郜曉輝，王亞坤，張恰，李志遠(yuǎn)，侯國(guó)恩，魏秀峰

(1.邯鄲市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北邯鄲 056001;2.磁縣水利局，河北邯鄲 056599)

霍扎水電站是由國(guó)內(nèi)某公司總承包、邯鄲市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)分包的機(jī)電設(shè)備EPC項(xiàng)目，項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作開(kāi)始于2009年12月。

霍扎水電站工程地處南美秘魯，位于秘魯首都利馬以東約130km處，為長(zhǎng)引水式水電站。電站總裝機(jī)容量95.76MW，裝設(shè)2臺(tái)單機(jī)容量為47.88MW的水輪發(fā)電機(jī)組。水庫(kù)正常蓄水位4058m，調(diào)節(jié)庫(kù)容36.85萬(wàn)m3。該工程開(kāi)發(fā)任務(wù)主要為發(fā)電。電站主要參數(shù)如下:

最大工作水頭 691.5m

最小工作水頭 648.0m

額定水頭 654.0m

電站裝機(jī)容量 95.76MW

電站引用流量 15.8m3/s

電站裝機(jī)高程 3351.5m

年利用小時(shí)數(shù) 3837h

年平均發(fā)電量 3.674×108 kW·h

1 機(jī)型方案的比較

霍扎水電站水頭范圍為648～691.5m，國(guó)內(nèi)外在這個(gè)水頭段應(yīng)用的有混流式和水斗式兩種水輪機(jī)機(jī)型。根據(jù)本電站實(shí)際情況，從技術(shù)合理、造價(jià)經(jīng)濟(jì)及運(yùn)行維護(hù)方便等幾個(gè)方面考慮。對(duì)水斗式和混流式兩種機(jī)型方案進(jìn)行綜合分析比較如下。

1.1 技術(shù)比較

(1)技術(shù)難度。根據(jù)機(jī)型資料的統(tǒng)計(jì)分析來(lái)看，國(guó)內(nèi)、外知名廠家設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造適合該電站水頭段(600m以上)、單機(jī)容量 (50 MW)的水斗式水輪機(jī)和混流式水輪機(jī)在技術(shù)上都是可行的。

(2)從機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性分析。水斗式水輪機(jī)具有雙重調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，就運(yùn)行而言，易將壓力上升和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升控制在較低的數(shù)值，使機(jī)組具有較好的調(diào)節(jié)保證參數(shù)，尤其對(duì)長(zhǎng)引水管電站 (本電站壓力管道長(zhǎng)達(dá)2900多m)，在運(yùn)行穩(wěn)定性方面較混流式機(jī)組更具有優(yōu)勢(shì)。

機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域比較:由于霍扎電站在系統(tǒng)中具有調(diào)峰任務(wù)，要求機(jī)組出力變化范圍大。水斗式水輪機(jī)能在相應(yīng)水頭下的機(jī)組最大保證功率的25%～100%范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行，而混流式水輪機(jī)在相應(yīng)水頭下的機(jī)組最大保證功率的45%～100%范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。所以對(duì)應(yīng)水斗式水輪發(fā)電機(jī)組，電站機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行范圍大，運(yùn)行調(diào)度靈活性較好，具有一定的優(yōu)越性。

(3)從適應(yīng)水頭變化的能力分析。具有長(zhǎng)、短葉片的混流式水輪機(jī)等效率曲線呈近似圓形，而水斗式水輪機(jī)呈扁平的橢圓形，其適應(yīng)水頭變化的能力不如混流式。但本電站水頭變幅不大，最小水頭與最大水頭之比為648/691.5=0.937，不會(huì)發(fā)生水斗式機(jī)組因水頭變化而發(fā)生效率陡變的情況。

(4)機(jī)組運(yùn)行維護(hù)分析。對(duì)于高水頭電站 (尤其450m以上水頭段)，水斗式水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)成熟，而混流式水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少。另外，本電站水頭高、海拔高，機(jī)組易發(fā)生汽蝕和磨損現(xiàn)象。而在高水頭下混流式水輪機(jī)過(guò)流部件泥沙磨損和汽蝕破壞較水斗式水輪機(jī)嚴(yán)重;混流式水輪機(jī)迷宮環(huán)及導(dǎo)葉端面間隙小，受泥沙磨損影響后更換不方便，檢修工作量大;而水斗式水輪機(jī)在大氣中運(yùn)行，汽蝕磨損較輕，而且汽蝕磨損多集中在針閥、噴嘴和水斗等部位，但這些部件更換方便，檢修時(shí)間短。因此，在運(yùn)行維護(hù)方面，水斗式水輪機(jī)更具優(yōu)勢(shì)。

(5)水能利用情況對(duì)比。水斗式水輪機(jī)由于排出高度的要求，轉(zhuǎn)輪需裝設(shè)在最高尾水位以上，會(huì)引起水頭利用不充分，造成一定電量損失。本電站下游水位變幅很小，其排出高度不大于3.5m，選擇水斗式機(jī)組與混流式機(jī)組相比造成約5m的水頭浪費(fèi)，僅占額定水頭的0.7%左右。對(duì)電量的影響不大。

(6)機(jī)組綜合效率分析。水斗式水輪機(jī)與混流式水輪機(jī)相比雖然最高效率略低，但效率曲線平坦，在負(fù)荷變化時(shí)效率的改變較混流式水輪機(jī)小，尤其是多噴嘴水斗式水輪機(jī)可以通過(guò)調(diào)整使用噴嘴的數(shù)目適應(yīng)負(fù)荷的變化，有良好的負(fù)荷適應(yīng)性。對(duì)于本電站而言，機(jī)組出力變化范圍大，水斗式水輪機(jī)的出力加權(quán)平均效率比混流式機(jī)組高，更具優(yōu)勢(shì)。

(7)從技術(shù)難度分析。經(jīng)初步計(jì)算，混流式水輪發(fā)電機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速要達(dá)到750～1000r/min，對(duì)于這樣大容量發(fā)電機(jī)的制造國(guó)內(nèi)還沒(méi)有先例，有相當(dāng)?shù)碾y度;高水頭混流式水輪機(jī)多采用長(zhǎng)、短葉片轉(zhuǎn)輪，但長(zhǎng)、短葉片轉(zhuǎn)輪因其葉片數(shù)量較多，組焊時(shí)比較困難，比水斗式機(jī)組的設(shè)計(jì)和制造難度增加很多，水斗式水輪發(fā)電機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速為600r/min，經(jīng)向制造廠家咨詢，國(guó)內(nèi)可以生產(chǎn);相比之下也宜選用水斗式水輪機(jī)。

(8)不確定性分析。目前國(guó)內(nèi)600m水頭段混流式轉(zhuǎn)輪沒(méi)有開(kāi)發(fā)資料，只能采用進(jìn)口轉(zhuǎn)輪，且無(wú)國(guó)內(nèi)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。而在建的高水頭大容量電站采用水斗式水輪機(jī)的相對(duì)較多?？山涣鞯男畔①Y料較豐富，有利于工程建設(shè)。

綜上所述，在技術(shù)、設(shè)計(jì)制造難度、運(yùn)行穩(wěn)定性和靈活性、安全運(yùn)行維護(hù)等各方面水斗式水輪發(fā)電機(jī)組均較優(yōu)，而混流式水輪發(fā)電機(jī)組比水斗式機(jī)組的設(shè)計(jì)和制造難度增加很多，相應(yīng)的技術(shù)和質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)加大，從安全可靠的原則出發(fā)，宜選用水斗式水輪機(jī)。

1.2 投資比較

(1)機(jī)電設(shè)備投資方面。因水斗式水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速比混流式水輪機(jī)低，水斗式機(jī)型方案比混流式機(jī)型方案同步轉(zhuǎn)速低2～3檔，設(shè)備重量相對(duì)增加。但混流式機(jī)組發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速與飛逸轉(zhuǎn)速高，而水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑偏小，設(shè)計(jì)制造難度大，其單位重量?jī)r(jià)格高。經(jīng)過(guò)向生產(chǎn)廠家咨詢并分析，該電站兩臺(tái)47.88MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組 (水輪機(jī)引進(jìn)技術(shù)和關(guān)鍵部件)價(jià)格為5000萬(wàn)元左右，若發(fā)電機(jī)也引進(jìn)，價(jià)格將達(dá)到7000萬(wàn)元以上，兩臺(tái)水斗式機(jī)組方案 (關(guān)鍵部件進(jìn)口)機(jī)組價(jià)格為7000萬(wàn)元左右，設(shè)備投資比兩臺(tái)混流式機(jī)組方案 (進(jìn)口轉(zhuǎn)輪)約多2000萬(wàn)元。若考慮水斗式機(jī)組的全國(guó)產(chǎn)化，價(jià)格差距還可以縮小。

(2)土建投資方面。水斗式機(jī)組廠房地面以上的長(zhǎng)度和寬度都要大一些，由于采用地面廠房布置方案，該部分尺寸增大所增加的土建工程量有限;混流式機(jī)組比水斗式機(jī)組安裝高程低15m左右，增加廠房開(kāi)挖深度及尾水部分的開(kāi)挖，在綜合考慮平面尺寸、開(kāi)挖深度、廠內(nèi)起重機(jī)及荷載差異等因素后，混流式機(jī)組比水斗式機(jī)組方案的土建工程投資增加約1000萬(wàn)元。

(3)機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，水斗式水輪機(jī)可利用折向器迅速遮開(kāi)水流，從而控制壓力和轉(zhuǎn)速上升，調(diào)節(jié)保證計(jì)算容易滿足，與混流式水輪機(jī)相比可降低壓力引水系統(tǒng)部分的工程造價(jià)。尤其本電站水頭高、壓力引水管長(zhǎng)，該部分投資降低將更可觀。

(4)從工程直接投資分析來(lái)看，水斗式機(jī)組方案的機(jī)電、壓力管道和土建投資總和與混流式機(jī)組方案相差不大?？紤]水斗式機(jī)型工程應(yīng)用實(shí)例多，技術(shù)較為成熟，生產(chǎn)廠家較多，有利于將來(lái)機(jī)組招標(biāo)采購(gòu);可以保證工程投資的控制。

1.3 其他因素比較

對(duì)于霍扎這種引水式電站，水頭變幅小，適合水斗式水輪機(jī)的應(yīng)用特點(diǎn);另外本工程為跨流域調(diào)水，調(diào)節(jié)水庫(kù)庫(kù)容不大，為日調(diào)節(jié)，不具備較強(qiáng)的調(diào)節(jié)性能，電站的流量會(huì)根據(jù)調(diào)水流域的水文情況變化較大，這就要求機(jī)組具有隨著流量的變化能夠保持較高運(yùn)行效率的特性，使得電站綜合效益最大。水斗式水輪機(jī)在較寬廣的出力變化范圍內(nèi)效率變化平緩，平均效率較高，可以滿足這種要求。

電站地面式廠房布置在河流右岸，尾水退入河道，因地形狹窄，廠區(qū)距離河道較近，大部分為開(kāi)挖山體形成，如裝機(jī)高程太低，將增加防洪部分工程措施;結(jié)合地形條件水斗式機(jī)組的電站布置有利，同時(shí)機(jī)組運(yùn)行維護(hù)管理方便，綜合分析比較，選用水斗式水輪機(jī)。

2 機(jī)型方案的確定

挪威水電站以高水頭為特點(diǎn)，所有大型水電站的水頭幾乎都在400m以上。因此挪威的大學(xué)、研究所和水輪機(jī)公司都曾把研究、發(fā)展的重點(diǎn)放在沖擊式水輪機(jī)和高水頭混流式水輪機(jī)上，使他們?cè)谶@方面長(zhǎng)期以來(lái)處于世界先進(jìn)水平。

下頁(yè)圖為挪威水電經(jīng)驗(yàn)中介紹的兩種機(jī)型選擇的參考圖，曲線為經(jīng)常在25%～100%額定負(fù)荷下運(yùn)行的機(jī)組機(jī)型選擇分界線，在曲線的上方為沖擊式 (包括水斗式)，下方為混流式機(jī)型。

根據(jù)GB/T 15468—2006《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》要求水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行功率范圍“混流式為45%～100%相應(yīng)水頭下的機(jī)組最大保證功率”，因此該圖也基本可作為我們?cè)O(shè)計(jì)高水頭電站時(shí)的選型參考。由該圖可知，霍扎電站水頭范圍在648～691.5m，水輪機(jī)落在曲線的上方。

通常從理論和技術(shù)條件方面來(lái)講，將混流式水輪機(jī)的應(yīng)用水頭上限提高到700m以上是可能的，但從運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)角度來(lái)考慮，挪威水電經(jīng)過(guò)研究并經(jīng)實(shí)踐證明混流式水輪機(jī)應(yīng)用水頭不宜超過(guò)600m;加拿大GE公司通過(guò)總結(jié)長(zhǎng)期的設(shè)計(jì)和制造經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為混流式水輪機(jī)的最大應(yīng)用水頭不宜超過(guò)500m。

基于技術(shù)、投資和電站調(diào)節(jié)特性、地形條件等各方面比較，并參考國(guó)際先進(jìn)的研究結(jié)果、設(shè)計(jì)水平和制造經(jīng)驗(yàn)，該電站機(jī)型選定為水斗式水輪機(jī)。

水輪機(jī)選型參考圖

3 結(jié)語(yǔ)

項(xiàng)目進(jìn)入實(shí)施階段后，國(guó)內(nèi)某知名水輪機(jī)廠就水斗式機(jī)型進(jìn)行了CFD分析，在水輪機(jī)內(nèi)部流動(dòng)和斗葉強(qiáng)度分析基礎(chǔ)上，研究開(kāi)發(fā)出了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪模型，在哈動(dòng)國(guó)家水力發(fā)電設(shè)備工程技術(shù)研究中心有限公司水輪機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了模型試驗(yàn)。效率達(dá)到91.66%。試驗(yàn)結(jié)果表明該機(jī)型完全適用于霍扎電站，且具有較好的性能指標(biāo)，證明了我們的選型是合適的，同時(shí)試驗(yàn)結(jié)果得到了業(yè)主、咨詢公司和業(yè)主工程師的認(rèn)可，并通過(guò)驗(yàn)收。

［1]本手冊(cè)編寫(xiě)組.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè):水力機(jī)械［M］.北京:水利電力出版社，1983.

［2]DL/T 5186—2004，水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)電力出版社，2004.

［3]GB/T 15468—2006，水輪機(jī)基本技術(shù)條件［S］.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［4]劉大愷.水輪機(jī):第三版［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，1996.

［5]哈爾濱大電機(jī)研究所.水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1976.