，机组根据来水情况可保证各机组在额定工况下独立运行，提高水电站装机容量利用率。这种装机方式在径流式水电站中具有典型意义，对类似水电站设计具有参考价值。

径流式水电站；机组配合选型；探讨

1 流域概况

开垦河是发源于天山东段博格达山脉的一条山溪性河流，整个水系由大东沟、大西沟两条主要支流汇合，呈东西向梳状分布。开垦河补给源主要有冰雪融水、降水、地下水等三种，其中高山区为冰雪融水补给，中高山区为降水及暴雨洪水补给，中低山区为季节性融雪水及地下水补给。

开垦河径流量年内变化较大，分为汛期、平水期和枯水期，与气候因素有关。一般来说一年中5—8月为汛期；4月、9—10月为平水期；11月—次年3月为枯水期。开垦河多年平均径流量1.61亿m3，年径流量变差系数为0.25，实测期年最大径流量为2.07亿m3，年最小径流量为0.85m3，最丰水年是最枯水年的3.08倍。开垦河多年平均流量见图1。

图1 开垦河多年年均流量P-Ⅲ型频率曲线

由流量频率曲线查出不同保证率所对应的代表年份，即丰水年(P=25%)对应流量Q=5.70m3/s，平水年(P=50%)对应流量Q=4.80m3/s，枯水年(P=75%)对应流量Q=4m3/s。

2 装机容量

开垦河三级水电站为径流引水式水电站，前池正常水位1349.33m；下游设计尾水位1324.69m，毛水头24.64m，水头损失2.45m，净水头22.19m。根据初拟的机组型式取综合出力系数为8.40。开垦河水电站属季节性的小型农村水电站，采用与灌溉相同的设计保证率75%。

2.1 水能计算

根据开垦河水文站48年实测径流资料，选定三个设计代表年：丰水年P=25%、平水年P=50%、枯水年P=75%。选取1988年为P=25%的典型年，2000年为P=50%的典型年，1997年为P=75%的典型年。将开垦河丰、平、枯三年的旬平均流量按流量递减次序排列，绘制其出力-保证率关系曲线(见图2)、出力-电量累积曲线(见图3)。该水电站设计保证率P=75%，可在曲线上查出保证出力Np=284.20kW，由出力-电量关系曲线查得多年平均发电量为216.13万kW·h。

图2 开垦河三级水电站出力保证率曲线

图3 开垦河三级水电站出力电量累计曲线

2.2 装机容量确定

该水电站装机容量选择700kW、750kW、800kW三方案进行技术经济比较，从中选择最佳装机方案(见表1)。

表1 装机容量方案比选 单位：元

从表1中各项参数可知，装机容量为750kW时，多年平均发电量E年=264.48万kW·h，装机年利用小时数为3526h；若装机容量减小，将放弃一部分流量，虽然装机年利用小时数会有所增加，但发电量会减少，单位装机投资会增加；如装机容量增加，则装机年利用小时数下降较多，机组运行效率将受到影响，不符合规范要求。从经济净现值看，方案二的经济净现值较大，根据净现值最大原则，方案二较优。

水电站实际多年平均发电量不仅考虑渠首及引水渠的水量损失，更应充分考虑地区电网中电力日负荷特性对水电站发电量的影响，单纯从水能角度进行计算，所求得的水能指标只是理论值，与实际情况有差距，另外，发电量以旬为时段计算的成果稍偏大。综合以上因素把理论发电量乘以折减系数0.95，实际发电量为251.26万kW·h(E设=0.95E=0.95×264.48 =251.26万kW·h)。

3 机组选型

开垦河三级水电站额定水头为21.85m，混流式水轮机组较为合适，其结构简单，运行稳定，效率高，现代应用最为广泛。目前较成熟的转轮有HLA551及HL240等，其中HLA551转轮应用较多，有较成熟的运行及制造经验，故选定机型为HLA551型混流式水轮机组。

3.1 机组组合选择

根据水能计算特性，对装机1×750kW和1×500kW+1×250kW两种方案进行比较(见表2)。

从表2可以看出，该水电站属于径流引水式电站，引水流量会随着季节而变化，采用一大一小机组可使每台机组都能高效率工作，因此方案二的年均发电量及年利用小时数要大于方案一。根据方案比选结果，开垦河三级水电站选配1台500kW的水轮发电机组和1台250kW的水轮发电机组，总装机容量为750kW。

3.2 水轮机转轮直径确定

根据该水电站的设计水头和单机额定容量，结合水轮机制造厂的产品资料，选用卧轴混流式水轮机，以HLA551-WJ-71水轮机为例进行计算。

表2 机组组合比较

图4 HLA551型水轮机模型综合特性曲线

式中D1——水轮机转轮直径，m；

Nr——水轮机的额定出力，532kW；

Hr——水轮机的设计水头，22.30m；

η——原型水轮机在限制工况下的效率，90.70%。

经计算转轮直径为0.67m，按规定的系列尺寸确定转轮直径为71cm。

3.3 计算水轮机转速确定

a. 水轮机最高效率按下式计算：

式中ηmax——原型水轮机的最高效率；

ηMmax——模型水轮机的最高效率，92.70%；

D1M——模型水轮机的转轮直径，0.35m。

效率修正值Δη=ηmax-ηMmax-η工艺=93.70%-92.70%-1%=0

b. 单位转速修正值按下式计算：

c.水轮机转速按下式计算：

根据水轮发电机标准同步转速，选用n=500r/min。

3.4 工作范围验算

=1.13<1.25(m3/s)，

则水轮机的最大引用流量Qmax为

=75.17(r/min)；

在最大水头Hmax=23.28m时

=73.58(r/min)；

在最小水头Hmin=21.83m时

3.5 机组吸出高度Hs和安装高程Z安

式中Hs——水轮机的吸出高，m；

Δ——水轮机安装处的海拔高程，1318.95m；

K——安全系数，1.2。

当1台水轮机50%的额定流量为0.70m3/s时，设计尾水位Zw=1324.15m，则安装高程为

图5 HLA551型水轮机工作范围初步检验

Z1安=Zw+Hs-0.5D1=1326.295m(大号机组)

式中Hs——水轮机的吸出高，m；

D1——机组水轮机转轮直径，0.5m。

3.6 发电机选型

根据水轮机型号及其技术参数，所配套的发电机型号为SFW500-12/1180和SFW250-8/850，技术参数见表3。

表3 发电机技术参数

4 结 语

该工程选用的HLA551型水轮机，其转轮选用的是抗汽蚀、抗磨蚀和焊接性能良好的镍铬不锈钢材料，转轮上冠、下环、叶片的材质均选用0Cr13Ni4Mo，汽蚀系数为0.19，比较适用于新疆河流含沙量大的水质。该转轮是60m以下水头优秀转轮之一，模型单位流量大，最高效率达93.20%。在该转轮的水力设计方面，为提高单位转速，减小了进口半径；为提高过流能力，抬高了上冠及加大了下环锥角；为改善叶片扰流、减轻压力脉动、增强机组稳定性，采用了加长泄水锥的措施。蜗壳设计为非常规设计，蜗壳采用全圆断面直接搭接座环的焊接结构，断面采用了特殊的水力设计，在0°～45°范围内，断面尺寸不变，减少了因断面面积突然缩小所带来的水流撞击和摩擦损失，保证了机组的高效性，减小了机组轴向水推力；其余断面采用全圆断面，其专用流道，确保了机组的能量指标及机组运行稳定性。

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Discussion on Types of Small and Big Units in Run-off Hydropower Station in Xinjiang

JING Minchuan

(Xinjiang311WaterConservancyandHydropowerSurveyingDesignCo.,Ltd.,Urumchi830002,China)

The bulk of rivers in Xinjiang feature such characteristics as small water yield, non-development runoff, big water yield in summertime and shriveling rivers in winter. Selection for installed capacity of run-off hydropower station is carried out following average annual discharge and water head acquired throughout years. By type-selecting scheme comparison for units of third-level hydropower station, this article chooses combining scheme of units with varying runner diameter: when water-carrying capacity is higher than discharge capacity of hydropower station water turbine, the hydropower station operates to the full; and when the flow is insufficient, machine sets ensure independent operation of different units at a set work condition to improve use rate of installed capacity in the hydropower station. This installed way means has typical significance in run-off hydropower station and has reference values to designing of similar hydropower stations.

run-off hydropower station; machine set configuration and type selection; discussion

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.04.012

TV734

A

1673-8241(2017)04- 0043- 06