温泉水电站水轮机选型初步计算

李 阳

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 电站概况

温泉水利枢纽工程是卡普斯浪河上的控制性工程，水库正常蓄水位1 900 m，正常蓄水位相应库容4 772万m3，死水位1 855 m，死库容567万m3，兴利库容4 205万m3，设计洪水位1 900.0 m，校核洪水位1 901.9 m，总库容5 082万m3。电站装机容量24 MW，多年平均年发电量0.9亿kW·h，装机年利用小时数3 750 h。温泉水利枢纽工程具有灌溉、工业供水兼顾发电等综合利用效益。

2 水库运行方式

工程利用调节库容对上游来水进行调节，水库运行方式为：每年的6月初至7月底，水库在死水位进行排沙、冲沙运行；其余时段根据下游农业用水、工业用水和生态泄流需求进行放水。

其中，每年10月至次年3月为枯水期，平均运行水头范围约为95～97.5 m，平均流量范围约为4～6 m3/s，平均出力范围约为3 450～4 700 kW(10月份参数略高，平均流量为8.78 m3/s，平均出力为7 253 kW)，生态基流1.82 m3/s；其余时段为丰水期，下泄生态基流5.46 m3/s(见图1、图2)。

图1 全年各月流量变化曲线

图2 全年各月水头变化曲线

3 电站基本参数

(1)电站动能指标

装机容量24 MW，多年平均年发电量0.9亿kW·h，年利用小时数3 750 h。

(2)尾水位

校核洪水位1 804.217 m，设计洪水位1 803.044 m，正常尾水位(52.4 m3/s时尾水位)1 801.355 m，设计尾水位(9.5 m3/s时尾水位)1 800.72 m。

(3)水轮机工作水头

最大水头99.60 m，最小水头49.10 m，加权平均水头77.90 m。

4 水轮机选型技术难点

由于本电站丰水期与枯水期水头与流量变化很大，且电站的发电量主要来自于低水头的丰水期；因此，既要丰水期机组多发电，又要保证枯水期高水头工况运行的安全稳定性，水轮机选型是一个很大的难题。

由于混流式水轮机转轮叶片不可调节，只有活动导叶单调节，因此当运行工况偏离最优点时，不仅水轮机效率降低，而且水流将在转轮叶片进口产生撞击、脱流。当导叶开度小于最优开度时，转轮进口易产生背面脱流，开度过小，则产生叶道涡；在尾水管中会产生正向旋转涡带。当导叶开度大于最优开度时，尾水管中会产生反向旋转的涡带，涡带在水力系统中产生高频或低频的水压脉动，运行工况偏离越远，情况越严重。这些水力不稳定现象将导致机组的振动和出力摆动，严重时将威胁到机组的安全运行。因此，在实际应用中需对混流式水轮机运行的水头变化范围与负荷变化范围加以限制。

相关统计及研究资料表明，混流式水轮机的最佳运行区为：单位转速范围为(0.95～1.15)n110，n110为水轮机的最优单位转速；导叶开度范围为(0.5～1.0)a0max，a0max为与出力限制线对应的导叶开度。混流式水轮机可以运行的区域为：(0.9～1.25)n110，(0.4～1.0)a0max。上述范围以外的区域为水轮机不宜运行区域。

另有研究资料表明，混流式水轮机的水头变幅应控制在如下范围：Hmax/Hmin≤1.65，Hmax/Hd≤1.16，Hmax/Hr≤1.2，Hmin/Hd≥0.64，Hd为最优工况对应的水头，Hr为额定水头。

基于混流式水轮机的稳定运行范围，按传统经验，丰水期水轮机的最高运行水头宜控制在65.4 m以下；考虑到近年来的技术进步，也不应超过72 m(Hmax/Hr=1.32)。因此，丰水期水轮机的运行水头范围应为49.1～72 m，枯水期水轮机的运行范围应为70～99.6 m。也即每年5月，在电站水头下降至70～72 m时，将枯水期水轮机更换为丰水期水轮机；每年8月，在电站水头升高至70～72 m时，将丰水期水轮机更换为枯水期水轮机。

由于每年5月和8月都是水库水位显著变化期，因此，要求对更换水轮机的工期“精准”把控，对水库来水趋势“精准”预测，才能充分利用水力资源；否则就会出现“泄洪”弃水现象。在5月份，如果更换丰水期水轮机时工期偏长，或水库来水量迅速增大而超过水轮机总过流量，则将导致水库水位上涨，水轮机运行的净水头可能超过72 m。如此，更换的丰水期水轮机就可能无法正常运行，此时不得不采用“泄洪”的方式强行将水库水位降低至丰水期水轮机能正常运行的水位。在8月份，在更换枯水期水轮机期间，如果水库来水量迅速增大而超过水轮机总过流量，也将导致水库水位上涨，也可能出现丰水期水轮机无法正常运行的情况，此时，就不得不“泄洪”以满足生态流量要求。

5 建议的机组方案

基于以上分析，推荐的机组方案为：4台发电机+4台水轮机卧式机组(便于拆装)，4台水轮机配置6个转轮，即4台丰水期转轮+2台枯水期转轮的组合方案。在约72 m以下的丰水期，4台丰水期转轮运行；在约70 m以上的枯水期，2台枯水期转轮运行。丰水期与枯水期水轮机除转轮与尾水锥管不同以外，其他均不变。此方案的优点一是可以极大地减少丰、枯水期转换时水轮机的拆、装工作量，更换水轮机转轮与尾水锥管只需半天即可完成，极大地节省转换时间与工作量。二是可以很好地应对5月份和8月份可能出现的水库水位“忽上忽下”的问题。

6 丰水期水轮机转轮推荐方案

水轮机转轮型号及额定转速：JF2548B—WJ—140，n=428.6 r/min(见表1)。

表1 JF2548B—WJ—140水轮机典型工况参数

表2 JF2548D—WJ—140水轮机典型工况参数

7 枯水期水轮机转轮推荐方案

水轮机转轮型号及额定转速：JF2548D—WJ—140，n=428.6 r/min(见表2)。

8 方案说明

(1)中小型水电站的水轮机组一般均在满负荷(或满开度)工况下运行，本电站推荐2台水轮机采用枯水期与丰水期双转轮方案，则可以满足水轮机从高水头至低水头的整个运行范围内均可以高效稳定运行，较好地满足了丰水期多发电、枯水期高效稳定的要求。

(2)本方案运行维护方便，与更换水轮机方案相比具有明显优势。

(3)本方案可以方便地应对5月份与8月份温泉水库可能出现的来水量快速变化而导致的水库水位“忽上忽下”的情况，提高水力资源利用率。

9 结 语

温泉水利枢纽工程的建设，是卡普斯浪河流域防洪减灾、促进地区经济社会发展的需要。通过参数计算分析和比选，初步确定水轮机选型方案，对今后工程的实施建设具有一定指导作用。