肖仁杰

(奎屯農(nóng)七師勘測設計研究院(有限公司)，新疆 奎屯833200)

1 工程概況

奎屯河三級水電站位于新疆省生產(chǎn)建設兵團第七師境內(nèi)奎屯河流域中奎屯河的上游，是奎屯河流域奎屯河上梯級開發(fā)的第3個水電站。奎屯河三級水電站工程主要的工程任務是引水發(fā)電，同時保證第七師、烏蘇、奎屯市、獨山子的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)生活用水，引水道設計流量為50 m3/s。電站發(fā)電設計凈水頭145.5 m，發(fā)電流量48.32 m3/s，電站裝機60 MW，年利用小時數(shù)3 281 h，年發(fā)電量20 670萬 kW·h。電站建成后，可有效改善當?shù)毓╇妳^(qū)供電用電情況。

2 電站基本參數(shù)

2.1 水位

前池水位:正常水位:972.46 m

最高水位:973.74 m

最低水位:969.58 m

尾水位:最高尾水位:822.59 m

設計尾水位:820.42 m

最低水位:820.16 m

2.2 水頭

最大毛水頭:149.87 m;

設計水頭:145.5 m;

最小凈水頭:143.1 m。

2.3 流量

多年平均流量:20.3 m3/s;

歷年月平均最小流量:4.3 m3/s;

電站引用流量:50 m3/s。

2.4 泥沙

全年過機泥沙平均含量:1.187 kg/m3;

汛期過機泥沙平均含量:1.795 kg/3;

2.5 主要動能參數(shù)

裝機容量:60 MW;

裝機臺數(shù):3臺;

年利用小時數(shù):3 281 h;

電站在系統(tǒng)中的運行方式:基荷、非調(diào)相。

3 水輪機參數(shù)分析選擇

奎屯河三級水電站水頭范圍在143～150 m間，為中水頭電站。根據(jù)電站的水頭范圍及引水流量，確定水輪機型式為混流式水輪機。按比轉(zhuǎn)速選擇水輪機仍是現(xiàn)階段選型的主要手段，根據(jù)本電站水頭變幅和含沙量特點，不片面強調(diào)高參數(shù)、高能量指標，而更注重機組運行的穩(wěn)定性及水輪機的空蝕性能。

3.1 額定水頭的選擇

按《GB/T15468-2006水輪機基本技術條件》額定水頭是指發(fā)電機發(fā)出額定功率時，水輪機所需的最小工作水頭?？秃尤壦娬緸橹兴^電站，水輪機的額定水頭宜在加權平均水頭的0.95～1范圍內(nèi)選取，經(jīng)多方面比較論證后選取為145.5 m。

3.2 水輪機能量參數(shù)的確定

3.2.1 比轉(zhuǎn)速和比轉(zhuǎn)速系數(shù)的選擇

水輪機比轉(zhuǎn)速ns和比轉(zhuǎn)速系數(shù)K是衡量水輪機能量特性、經(jīng)濟性和先進性的綜合性指標。目前世界上普遍采用比轉(zhuǎn)速系數(shù)k值來反映水輪機的設計，制造技術水平。在工程應用中大容量水輪發(fā)電機組為縮小機組及廠房尺寸，節(jié)省投資，提高電站的經(jīng)濟效益，在可能的條件下，傾向于選擇較高的比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K。但是比轉(zhuǎn)速ns的提高受到泥沙磨損、空化性能、運行穩(wěn)定性等諸多因素的制約，不能只追求的過高指標，還需要結(jié)合本電站的特點，對其進行綜合分析比較，以確定合適的指標。

表1列出國內(nèi)部分中型混流機組的比轉(zhuǎn)速ns值和K值，其中比轉(zhuǎn)速ns值在170～210 m·kW(其相應機組額定水頭為160～130 m)，比速系數(shù)K值在1 100～2 000之間。機組額定水頭越高，比轉(zhuǎn)速越低，但隨著時間的推移有不斷增大的趨勢。

從表1列出的已運行的中型混流機組的參數(shù)可以得出，比轉(zhuǎn)速ns為100～270 mkW，比數(shù)系數(shù)為1 100～2 050，其中古爾圖河、奎屯河、瑪納斯河三條河流地理位置較近，泥沙顆粒、成分、含量等參數(shù)相當，上述四座電站在電站引水口均有沉砂池等泥沙處理措施。其中古爾圖河三級站轉(zhuǎn)輪磨損情況較為嚴重，運行一年后轉(zhuǎn)輪就需要進行大的修補。其余三座電站運行情況相對較好，轉(zhuǎn)輪基本可以運行兩到三年不需進行大修補焊。

表1 國內(nèi)部分中型混流機組的比轉(zhuǎn)速ns值和K值

考慮到目前國內(nèi)常用轉(zhuǎn)輪的比轉(zhuǎn)速約為150～350 mkW，且本電站的額定水頭比較高，汛期泥沙含量比較高。經(jīng)分析比較，本電站水輪機的比轉(zhuǎn)速ns值宜選定在120 m·kW左右，比速系數(shù)K值為1 300左右。

3.2.2 單位轉(zhuǎn)速和單位流量的選擇

選用較高的單位轉(zhuǎn)速，可以減小發(fā)電機的尺寸和重量;選用較大的單位流量，可以減小水輪機的尺寸和重量。但水輪機強度、空化和運行穩(wěn)定性等諸多因素又制約著單位轉(zhuǎn)速和單位流量的提高。隨著水輪發(fā)電機組設計、制造及其相關技術的發(fā)展與進步，單位轉(zhuǎn)速和單位流量較以前都有了很大的提高。

根據(jù)選定的比轉(zhuǎn)速值120 m·kW左右、以及現(xiàn)階段國內(nèi)相同水頭段水輪機的使用情況及其制造水平和相關資料。結(jié)合本電站的過機泥沙含量，經(jīng)計算分析比較，初步確定本電站水輪機額定工況的單位轉(zhuǎn)速為60～65 r/min之間，單位流量為400～600 L/s之間。

3.2.3 水輪機效率的選擇

效率是水輪機的一個重要參數(shù)。目前國內(nèi)外大型水輪機模型最優(yōu)效率值均以超過93.5%。根據(jù)本電站的實際情況，比較合理、可行的選擇是:水輪機模型最高效率應不低于92% ，原型水輪機最高效率應不低于93.5%;額定工況模型效率應不低于90% ，額定工況原型水輪機效率應不低于91% 。

表2 水輪機模型轉(zhuǎn)輪技術參數(shù)比較

表3 奎屯河三級水電站原型水輪發(fā)電機組各方案技術參數(shù)比較(額定工況)

3.3 原型水輪發(fā)電機組及參數(shù)的選擇

奎屯河三級水電站水頭范圍在143～150 m間，為中水頭電站。根據(jù)電站的水頭范圍，以及水電站的引水流量，水輪機轉(zhuǎn)輪應選擇混流式。適用于本電站水頭段的混流轉(zhuǎn)輪較多，本次選擇了具有代表性的A339、A550、A678、A575c型轉(zhuǎn)輪，這些轉(zhuǎn)輪已廣泛應用于國內(nèi)中型混流式電站，可以作為本電站水輪機參數(shù)選擇的依據(jù)。A339、A550、A678、A575c等轉(zhuǎn)輪的模型參數(shù)列于表2。并擬定了4個原型水輪發(fā)電機組選擇方案(見表3)進行了計算比較。

從上述選型計算比較結(jié)果可以看出，各種形式的水輪機均可適用于本電站，但經(jīng)詳細比較論證后發(fā)現(xiàn)不同型號的水輪機還存在以下不同的優(yōu)缺點:

(1)HLA339—LJ—160型水輪機的機組效率相對較低，空蝕系數(shù)相對較大，所以計算出來的吸出高度較小，導致機組安裝高程低，廠房開挖大，從而增大了廠房的土建投資。

(2)HLA550—LJ—180型水輪機的轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)輪直徑大，機組造價高，而其效率不如HLA575c型水輪機的效率高。

(3)HLA678—LJ—145型水輪機雖然轉(zhuǎn)輪直徑小，機組造價低，效率相對較高，但其空蝕系數(shù)大，并且轉(zhuǎn)速較高。由于本站過機水流含沙量大，考慮到運行期轉(zhuǎn)輪的磨蝕情況，降低維修成本。本電站不推薦適用轉(zhuǎn)速較高的水輪機型號。

通過上述幾個方案的比較，可以看出方案四中的HLA575c—LJ—160型水輪機不僅具備其他機型所具有的優(yōu)點外，而且還具有效率高、高效區(qū)范圍廣、轉(zhuǎn)速適中、轉(zhuǎn)輪直徑相對較小等優(yōu)點。再根據(jù)選型計算和轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線分析，水輪機的型號初步推薦HLA575c—LJ—160機型，并相應地選用SF10—12/3250型發(fā)電機。

4 結(jié)語

對于奎屯河三級水電站，過機泥沙含量大，機組裝機容量中等，不能像大型水電站那樣采取重新設計新轉(zhuǎn)輪，進行模型試驗的方法，所以參照相關電站的選型模式進行機組的選型設計，是合理可行的。

[1]金中元.水力機械.北京:水利電力出版社.1992.

[2]劉大愷.水輪機.第二版.北京:中國水利電力出版社.1997.

[3]常近時.水輪機運行.北京:水利電力出版社.1983.

[4]顧四行.楊天生.閔京生.水機磨蝕.北京:中國水利水電出版社.2008.

[5]劉啟釗.水電站.第三版.北京:中國水利水電出版社.2007.