鄭冬飛，李仕宏

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京 100024）

1 工程概況及電站主要參數

1.1 工程概況

吉沙水電站位于云南省迪慶藏族自治州香格里拉縣境內，以發(fā)電為主，采用引水式開發(fā)，引水系統(tǒng)采用 “一洞一井一管二機”布置形式，總長約15.5 km，引水線路采用全埋藏式布置，電站總裝機容量120 MW，裝有2臺60 MW的沖擊式水輪發(fā)電機組。

1.2 電站主要參數

水庫正常蓄水位3 132.0 m，死水位3 123.0 m；下游設計尾水位 （半臺機發(fā)電）2 581.5 m，下游（滿發(fā)）尾水位2 582.5 m，下游設計尾水洪水位（P=2.0%）2 584.15 m，最大水頭539.88 m，最小水頭480.66 m，額定水頭485.0 m，加權平均水頭為517.70 m；保證出力58 MW，裝機利用小時數4 763 h，壩址年平均含沙量為0.798 kg/m3，實測最大含沙量16 kg/m3，電站初期運行懸移質泥沙年平均含沙量在0.65 kg/m3左右，中值粒徑為0.018 mm，平均粒徑為0.087 mm。

2 水輪機機型選擇

吉沙水電站屬于高水頭中型水電站，水頭范圍內適用的機型有沖擊式和混流式水輪機兩種。

結合電站實際情況，擬定兩臺60 MW沖擊式水輪機方案和兩臺60 MW混流式水輪機方案進行綜合性能比較，詳見表1。

2.1 技術比較

據掌握的資料可知，目前世界上使用水頭最高的混流式水輪機為1986年投運的奧地利豪依斯林水電站水輪機 (Hmax=734 m，Nr=180 MW)；沖擊式水輪機以瑞士畢奧德隆水電站 (Hmax=1 869 m，Nr=423 MW)為代表，其水頭和容量均為目前沖擊式水輪機最高水平。根據有關機型資料的統(tǒng)計分析來看，國外知名廠商或國內制造廠與國外廠商技術合作設計、生產制造500 m水頭段、單機容量60 MW的混流式水輪機和沖擊式水輪機在技術上都是可行的。

2.1.1 穩(wěn)定性

混流式水輪機流態(tài)復雜，發(fā)生振動及運行不穩(wěn)定的機率高，普遍存在部分負荷運行時的穩(wěn)定性問題，本電站由于埋深過大，達-13 m左右，難以實現靠自然補氣來保證機組運行穩(wěn)定，這是一個較為棘手的問題。沖擊式水輪機可采用切換噴嘴的辦法調節(jié)負荷，同時本電站水頭變幅不大，也不存在因水頭變化而造成其效率陡變的情況，因此，在整個運行范圍內沖擊式水輪機穩(wěn)定性要明顯優(yōu)于混流式水輪機。

表1 吉沙水電站機型選擇參數比較

2.1.2 運行維護

吉沙電站含沙量較高，水輪機泥沙磨損將比較嚴重。混流式水輪機過流部件受泥沙磨損影響后更換不方便，檢修工作量大，而沖擊式水輪機在含泥沙水流下運行，噴針頭、噴嘴口環(huán)及水斗分水刃的磨損也非常劇烈，但這些部件相對獨立，更換較方便。因此在運行維護方面，沖擊式水輪機能較好的發(fā)揮其優(yōu)勢。而且，由于混流式水輪機埋深大，其尾水管出口比尾水出口處碩多崗河低很多，其尾水流道坡度為1∶3左右，再加上河流泥沙較多，可能會出現泥沙向尾水洞回淤現象，這將給電站運行維護帶來困難。

2.1.3 水頭的利用

沖擊式水輪機轉輪需裝設在最高尾水位以上，會引起水頭利用不充分并造成一定電量損失，不利于下游水位變幅大的電站。本電站下游水位變幅較小，其排出高度為4.35 m，選擇沖擊式機組與混流式機組相比要減少約6 m水頭，但僅占額定水頭的1%左右，對電量的影響不大。

2.1.4 水輪機效率

從目前機組整個發(fā)展水平來看，混流式機組的最高效率要高于沖擊式水輪機。但是本電站額定水頭485 m，單機容量60 MW，采用混流式機組額定轉速為750 r/min，其比轉速處在混流式機組比轉速范圍的下限，通過資料分析，最高效率約91%左右，且高效率區(qū)較小，整個水頭變化范圍內，混流式水輪機與沖擊式水輪機的效率相差不大，針對本電站而言，沖擊式水輪機的效率可能要高一點。

2.1.5 其他方面

混流式水輪機轉速750 r/min，對應的飛逸轉速比沖擊式水輪機高約370 r/min，且軸向水推力約1 250 kN，發(fā)電機設計難度較大，則宜選用沖擊式水輪機。目前國內500 m水頭段混流式機組電站很少，為進口轉輪，且無運行經驗。

2.2 投資比較

2.2.1 機電設備投資

沖擊式機組方案比混流式機組方案同步轉速低3～4檔，單臺機組總質量增大約100 t，但本電站采用的混流式機組發(fā)電機額定轉速與飛逸轉速高，設計制造難度大一些，經對國內招標的類似電站的機組價格分析，該水頭段的混流式機組單價比沖擊式要高一些。通過分析，兩臺沖擊式機組方案 （進口轉輪）機電設備投資比兩臺混流式機組方案 （進口轉輪）要多近500萬元。

2.2.2 土建投資

沖擊式機組廠房尺寸長度和跨度都要大一些，由于采用地面廠房布置方案，布置廠房的花椒坡村地形較為開闊、平緩，廠房尺寸增大增加的土建工程量有限；本電站海拔較高，沖擊式機組安裝高程約2 588.5 m，混流式機組比沖擊式機組安裝高程低15 m左右，增加廠房開挖深度及尾水渠的開挖；另一方面機組甩負荷時，沖擊式水輪機折向器的作用調節(jié)性能較好，可適當降低壓力管道和調壓室的設計等級和規(guī)模，綜合起來看，混流式機組增加的土建工程投資約500萬元。

2.2.3 工程直接投資

兩種機組方案相差不大。同時還應看到，對水頭500 m以上的混流式水輪機有成熟技術的公司在國內、外也只有2～3家，這將給主機招標帶來一定困難，機組招標時報價缺乏可比性。

綜上所述，考慮到500 m水頭段沖擊式機型技術較為成熟，生產廠家較多，有利于將來機組招標采購，并且電站的樞紐布置、機組運行維護方便等因素，推薦選用沖擊式水輪機。

表2 國內部分沖擊式水輪機主要參數

3 機組臺數和單機容量選擇

吉沙水電站裝機容量不大，機組臺數不宜過多。同時，考慮本電站機組以發(fā)電為主及設備運行靈活性，電站裝機利用小時數較高，不宜采用一臺機方案，否則機組檢修時，整個電站停機，造成電能浪費。下面就根據電站裝機容量比較裝機2、3、4臺方案。

對于3臺機方案，當前國內幾大制造廠都沒有自行設計生產過單機容量40 MW這么大容量的沖擊式水輪機，如果機組的關鍵部件采用進口，其投資將遠遠高出國產4臺機方案投資和兩臺機組 （關鍵部件采用進口）方案；廠房樞紐引起的投資差別不大，而且機組臺數為奇數，電氣主接線較復雜，電氣設計和設備運行管理均較困難。下面對2臺機和4臺機方案進行具體的技術經濟比較分析。

表2統(tǒng)計了國內部分沖擊式水輪機的主要參數，通過對當時已運行或在建的沖擊式水輪機業(yè)績進行分析，其中2臺機方案即60 MW沖擊式水輪機組采用國外廠商合作的方式，即水輪機設計和關鍵設備可采用分包，分包人完成水輪機的水力設計和結構設計，并配套提供兩套水輪機轉輪、噴嘴、噴針等主要部件；對于4臺機方案30 MW沖擊式水輪機，國內制造廠商可以根據自己的設計水平、生產制造經驗和近年來的科研成果，自行設計生產制造，也可以與國外有經驗廠家合作共同設計生產。

2臺60 MW和4臺30 MW沖擊式機組方案比較見表3。

表3 吉沙水電站機組臺數比較（沖擊式機組方案）

由表3可以看出： 兩個方案的單噴嘴比轉速基本一致；2臺機方案的機組綜合效率略高于4臺機方案；兩者機組安裝高程基本一致，均可定為2 588.5 m，對水頭利用基本一致；2臺機方案運行維護明顯優(yōu)于4臺機方案；2臺機方案與4臺機方案最大運輸件均為變壓器，兩個方案的主變均為2臺，運輸條件無差別。

綜上所述，單機容量30 MW和60 MW的沖擊式水輪機在技術上都是可行的。

從機組投資來看，4臺機方案機組總質量比2臺機方案大300 t左右，兩臺機方案采用進口轉輪、噴嘴和技術，水輪機制造單價要高，機組投資2臺機方案比4臺機方案要略高，考慮調速器、球閥及電氣設備等投資，2臺機方案機電設備投資比4臺機方案要略省。綜合機電、土建總投資，2臺機方案比4臺機方案要省490萬元左右。

綜合考慮，推薦裝設2臺機組方案。

4 水輪機參數選擇

4.1 比轉速及機組轉速選擇

從沖擊式水輪機單噴嘴比轉速選擇的統(tǒng)計可以看出，500 m水頭段的單噴嘴比轉速在16～22（m·kW制）之間。國內、外的制造水平存在一定差距，在沖擊式機組設計時比轉速的選擇也有一定差距。由收集到的資料，最近由國內生產制造的老撾南夢3電站水輪機，額定水頭518 m，其單噴嘴比轉速14.56（m·kW制）；引進國外轉輪和技術的云南高橋電站，額定水頭555 m，其單噴嘴比轉速19.29（m·kW制）。最終吉沙水電站引進轉輪比轉速取值17.5（m·kW制）左右，對應的機組轉速為428.6 r/min。

4.2 直徑比m分析

為獲得較高的水輪機效率及改善水斗受力條件，工作水頭越高，則轉輪直徑與噴嘴直徑的比 （m=D1/d0）越大，但降低了水輪機比轉速。根據經驗及統(tǒng)計分析，500 m水頭段的m值在11～13。

4.3 噴嘴數選擇

增加噴嘴數可提高比轉速，減少投資，但受到空化磨損及結構尺寸的限制，根據本電站水頭范圍及單機容量分析，對于單機60 MW方案，從運行調節(jié)負荷的靈活性和穩(wěn)定性來看，宜選6噴嘴；從轉輪空化磨損及運行維護來看，宜選5噴嘴。以上兩種噴嘴數各有優(yōu)缺點，也均有運行業(yè)績，均可采用。

4.4 水斗數選擇

水斗數與水能參數、水斗型線、噴嘴數、結構和制造廠的工藝水平等因素有關，為獲得較高的水輪機效率及考慮結構強度，通常優(yōu)選Z0=18～22。

5 結語

吉沙水電站水輪機選型設計時，國內已投運或在建的容量較大的沖擊式水輪機還較少。通過合理地選擇水輪機型式及主要參數，保證了機組的穩(wěn)定運行。吉沙水電站沖擊式機組的選型設計經驗對以后的類似工程具有一定的借鑒意義。