葛 曦，黃正財，楊 超，張建勛

(貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550002)

1 概 述

夾巖水利樞紐工程是貴州省1座以城鄉(xiāng)供水和灌溉為主、兼顧發(fā)電并為區(qū)域扶貧開發(fā)及改善生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件的綜合性大型水利樞紐工程，由水源工程、畢大供水工程和灌區(qū)骨干輸水工程3部分組成。夾巖壩后電站布置于大壩右岸下游沖溝出口，采用地面式廠房，一管三機(jī)布置型式，總裝機(jī)容量為90 MW，保證出力為10.3 MW，多年平均發(fā)電量為2.198億kW.h。電站最大水頭113.4 m，加權(quán)平均水頭110.5 m，最小水頭95.5 m，泥沙含量0.65 kg/m3。

夾巖壩后電站具有大庫容、低保證出力的特點，因此裝機(jī)方案的確定需結(jié)合下放生態(tài)水的流量，重視機(jī)組長期運行的高效與穩(wěn)定，同時考慮電站高水頭且變幅較大的運行穩(wěn)定性。

2 裝機(jī)方案分析

機(jī)組臺數(shù)的選擇原則主要考慮機(jī)組的運行穩(wěn)定性和運行維護(hù)管理、機(jī)電設(shè)備投資和廠房土建工程量等因素。

因該水利樞紐功能主要以供水和灌溉為主，發(fā)電為次要功能，水庫調(diào)度運行方式是電調(diào)服從水調(diào)，因此在灌溉季節(jié)首先保證灌溉和供水功能，發(fā)電僅能利用下放生態(tài)水運行。為了保證機(jī)組長期高效穩(wěn)定運行，提高發(fā)電量和機(jī)組使用壽命，結(jié)合電站的保證出力及該水頭段混流式機(jī)組的穩(wěn)定運行范圍，選用3×30 MW和 2×36 MW+1×18 MW(大小機(jī)方案)兩個裝機(jī)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。兩個方案投資相差不大，大小機(jī)方案電站布置略微復(fù)雜，但運行調(diào)度比較靈活。

夾巖水庫壩址下游4 km處為九洞天國家重點風(fēng)景名勝區(qū)上游邊界，滿足河道景觀和漂流的最低水深為1.35 m，采用曼寧公式計算出相應(yīng)流量為12 m3/s。環(huán)境生態(tài)用水要求采用90%保證率法，將夾巖壩址1957—2011年最枯月水文分析計算，P=90%時，對應(yīng)的流量為12.1 m3/s，故下放生態(tài)水流量定為12.1 m3/s。該流量與18 MW機(jī)組額定流量18.62 m3/s之比占62.8%，與30 MW機(jī)組額定流量30.91 m3/s之比為37.9%。本電站為混流式機(jī)組，主機(jī)出力穩(wěn)定運行區(qū)間為45%～100%，在單獨下放環(huán)境水的情況下，18 MW小機(jī)組可高效穩(wěn)定運行；而3臺30 MW的裝機(jī)方案在這些工況下不在穩(wěn)定運行區(qū)間。

因此，夾巖壩后電站機(jī)組臺數(shù)推薦2×36 MW+1×18 MW的大小機(jī)方案。

3 機(jī)組選型設(shè)計

電站最大水頭為113.4 m，此水頭段適合的水輪機(jī)型式為混流式。該水頭段至150 m水頭段合適的轉(zhuǎn)輪有HLA743、HLA630、HLA606、HLA384、D294A、HLA855、HLA801、 HLY190、HLA678等優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪。

3.1 額定水頭的選擇

電站的運行水頭為113.4～95.5 m，電站加權(quán)平均水頭為110.5 m，水頭變幅為17.9 m。額定水頭在加權(quán)平均水頭的0.95～1之間選定。從水頭出現(xiàn)幾率表得知(見表1)：本站高水頭段113.4～107.0 m出現(xiàn)幾率比較高，水頭在107 m以上占78.2%。

目前國內(nèi)外已運行的穩(wěn)定性較好的水電站水輪機(jī)運行水頭統(tǒng)計規(guī)律：最大水頭與最小水頭的比值小于1.5，最大水頭與額定水頭的比值小于1.15。考慮電站運行的穩(wěn)定性，同時考慮機(jī)組出力受阻較小，確定本電站額定水頭為107 m。

表1 水頭出現(xiàn)幾率

3.2 機(jī)型選擇

擇優(yōu)選擇HLA630、HLA743、HLA606等3種轉(zhuǎn)輪(代表不同的轉(zhuǎn)速)進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。在機(jī)組選型計算過程中，重點計算比較了機(jī)組穩(wěn)定性、能量指標(biāo)、氣蝕性能、運行工況、額定轉(zhuǎn)速以及廠房尺寸等(見表2、表3)。

表2 36MW機(jī)組機(jī)型主要特征參數(shù)比較

(1)36MW機(jī)組代表轉(zhuǎn)輪分析比較

效率：HLA630機(jī)型的模型最高效率94.75%，原型最高效率95.75%。水輪機(jī)額定效率93.96%、最大水頭時效率95.12%、最小水頭時效率93.27%，在3個選型方案中效率是最高的方案；HLA743機(jī)型效率次之；HLA606機(jī)型效率較低。

空蝕性能：HLA606最大空化系數(shù)0.05，吸出高度為-0.37 m，抗空蝕性能最好；HLA630空化系數(shù)0.08，吸出高度為-4.6 m，抗空蝕性能次之；HLA743最大空化系數(shù)0.123，吸出高度為-11.7 m，抗空蝕性能較差。

能量指標(biāo)方面：3個方案中HLA630、HLA743轉(zhuǎn)輪直徑都為2.03 m、額定轉(zhuǎn)速都為375 r/min，HLA630、HLA743水輪發(fā)電機(jī)組外形尺寸小、設(shè)備重量最輕、設(shè)備造價低，能量指標(biāo)高。HLA606轉(zhuǎn)輪直徑2.19 m、額定轉(zhuǎn)速333.3 r/min，其水輪發(fā)電機(jī)組外形尺寸大、設(shè)備造價高，能量指標(biāo)比較低。

運行工況：HLA630、HLA606運行工況范圍都比較好，最優(yōu)效率在中、高水頭之間，90%以上在高效率區(qū)，運行范圍廣；HLA743水輪機(jī)運行工況差。

綜上所述，HLA630具有較高的效率，能量指標(biāo)比較高，廠房開挖不大，推薦HLA630—LJ—203為本站大機(jī)代表機(jī)型。

表318MW機(jī)組機(jī)型主要特征參數(shù)比較

項 目方案一方案二方案三水輪機(jī)型號HLA630—LJ—150HLA743—LJ—134HLA606—LJ—165比轉(zhuǎn)速197.9237.7169.8比速系數(shù)2 047.32 459.31 756.8額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)500600428.6轉(zhuǎn)輪直徑/m1.51.341.65額定流量/(m3·s-1)18.6219.518.84水輪機(jī)額定效率/%94.9490.8593.9模型水輪機(jī)最高效率/%94.7594.2193.2效率修正值/%+0.87+0.87+0.95吸出高度-4.6-11.7-0.37氣蝕系數(shù)0.080.1230.05

(2)18MW機(jī)組代表轉(zhuǎn)輪分析比較

效率：3個方案中，方案一效率最高，HLA630機(jī)型的模型最高效率94.75%，原型最高效率95.62%。水輪機(jī)額定效率94.94%、最小水頭效率93.16%、最大水頭效率95.32%；方案二效率也比較高，但最小水頭效率89.015%比較低；方案三HLA606模型最高效率93.2%，水輪機(jī)最大水頭和最小水頭效率都低。

空蝕性能：HLA606最大空化系數(shù)0.05，吸出高度為-0.37 m，抗空蝕性能最好；HLA630空化系數(shù)0.08，吸出高度為-4.6 m，抗空蝕性能次之；HLA743最大空化系數(shù)0.123，吸出高度為-11.7 m，抗空蝕性能較差。

能量指標(biāo)方面：3個方案中HLA743轉(zhuǎn)輪直徑為1.34 m、額定轉(zhuǎn)速600 r/min，能量指標(biāo)比較高，水輪發(fā)電機(jī)組外形尺寸小、設(shè)備重量最輕、設(shè)備造價低，能量指標(biāo)比較高，但廠房開挖很深。HLA630能量指標(biāo)次之、HLA606的能量指標(biāo)比較差。

運行工況： HLA630運行工況范圍都比較好，整個運行水頭都在最優(yōu)效率區(qū)內(nèi)；HLA743和HLA606水輪機(jī)運行工況都比較差，高水頭運行工況偏移高效區(qū)。

綜上所述，HL A630具有比較高的效率、機(jī)組尺寸小、設(shè)備重量最輕、廠房開挖不大、機(jī)組穩(wěn)定運行范圍廣，因此推薦HLA630—LJ—150為本站小機(jī)代表機(jī)型。

HLA630轉(zhuǎn)輪在天生橋二級電站、烏江渡電站擴(kuò)機(jī)、龍背灣等許多水電站已成功運行。

4 結(jié) 語

夾巖水利樞紐及黔西北供水工程是1座大型水利樞紐工程，其主要功能為供水、灌溉，雖然有很大的庫容，但是壩后電站裝機(jī)容量并不大，保證出力也不高，電站主要是在下放生態(tài)流量時進(jìn)行發(fā)電，豐水期也可以多發(fā)季節(jié)性電量；因此在裝機(jī)方案選擇時著重考慮了機(jī)組長時間運行的高效穩(wěn)定性。采用大小機(jī)搭配的方案，使小機(jī)能夠有較好的運行范圍，同時大小機(jī)的搭配也涵蓋了混流式機(jī)組的穩(wěn)定運行范圍。至于機(jī)組選型方面，由于水頭變幅較大，因此著重分析了水頭段出現(xiàn)的幾率，保證機(jī)組在長期運行的水頭范圍內(nèi)有較優(yōu)的運行工況，選擇了本水頭段具有代表性的轉(zhuǎn)輪。