謝啟剛

(貴州省正安縣水利局，貴州 正安 563400)

正孔水電站工程水輪發(fā)電機(jī)組的選型分析

謝啟剛

(貴州省正安縣水利局，貴州 正安 563400)

小水電代燃料項(xiàng)目正孔水電站位于貴州省正安縣安場(chǎng)鎮(zhèn)正江村，為芙蓉江左岸一級(jí)支流三江河干流上水電梯級(jí)規(guī)劃的第六級(jí)電站，距正安縣城22km，距縣安場(chǎng)鎮(zhèn)11km。正孔水電站壩址以上流域面積1030km2，廠址布置在河道右岸距離大壩下游250m處，距上游已建的甕溪水電站廠址約9.4km，距下游已建的螺絲塘水電站壩址約2.9km?，F(xiàn)右岸距離河床約100m高差處有簡(jiǎn)易公路通往，交通條件一般。該水電站為混合式電站，主要任務(wù)是水力發(fā)電。文章對(duì)電站工程水輪發(fā)電機(jī)組的選型進(jìn)行了比較分析。

水電站；水力發(fā)電；水輪發(fā)電機(jī)；選型；比較分析

0 引 言

水力發(fā)電系利用河流、湖泊等位于高處具有勢(shì)能的水流至低處，將其中所含勢(shì)能轉(zhuǎn)換成水輪機(jī)之動(dòng)能，再借水輪機(jī)為原動(dòng)力，推動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。利用水力(具有水頭)推動(dòng)水力機(jī)械(水輪機(jī))轉(zhuǎn)動(dòng)，將水能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，如果在水輪機(jī)上接上另一種機(jī)械(發(fā)電機(jī))隨著水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)便可發(fā)出電來(lái)，這時(shí)機(jī)械能又轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

水力發(fā)電在某種意義上講是水的位能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，再轉(zhuǎn)變成電能的過(guò)程。因水力發(fā)電廠所發(fā)出的電力電壓較低，要輸送給距離較遠(yuǎn)的用戶，就必須將電壓經(jīng)過(guò)變壓器增高，再由空架輸電線路輸送到用戶集中區(qū)的變電所，最后降低為適合家庭用戶、工廠用電設(shè)備的電壓，并由配電線輸送到各個(gè)工廠及家庭[1]。

1 水 文

1.1 流域概況

正孔水電站工程位于正安縣安場(chǎng)鎮(zhèn)境內(nèi)的三江下游，距正安縣縣城22km。三江位于遵義市東北面，為芙蓉江左岸的一級(jí)支流，發(fā)源于重慶南川市以南的轎子山，山頂高程1620.90m，河源高程980.00m，河口高程447.80m。河流流經(jīng)重慶南川及道真縣的三江鎮(zhèn)等地，于格林渡河口匯入芙蓉江。

三江全流域面積1077km2，多年平均流量21.8m3/s，水力資源理論蘊(yùn)藏量4.73萬(wàn) kW。三江全長(zhǎng)73km，總落差532.2m，河道平均比降7.3‰，流域內(nèi)土壤主要有黃棕壤和石灰土等，流域內(nèi)植被一般，主要自然植被是中亞熱帶常綠落葉闊葉林，森林覆蓋率約15%。

正孔水電站取水?dāng)r河壩以上流域面積1030km2，多年平均流量20.7m3/s，河長(zhǎng)66.6km，河道平均比降7.1‰，流域形狀系數(shù)0.232。

1.2 水文站、氣象站及雨量站情況

三江流域內(nèi)無(wú)氣象站和水文站，僅有新洲雨量站。鄰近的流域面積相近的水文站有芙蓉江支流清溪河上的沿渡河水文站、正安水文站，芙蓉江干流上的旺草、銀水寺水文站。有關(guān)氣象站、水文站、雨量站基本情況見(jiàn)表1。

表1 主要水文、氣象及雨量站表

1.3 機(jī)型選擇

本電站額定水頭H=13.60m，屬于軸流式機(jī)組和貫流式機(jī)組推薦區(qū)間，由于本工程所在河流為典型山區(qū)河流，全年水量分配及不平衡，豐、枯期水量差別巨大，不具備裝設(shè)貫流式機(jī)組的條件。因此根據(jù)《中小型軸流式混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪系列型譜(JB/T6310—92)》、《中小型軸流式混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪系列型譜(2002補(bǔ)充)》以及目前各廠家開(kāi)發(fā)的新轉(zhuǎn)輪，結(jié)合本站水能參數(shù)和設(shè)備廠家推薦可選機(jī)型有ZDJP401、ZDJP501、ZDJP502、ZDJP502、ZDJP503等幾種模型轉(zhuǎn)輪。

各轉(zhuǎn)輪的機(jī)型選擇計(jì)算比較見(jiàn)表2,由于本電站為無(wú)調(diào)節(jié)引水式電站，因此在選型時(shí)考慮在額定水頭發(fā)額定出力時(shí)機(jī)組效率最高，也保證機(jī)組在最大水頭及最小水頭發(fā)額定出力時(shí)機(jī)組在高效區(qū)運(yùn)行，故該表只列出各轉(zhuǎn)輪在具有代表性的設(shè)計(jì)工況的參數(shù)來(lái)作比較。

通過(guò)以上選型計(jì)算比較表可以看出在設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，各轉(zhuǎn)輪用于本電站均比較可行，都具有單位轉(zhuǎn)速高，單位流量大，機(jī)組轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)輪直徑較小，效率高等特點(diǎn)。

經(jīng)綜合比較，ZDJP502(50)-LJ-156機(jī)型在本電站的機(jī)型選擇中除具備其他機(jī)型所具有的優(yōu)點(diǎn)外，還具有效率最高，轉(zhuǎn)輪直徑相對(duì)較小，機(jī)組轉(zhuǎn)速高，引用流量小等優(yōu)點(diǎn)[2]。

2 機(jī)組效率分析

2.1 特征水位

根據(jù)“三江水電規(guī)劃”，正孔水電站為原大河壩水電站、正孔水電站合并而成，因此正常蓄水位為大河壩水電站攔河壩壩頂高程499.50m(實(shí)測(cè))，多年平均流量對(duì)應(yīng)尾水位483.93m，廠址處實(shí)測(cè)河床枯水位483.65m?；旌鲜椒桨杆浪?97.50m。

2.2 庫(kù)容

根據(jù)正常蓄水位及死水位查庫(kù)容曲線，水庫(kù)正常蓄水位庫(kù)容105萬(wàn) m3，死庫(kù)容52萬(wàn) m3，興利庫(kù)容53萬(wàn) m3。正孔水電站正常蓄水位庫(kù)容僅占多年平均徑流量的0.08%，為徑流式水電站，其主要任務(wù)是發(fā)電，設(shè)計(jì)流量2×14.0m3/s。電站運(yùn)行中，當(dāng)來(lái)水流量>10.5m3/s時(shí)，電站運(yùn)行水位按正常蓄水位499.50m運(yùn)行;而當(dāng)來(lái)水流量<10.5m3/s時(shí)則需由水庫(kù)調(diào)節(jié)在日內(nèi)按“長(zhǎng)蓄短發(fā)”方式運(yùn)行。要保證水輪機(jī)運(yùn)行(單機(jī)70%出力，相應(yīng)流量10.5m3/s)，經(jīng)最小日流量2.19m3/s及興利庫(kù)容計(jì)算，日內(nèi)停、發(fā)時(shí)間分別為17h和7h，對(duì)電站運(yùn)行影響不大。

表2 機(jī)型選擇比較

2.3 水庫(kù)洪水調(diào)節(jié)

2.3.1 洪水標(biāo)準(zhǔn)

本工程水庫(kù)總庫(kù)容大于100萬(wàn) m3而小于1000萬(wàn) m3，為小(1)型水庫(kù)，壩型為混凝土重力壩。根據(jù)GB50201—94《防洪標(biāo)準(zhǔn)》和SL252—2000《水電水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定,經(jīng)綜合分析后采用30a一遇(P=3.3%)洪水設(shè)計(jì)，200a一遇(P=0.5%)洪水校核。設(shè)計(jì)洪水洪峰流量為2590m3/s，洪水洪量為8760萬(wàn) m3/d；校核洪水洪峰流量為3830m3/s，洪水洪量為 11800萬(wàn) m3/d。

2.3.2 調(diào)洪計(jì)算

1)自由泄洪與設(shè)閘控制泄洪方案比較：若采用壩頂自由泄洪，在溢流凈寬42m的情況下，5a一遇水庫(kù)洪水位505.81m，大河壩水電站取水?dāng)r河壩以上有約14hm2耕地受淹沒(méi)影響，而且涉及道真縣。若設(shè)閘控制泄洪，5a一遇水庫(kù)洪水位可控制在499.50m或以下，大河壩水電站取水?dāng)r河壩以上耕地受影響的程度低于現(xiàn)狀，因此宜采用壩頂設(shè)閘控制泄洪。

2)閘門(mén)方案比較：經(jīng)多組閘門(mén)比較后，設(shè)5孔8×7m閘門(mén)，堰頂高程492.50m,堰型為實(shí)用堰，溢流寬度40m，溢流堰流量系數(shù)m=0.48,側(cè)收縮系數(shù)取0.95，淹沒(méi)系數(shù)0.86～0.93。經(jīng)調(diào)洪計(jì)算，水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位503.99m，最大下泄流量2530m3/s，大壩下游設(shè)計(jì)洪水位498.46m；校核洪水位506.75m，最大下泄流量3700m3/s，大壩下游校核洪水位500.43m,水庫(kù)總庫(kù)容582萬(wàn) m3。洪水調(diào)節(jié)計(jì)算成果見(jiàn)表3。閘門(mén)比較方案調(diào)洪成果見(jiàn)表4、表5。

2.4 電站規(guī)模

2.4.1 電站設(shè)計(jì)保證率

正孔水電站為徑流式水電站，裝機(jī)容量占當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)比重較小，根據(jù)SL/T5105—1999《水電工程水利計(jì)算規(guī)范》及DL/T5015—1996《水利水電工程動(dòng)能設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，正孔水電站設(shè)計(jì)保證率取85%。

2.4.2 保證出力

根據(jù)歷時(shí)流量曲線，查得P=85%保證率流量Qp=4.76m3/s，綜合出力系數(shù)8.2，相應(yīng)凈水頭H=13.9m，由此計(jì)算保證出力Np=542kW[3]。

2.4.3 裝機(jī)容量

正孔水電站水庫(kù)正常水位499.50m，死水位497.50m，前池水位499.28m，前池運(yùn)行最低水位497.28m，多年平均流量相應(yīng)尾水位483.93m，最大毛水頭15.73m，最小毛水頭13.73m，加權(quán)平均毛水頭15.08m。最大凈水頭14.90m，最小凈水頭12.9m，加權(quán)平均凈水頭14.25m。根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)特分析,綜合出力系數(shù)A=8.2。共計(jì)算了4種裝機(jī)容量的有關(guān)動(dòng)能指標(biāo)進(jìn)行比較，詳見(jiàn)表6。

表3 正孔水電站采用方案(5孔8×7m閘門(mén))調(diào)洪成果表

注：1)水庫(kù)校核洪水位506.75m(p=0.5%)，相應(yīng)大壩下游水位500.43m；設(shè)計(jì)洪水位503.99m(P=3.33%)，相應(yīng)大壩下游水位498.46m；水庫(kù)總庫(kù)容582萬(wàn) m3。正常蓄水位499.50m；2)廠房校核洪水位498.57m(p=2%)，設(shè)計(jì)洪水位497.78m(p=3.33%)；3)閘門(mén)5孔8×7m(b×h)，堰頂高程492.5m。

表4 正孔水電站比較方案(設(shè)3孔14×11閘門(mén))水庫(kù)調(diào)洪成果表

表5 正孔水電站閘門(mén)比較方案(3孔12×12)調(diào)洪成果表

表6 正孔水電站(混合式)裝機(jī)容量比較表

注：1)平均毛水頭：15.08m,最大毛水頭:15.73m，最小毛水頭:13.73m。平均凈水頭:13.5m,最大凈水頭:14.90m，最小凈水頭:12.90m，平均水頭：14.25m。推薦2×1600kW；2)正常蓄水位499.50m,死水位497.50m,正常庫(kù)容105萬(wàn) m3,死庫(kù)容52萬(wàn) m3,興利庫(kù)容53萬(wàn) m3。

正孔水電站雖然是“以電代燃”生態(tài)項(xiàng)目水電站，但電站直接上貴州電網(wǎng)，生態(tài)負(fù)荷區(qū)從電網(wǎng)上下電，電站發(fā)電量扣除生態(tài)負(fù)荷區(qū)用電量后的電量可由電網(wǎng)供給其他用戶，因此裝機(jī)容量考慮水資源利用充分合理、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)優(yōu)越、電站運(yùn)行工況好等因素確定。裝機(jī)容量2×1600kW單位電能投資較優(yōu)、水資源利用比較充分，故確定正孔水電站裝機(jī)容量為2×1600kW，其多年平均發(fā)電量1390萬(wàn) kW·h，利用小時(shí)4340h/a，保證出力542kW，水量利用率69.8%。

3 結(jié) 語(yǔ)

水電是我國(guó)僅次于煤炭的第二大常規(guī)能源資源，更是目前可再生和非化石能源中資源最明確、技術(shù)最成熟、最清潔和最經(jīng)濟(jì)的能源，隨著我國(guó)在降低二氧化碳排放方面的壓力和責(zé)任越來(lái)越大，水電對(duì)降低二氧化碳排放、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的作用和效果將愈加顯現(xiàn)。

[1]李永春，張智華．功率因數(shù)對(duì)工廠供電系統(tǒng)的影響及補(bǔ)償[J]．甘肅有色金屬，2002(01)：31-35.

[2]施雪燕．電容器就地補(bǔ)償在工廠供電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．黑龍江造紙，2001(03)：51-53.

[3]馬紅麗．工廠配電設(shè)計(jì)[J].工廠設(shè)計(jì)與研究雜志，2004(01)：22-26.

AnalysisonHydroTurbineTypeSelectionforZhengkongHydropowerStationt-ASmallHydropowerProjectinPlaceofFuel

XIE Qi-gang

(Guizhou Province Zheng’an County Water Conservancy Bureau,Zheng’an 563400，China)

Zheng'an Hydropower station is located in the Zhengjiang village，Anchang Town，Zheng’an County，Guizhou Province，the sixth hydropower station on the Sanjianghe River mainstream，which is the first tributary of the Furongjiang river，11km away from Anchang Town，22km away from Zheng’an Town,.The catchment area over the dam 1030km2，powerhouse is located in downstream of the dam on the right bank，250m from the dam，about 9.4km away from upstream existing Wengxi hydropower station,2.9km away from the existing Siluotang hydropower station.There is a simple road at the right bank of river bed，elevation distance about 100m，the traffic conditions is not good.The hydroelectric station is a hybrid power plant；the main task is to hydroelectric power.The selection of power plant turbine generator unit is analyzed in the paper.

hydropower station；hydrogenation；turbine；type selection；comparison and analysis

1007-7596(2014)03-0032-04

2013-10-12

謝啟剛(1967-)，男，仡佬族，貴州正安人，工程師，從事農(nóng)村水電的規(guī)劃、勘測(cè)設(shè)計(jì)、水電站的建設(shè)與管理工作。

TM312

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