經(jīng)敏川

(新疆三一一水利水電勘察設(shè)計(jì)有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

新疆徑流式水電站大小機(jī)組配合選型探討

經(jīng)敏川

(新疆三一一水利水電勘察設(shè)計(jì)有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

新疆大部分河流具有水量小、徑流不發(fā)育、夏季河流水量大、冬季河流萎縮等特點(diǎn)。徑流式水電站按照河道多年平均流量及獲得的水頭進(jìn)行裝機(jī)容量選擇。本文通過開墾河三級水電站機(jī)組選型方案比較，選擇在不同轉(zhuǎn)輪直徑機(jī)組組合方案：當(dāng)來水流量大于水電站水輪機(jī)過水能力時(shí)，水電站滿出力運(yùn)行；流量不足時(shí)，機(jī)組根據(jù)來水情況可保證各機(jī)組在額定工況下獨(dú)立運(yùn)行，提高水電站裝機(jī)容量利用率。這種裝機(jī)方式在徑流式水電站中具有典型意義，對類似水電站設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

徑流式水電站；機(jī)組配合選型；探討

1 流域概況

開墾河是發(fā)源于天山東段博格達(dá)山脈的一條山溪性河流，整個(gè)水系由大東溝、大西溝兩條主要支流匯合，呈東西向梳狀分布。開墾河補(bǔ)給源主要有冰雪融水、降水、地下水等三種，其中高山區(qū)為冰雪融水補(bǔ)給，中高山區(qū)為降水及暴雨洪水補(bǔ)給，中低山區(qū)為季節(jié)性融雪水及地下水補(bǔ)給。

開墾河徑流量年內(nèi)變化較大，分為汛期、平水期和枯水期，與氣候因素有關(guān)。一般來說一年中5—8月為汛期；4月、9—10月為平水期；11月—次年3月為枯水期。開墾河多年平均徑流量1.61億m3，年徑流量變差系數(shù)為0.25，實(shí)測期年最大徑流量為2.07億m3，年最小徑流量為0.85m3，最豐水年是最枯水年的3.08倍。開墾河多年平均流量見圖1。

圖1 開墾河多年年均流量P-Ⅲ型頻率曲線

由流量頻率曲線查出不同保證率所對應(yīng)的代表年份，即豐水年(P=25%)對應(yīng)流量Q=5.70m3/s，平水年(P=50%)對應(yīng)流量Q=4.80m3/s，枯水年(P=75%)對應(yīng)流量Q=4m3/s。

2 裝機(jī)容量

開墾河三級水電站為徑流引水式水電站，前池正常水位1349.33m；下游設(shè)計(jì)尾水位1324.69m，毛水頭24.64m，水頭損失2.45m，凈水頭22.19m。根據(jù)初擬的機(jī)組型式取綜合出力系數(shù)為8.40。開墾河水電站屬季節(jié)性的小型農(nóng)村水電站，采用與灌溉相同的設(shè)計(jì)保證率75%。

2.1 水能計(jì)算

根據(jù)開墾河水文站48年實(shí)測徑流資料，選定三個(gè)設(shè)計(jì)代表年：豐水年P(guān)=25%、平水年P(guān)=50%、枯水年P(guān)=75%。選取1988年為P=25%的典型年，2000年為P=50%的典型年，1997年為P=75%的典型年。將開墾河豐、平、枯三年的旬平均流量按流量遞減次序排列，繪制其出力-保證率關(guān)系曲線(見圖2)、出力-電量累積曲線(見圖3)。該水電站設(shè)計(jì)保證率P=75%，可在曲線上查出保證出力Np=284.20kW，由出力-電量關(guān)系曲線查得多年平均發(fā)電量為216.13萬kW·h。

圖2 開墾河三級水電站出力保證率曲線

圖3 開墾河三級水電站出力電量累計(jì)曲線

2.2 裝機(jī)容量確定

該水電站裝機(jī)容量選擇700kW、750kW、800kW三方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，從中選擇最佳裝機(jī)方案(見表1)。

表1 裝機(jī)容量方案比選 單位：元

從表1中各項(xiàng)參數(shù)可知，裝機(jī)容量為750kW時(shí)，多年平均發(fā)電量E年=264.48萬kW·h，裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)為3526h；若裝機(jī)容量減小，將放棄一部分流量，雖然裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)會有所增加，但發(fā)電量會減少，單位裝機(jī)投資會增加；如裝機(jī)容量增加，則裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)下降較多，機(jī)組運(yùn)行效率將受到影響，不符合規(guī)范要求。從經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值看，方案二的經(jīng)濟(jì)凈現(xiàn)值較大，根據(jù)凈現(xiàn)值最大原則，方案二較優(yōu)。

水電站實(shí)際多年平均發(fā)電量不僅考慮渠首及引水渠的水量損失，更應(yīng)充分考慮地區(qū)電網(wǎng)中電力日負(fù)荷特性對水電站發(fā)電量的影響，單純從水能角度進(jìn)行計(jì)算，所求得的水能指標(biāo)只是理論值，與實(shí)際情況有差距，另外，發(fā)電量以旬為時(shí)段計(jì)算的成果稍偏大。綜合以上因素把理論發(fā)電量乘以折減系數(shù)0.95，實(shí)際發(fā)電量為251.26萬kW·h(E設(shè)=0.95E=0.95×264.48 =251.26萬kW·h)。

3 機(jī)組選型

開墾河三級水電站額定水頭為21.85m，混流式水輪機(jī)組較為合適，其結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，效率高，現(xiàn)代應(yīng)用最為廣泛。目前較成熟的轉(zhuǎn)輪有HLA551及HL240等，其中HLA551轉(zhuǎn)輪應(yīng)用較多，有較成熟的運(yùn)行及制造經(jīng)驗(yàn)，故選定機(jī)型為HLA551型混流式水輪機(jī)組。

3.1 機(jī)組組合選擇

根據(jù)水能計(jì)算特性，對裝機(jī)1×750kW和1×500kW+1×250kW兩種方案進(jìn)行比較(見表2)。

從表2可以看出，該水電站屬于徑流引水式電站，引水流量會隨著季節(jié)而變化，采用一大一小機(jī)組可使每臺機(jī)組都能高效率工作，因此方案二的年均發(fā)電量及年利用小時(shí)數(shù)要大于方案一。根據(jù)方案比選結(jié)果，開墾河三級水電站選配1臺500kW的水輪發(fā)電機(jī)組和1臺250kW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為750kW。

3.2 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑確定

根據(jù)該水電站的設(shè)計(jì)水頭和單機(jī)額定容量，結(jié)合水輪機(jī)制造廠的產(chǎn)品資料，選用臥軸混流式水輪機(jī)，以HLA551-WJ-71水輪機(jī)為例進(jìn)行計(jì)算。

表2 機(jī)組組合比較

圖4 HLA551型水輪機(jī)模型綜合特性曲線

式中D1——水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑，m；

Nr——水輪機(jī)的額定出力，532kW；

Hr——水輪機(jī)的設(shè)計(jì)水頭，22.30m；

η——原型水輪機(jī)在限制工況下的效率，90.70%。

經(jīng)計(jì)算轉(zhuǎn)輪直徑為0.67m，按規(guī)定的系列尺寸確定轉(zhuǎn)輪直徑為71cm。

3.3 計(jì)算水輪機(jī)轉(zhuǎn)速確定

a. 水輪機(jī)最高效率按下式計(jì)算：

式中ηmax——原型水輪機(jī)的最高效率；

ηMmax——模型水輪機(jī)的最高效率，92.70%；

D1M——模型水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑，0.35m。

效率修正值Δη=ηmax-ηMmax-η工藝=93.70%-92.70%-1%=0

b. 單位轉(zhuǎn)速修正值按下式計(jì)算：

c.水輪機(jī)轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算：

根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速，選用n=500r/min。

3.4 工作范圍驗(yàn)算

=1.13<1.25(m3/s)，

則水輪機(jī)的最大引用流量Qmax為

=75.17(r/min)；

在最大水頭Hmax=23.28m時(shí)

=73.58(r/min)；

在最小水頭Hmin=21.83m時(shí)

3.5 機(jī)組吸出高度Hs和安裝高程Z安

式中Hs——水輪機(jī)的吸出高，m；

Δ——水輪機(jī)安裝處的海拔高程，1318.95m；

K——安全系數(shù)，1.2。

當(dāng)1臺水輪機(jī)50%的額定流量為0.70m3/s時(shí)，設(shè)計(jì)尾水位Zw=1324.15m，則安裝高程為

圖5 HLA551型水輪機(jī)工作范圍初步檢驗(yàn)

Z1安=Zw+Hs-0.5D1=1326.295m(大號機(jī)組)

式中Hs——水輪機(jī)的吸出高，m；

D1——機(jī)組水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑，0.5m。

3.6 發(fā)電機(jī)選型

根據(jù)水輪機(jī)型號及其技術(shù)參數(shù)，所配套的發(fā)電機(jī)型號為SFW500-12/1180和SFW250-8/850，技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 發(fā)電機(jī)技術(shù)參數(shù)

4 結(jié) 語

該工程選用的HLA551型水輪機(jī)，其轉(zhuǎn)輪選用的是抗汽蝕、抗磨蝕和焊接性能良好的鎳鉻不銹鋼材料，轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)、葉片的材質(zhì)均選用0Cr13Ni4Mo，汽蝕系數(shù)為0.19，比較適用于新疆河流含沙量大的水質(zhì)。該轉(zhuǎn)輪是60m以下水頭優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪之一，模型單位流量大，最高效率達(dá)93.20%。在該轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)方面，為提高單位轉(zhuǎn)速，減小了進(jìn)口半徑；為提高過流能力，抬高了上冠及加大了下環(huán)錐角；為改善葉片擾流、減輕壓力脈動、增強(qiáng)機(jī)組穩(wěn)定性，采用了加長泄水錐的措施。蝸殼設(shè)計(jì)為非常規(guī)設(shè)計(jì)，蝸殼采用全圓斷面直接搭接座環(huán)的焊接結(jié)構(gòu)，斷面采用了特殊的水力設(shè)計(jì)，在0°～45°范圍內(nèi)，斷面尺寸不變，減少了因斷面面積突然縮小所帶來的水流撞擊和摩擦損失，保證了機(jī)組的高效性，減小了機(jī)組軸向水推力；其余斷面采用全圓斷面，其專用流道，確保了機(jī)組的能量指標(biāo)及機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。

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Discussion on Types of Small and Big Units in Run-off Hydropower Station in Xinjiang

JING Minchuan

(Xinjiang311WaterConservancyandHydropowerSurveyingDesignCo.,Ltd.,Urumchi830002,China)

The bulk of rivers in Xinjiang feature such characteristics as small water yield, non-development runoff, big water yield in summertime and shriveling rivers in winter. Selection for installed capacity of run-off hydropower station is carried out following average annual discharge and water head acquired throughout years. By type-selecting scheme comparison for units of third-level hydropower station, this article chooses combining scheme of units with varying runner diameter: when water-carrying capacity is higher than discharge capacity of hydropower station water turbine, the hydropower station operates to the full; and when the flow is insufficient, machine sets ensure independent operation of different units at a set work condition to improve use rate of installed capacity in the hydropower station. This installed way means has typical significance in run-off hydropower station and has reference values to designing of similar hydropower stations.

run-off hydropower station; machine set configuration and type selection; discussion

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.04.012

TV734

A

1673-8241(2017)04- 0043- 06