馬傳波

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽(yáng)110003）

長(zhǎng)距離輸水工程出口消能電站機(jī)組選擇

馬傳波

（遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，遼寧沈陽(yáng)110003）

消能電站是應(yīng)用于長(zhǎng)距離輸水工程末端滿(mǎn)足輸水及消能功能，并可充分利用能量的工程措施。通過(guò)工程實(shí)例，綜合考慮調(diào)水工程達(dá)產(chǎn)前后的流量及水頭變化過(guò)程，并結(jié)合不同類(lèi)型水輪機(jī)組特點(diǎn)，擬定組合方案，最終在滿(mǎn)足調(diào)水安全的前提下，推薦技術(shù)合理、經(jīng)濟(jì)合適的機(jī)組。

長(zhǎng)距離；輸水工程；消能電站；機(jī)組選擇

近年來(lái)，跨流域調(diào)水工程日益增多，有些調(diào)水工程進(jìn)出口會(huì)具有較大的水頭差。水頭差大會(huì)產(chǎn)生高速水流，將帶來(lái)一系列問(wèn)題，主要有以下四方面：一是會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的壓強(qiáng)脈動(dòng)，由于高速水流的高度紊動(dòng)使動(dòng)水壓強(qiáng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的脈動(dòng)，強(qiáng)烈的脈動(dòng)有可能引起建筑物的震動(dòng)，危害極大；二是當(dāng)流速大時(shí)，有自由表面的水流中將摻入大量空氣，變成乳白色的摻氣水流，破壞液體連續(xù)性；三是水流不穩(wěn)定時(shí)，邊界發(fā)生急劇變化時(shí)，流線發(fā)生分離，形成旋渦，就會(huì)產(chǎn)生低壓區(qū)，產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象；四是發(fā)生波浪，由于流速快，局部很小的變化，都可能形成波浪，當(dāng)波浪傳到下游出口，使消能造成困難。因此必須在出口布設(shè)消能設(shè)施，以減少出流對(duì)隧洞出口處的沖刷和破壞。

消能閥和消能電站都是常見(jiàn)的消能型式。消能閥利用水流和空氣大面積的摩擦生產(chǎn)霧化來(lái)進(jìn)行消能，消能效果十分突出，同時(shí)對(duì)環(huán)境損害很小，而且其布置緊湊，占地小，操作靈活，運(yùn)行管理方便、可靠，綜合成本較低，適用于小流量調(diào)水工程。消能電站是將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，由于需要布設(shè)發(fā)電廠房等設(shè)施，因此需要具備修建廠房的地形地貌條件，需要占用部分土地，且管理人員相對(duì)消能閥而言要增加，但是對(duì)于大流量、高水頭的調(diào)水工程卻可以創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益。消能電站選擇合適機(jī)組對(duì)于工程良性運(yùn)行至關(guān)重要。以某消能電站機(jī)組選擇過(guò)程為實(shí)例，以調(diào)水工程水頭、調(diào)水流量過(guò)程為基礎(chǔ)，綜合考慮軸流式水輪機(jī)和混流式水輪機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)以及調(diào)研目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家實(shí)際情況，最終從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面確定推薦方案。

1 消能電站概況

該調(diào)水工程是利用輸水隧洞將某大型水庫(kù)的水自流引水臨近流域某中型水庫(kù)，輸水隧洞全長(zhǎng)99.54 km。調(diào)水進(jìn)口水庫(kù)正常蓄水位為318.48 m，死水位為281.48 m；出口水庫(kù)正常蓄水位為236 m（電站尾水位）；最大凈水頭為70 m，最小凈水頭為12.50 m，加權(quán)平均水頭為33.02 m；設(shè)計(jì)調(diào)水流量77 m3/s，最大調(diào)水流量120 m3/s。

2 電站機(jī)組方案比選原則

2.1 方案比較原則

1）工程主要任務(wù)是調(diào)水，發(fā)電只是輸水的消能方式。所以電站運(yùn)行首先考慮滿(mǎn)足調(diào)水要求，其次才是發(fā)電。在滿(mǎn)足輸水消能的前提下，對(duì)各機(jī)組方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，據(jù)此確定經(jīng)濟(jì)合理的消能方案。

2）以調(diào)水過(guò)程線為依據(jù)，計(jì)算各方案多年平均發(fā)電量，根據(jù)方案投資、發(fā)電收益計(jì)算各方案經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。通過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較推薦采用經(jīng)濟(jì)較優(yōu)且運(yùn)行安全的方案。

2.2 機(jī)組水頭范圍論證

工程調(diào)水存在以下特點(diǎn)：

1）達(dá)產(chǎn)后調(diào)水特點(diǎn)：調(diào)大流量時(shí)間較長(zhǎng)，調(diào)70 m3/s以上占60%；低水位調(diào)水時(shí)間長(zhǎng)，水頭50 m以下占75%，15～12.5 m占10%。

2）初期未達(dá)產(chǎn)時(shí)，存在著高水位調(diào)小流量的運(yùn)行時(shí)段。正常高水位318.48 m以下，調(diào)30～50 m3/s以下，水頭可達(dá)70 m。

水頭范圍選擇既要滿(mǎn)足達(dá)產(chǎn)后中低水頭段長(zhǎng)期運(yùn)行要求，又要兼顧初期小流量調(diào)水高水頭發(fā)電要求?？紤]以上因素，確定機(jī)組水頭范圍為70～12.5 m。

2.3 軸流式和混流式水輪機(jī)特點(diǎn)

因電站水頭變幅大，采用一種機(jī)型無(wú)法滿(mǎn)足運(yùn)行要求?；炝魇剿啓C(jī)運(yùn)行水頭范圍較小并適合高水頭段運(yùn)行，軸流式水輪機(jī)運(yùn)行范圍較寬，但適合在低水頭段運(yùn)行。

軸流式水輪機(jī)的水頭范圍差異也較大，最大水頭與最小水頭比值通常不超過(guò)2.3倍，其最大可以達(dá)到3.5倍。軸流式運(yùn)行范圍對(duì)電站裝機(jī)容量影響較大。軸流式水輪機(jī)水頭變蝠較大的電站工程實(shí)例見(jiàn)表1。變蝠較大的工程實(shí)例較少，而多集中在哈電、東方為代表的一流企業(yè)名下。

表1 軸流式水輪機(jī)變蝠較大的電站工程實(shí)例

通過(guò)對(duì)有代表性的水輪機(jī)生產(chǎn)廠調(diào)研后，有天發(fā)、杭州江河、浙江舜飛3家水輪機(jī)廠對(duì)消能電站軸流機(jī)組50～12.5 m運(yùn)行范圍進(jìn)行了CFD分析，根據(jù)CFD分析結(jié)果，3家均認(rèn)為50～12.5 m運(yùn)行是不穩(wěn)定的。舜飛的結(jié)論是45～12.5 m可以保證穩(wěn)定運(yùn)行；江河的結(jié)論是40～12.5 m可以保證穩(wěn)定運(yùn)行；天發(fā)的結(jié)論是45～12.5 m可以保證穩(wěn)定運(yùn)行，但需要進(jìn)行詳細(xì)復(fù)核計(jì)算。

參考以上3家的CFD計(jì)算結(jié)果及工程實(shí)例，軸流式水輪機(jī)水頭范圍按3種考慮：45～12.5 m，40～12.5 m，35～12.5 m。其中45～12.5 m和40～ 12.5 m都沒(méi)有相近工程實(shí)例，如果采用需做模型試驗(yàn)。35～12.5 m的最大與最小比值達(dá)到2.8倍，超過(guò)常規(guī)，但有相近工程實(shí)例。而且，從各家提供的模型特性曲線上判斷，都在模型特性曲線范圍內(nèi)。參考專(zhuān)家意見(jiàn)，采用水頭運(yùn)行范圍35～12.5 m的軸流式水輪機(jī)是可以不做模型試驗(yàn)的。

2.4 方案擬定及經(jīng)濟(jì)比較

根據(jù)軸流式的水頭范圍，擬定以下3組方案進(jìn)行比較。

A組：采用軸流和輪流兩種機(jī)型，2臺(tái)軸流式水輪機(jī)（水頭范圍12.5～45 m），2臺(tái)混流式水輪機(jī)（水頭范圍42～70 m）。

表2 A組方案水輪機(jī)參數(shù)表

2臺(tái)機(jī)型1與2臺(tái)機(jī)型2～5分別組合，擬定4套方案，針對(duì)4套方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較：方案1投資11 211萬(wàn)元，多年平均發(fā)電量11 237萬(wàn)kW·h；方案2投資11 569萬(wàn)元，多年平均發(fā)電量11 433萬(wàn)kW·h；方案3投資11 687萬(wàn)元，多年平均發(fā)電量11 530萬(wàn)kW·h；方案4投資12 075萬(wàn)元，多年平均發(fā)電量11 618萬(wàn)kW·h。采用差額內(nèi)部收益率方法進(jìn)行比較，方案2與方案1差額內(nèi)部收益率13.09%，投資大的方案2較優(yōu)；方案3與方案2差額內(nèi)部收益率19.23%，投資大的方案3較優(yōu)；方案4與方案3差額內(nèi)部收益率7.32%，投資小的方案3較優(yōu)。則A組中方案3較優(yōu)。

B組：同樣采用兩種機(jī)型，2臺(tái)軸流式水輪機(jī)（水頭范圍12.5～40 m），2臺(tái)混流式水輪機(jī)（40～70 m）。

方案組合同A組，同樣擬定4套方案并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較：方案1投資11 201萬(wàn)元，多年平均發(fā)電量10 443萬(wàn)kW·h；方案2投資11 499萬(wàn)元，多年平均發(fā)電量10 731萬(wàn)kW·h；方案3投資11 667萬(wàn)元，多年平均發(fā)電量10 948萬(wàn)kW·h；方案4投資11 997萬(wàn)元，多年平均發(fā)電量11 028萬(wàn)kW·h。采用差額內(nèi)部收益率方法進(jìn)行比較，方案2與方案1差額內(nèi)部收益率18.85%，投資大的方案2較優(yōu)；方案3與方案2差額內(nèi)部收益率39.64%，投資大的方案3較優(yōu)；方案4與方案3差額內(nèi)部收益率7.77%，投資小的方案3較優(yōu)。則B組中方案3較優(yōu)。

表3 B組比較方案水輪機(jī)主要參數(shù)

C組：采用3種機(jī)型，2臺(tái)軸流式水輪機(jī)（水頭范圍12.5～35 m），2臺(tái)混流式水輪機(jī),其中，1臺(tái)低水頭運(yùn)行（35～55 m)，1臺(tái)高水頭運(yùn)行（42～70 m)。

表4 C組比較方案水輪機(jī)主要參數(shù)

2臺(tái)機(jī)型1與2臺(tái)機(jī)型2～5分別組合，擬定4套方案。針對(duì)4套方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較：方案1投資11 350萬(wàn)元，多年平均發(fā)電量10 180萬(wàn)kW·h；方案2投資11 786萬(wàn)元，多年平均發(fā)電量10 590萬(wàn)kW·h；方案3投資11 889萬(wàn)元，多年平均發(fā)電量10 770萬(wàn)kW·h；方案4投資12 309萬(wàn)元，多年平均發(fā)電量10 944萬(wàn)kW·h。采用差額內(nèi)部收益率方法進(jìn)行比較，方案2與方案1差額內(nèi)部收益率21.77%，投資大的方案2較優(yōu)；方案3與方案2差額內(nèi)部收益率37.92%，投資大的方案3較優(yōu)；方案4與方案3差額內(nèi)部收益率7.9%，投資小的方案3較優(yōu)。則C組中方案3較優(yōu)。

A、B、C組方案中，都是方案3為最經(jīng)濟(jì)方案。對(duì)3組中較優(yōu)方案再進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較，A3方案投資17 884萬(wàn)元，多年平均發(fā)電量11 530萬(wàn)kW·h；B3方案投資17 884萬(wàn)元，多年平均發(fā)電量10 948萬(wàn)kW·h；C3方案投資18 560萬(wàn)元，多年平均發(fā)電量10 770萬(wàn)kW·h。從經(jīng)濟(jì)上比較，A3方案投資最省，發(fā)電量最多，為最經(jīng)濟(jì)方案，其次為B3。C3投資最大、發(fā)電量最小，為最不經(jīng)濟(jì)方案。A3運(yùn)行范圍寬，靈活性、經(jīng)濟(jì)性最好，但安全性最差。本著安全第一的原則，不推薦采用A3方案。C3方案因其水頭范圍相對(duì)較窄，所以其運(yùn)行安全可靠性最高。但其發(fā)電量最少、投資最大，為最不經(jīng)濟(jì)方案；且機(jī)型數(shù)量多，調(diào)度、運(yùn)行復(fù)雜，日常維護(hù)工作也大；同時(shí)在高水頭段只能一臺(tái)機(jī)組運(yùn)行，在高水位最大調(diào)水量?jī)H為30.5 m3/s，少于隧洞能達(dá)到的調(diào)水量，運(yùn)行靈活性較差。B3方案安全可靠性強(qiáng)于A3，與C3方案比，除安全靠性稍差外，其經(jīng)濟(jì)性、運(yùn)行靈活型性均優(yōu)于C3方案。B3水頭范圍稍寬，但根據(jù)已掌握的部分水輪機(jī)模型曲線和參考幾家CFD分析成果多數(shù)廠家是可以達(dá)到的，參考專(zhuān)家意見(jiàn)需要做模型試驗(yàn)已保證其運(yùn)行安全可靠性。綜合比較，推薦采用B3方案，2臺(tái)12 000 kW軸流式水輪機(jī)（40～12.5 m），2臺(tái)13 000 kW混流式水輪機(jī)（70～42 m），電站最大運(yùn)行容量為26 000 kW。

3 結(jié)論

綜上所述，長(zhǎng)距離輸水工程消能電站機(jī)組選型不僅要考慮到調(diào)水工程達(dá)產(chǎn)時(shí)的調(diào)水流量變化及水頭變化情況，也要兼顧大型調(diào)水工程在運(yùn)行初期不能達(dá)產(chǎn)情況下的流量及水頭變化情況，同時(shí)根據(jù)國(guó)內(nèi)外水輪機(jī)組的實(shí)際情況合理配置，最終在滿(mǎn)足調(diào)水要求的前提下，采用經(jīng)濟(jì)指標(biāo)確定安全可靠、經(jīng)濟(jì)適用的機(jī)組。

［1］吳次光，青長(zhǎng)庚，混流式水輪機(jī)電站運(yùn)行穩(wěn)定性與裝機(jī)容量選擇的探討［J］.水力發(fā)電，2002，（7）：P48-51.

［2］馬國(guó)強(qiáng)，劉建華，劉國(guó)峰，瀾滄江烏弄龍水電站水輪機(jī)主要參數(shù)選擇［J］.水力發(fā)電，2011，（4）：P76-78.

［3］鄭冬飛，李仕宏，吉沙水電站機(jī)組型式及主要參數(shù)的選擇［J］.水力發(fā)電，2012，（3）：P72-75.

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