李樹剛，馬經(jīng)童，徐志軍，趙亞男

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

1 電站概況

蓋下壩水電站位于重慶市云陽(yáng)縣云峰鄉(xiāng)境內(nèi)的長(zhǎng)江南岸的一級(jí)支流長(zhǎng)灘河上。本工程是長(zhǎng)灘河流域梯級(jí)開發(fā)的龍頭電站。電站為引水式電站，是以發(fā)電為主，兼顧防洪、旅游等綜合利用的大型水電工程。電站由水庫(kù)、引水系統(tǒng)、廠房、地面開關(guān)站及副廠房組成。引水系統(tǒng)采用1洞3機(jī)的布置方式，設(shè)有上游調(diào)壓井?？傃b機(jī)容量120 MW，裝設(shè)3臺(tái)單機(jī)容量為40 MW的立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組。電站建成后承擔(dān)重慶市電網(wǎng)的調(diào)峰和事故備用任務(wù)。

2 電站基本參數(shù)

2.1 水輪機(jī)凈水頭

最大水頭183.3 m

額定水頭157.0 m

最小水頭132.2 m

2.2 泥沙特性

壩址多年平均懸移質(zhì)輸沙量為118.9×104t，多年平均推移質(zhì)輸沙量估算按多年平均懸移質(zhì)輸沙量的20%計(jì)，為23.8×104t。多年平均懸移質(zhì)含沙量為1.18 kg/m3。

3 機(jī)組臺(tái)數(shù)和單機(jī)容量的選擇

電站總裝機(jī)容量120 MW?？尚行匝芯吭O(shè)計(jì)階段對(duì)2臺(tái)×60 MW、3臺(tái)×40 MW、4臺(tái)×30 MW3個(gè)機(jī)組臺(tái)數(shù)方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選，比選結(jié)果見表1。

表1 機(jī)組臺(tái)數(shù)方案比選結(jié)果

由表1中可以看出：

投資情況：2臺(tái)機(jī)方案投資最少，3臺(tái)機(jī)方案較2臺(tái)機(jī)多571萬(wàn)元，4臺(tái)機(jī)方案較2臺(tái)機(jī)多1 092萬(wàn)元；年平均電能情況：2臺(tái)機(jī)方案年平均電能最少，3臺(tái)機(jī)方案較2臺(tái)機(jī)多543×104kW·h，4臺(tái)機(jī)方案較2臺(tái)機(jī)多425×104kW·h，3臺(tái)機(jī)方案最好。

電力系統(tǒng)情況：本電站裝機(jī)容量為120 MW，占電力系統(tǒng)容量比重較小，當(dāng)1臺(tái)機(jī)組故障和檢修時(shí)，各方案對(duì)系統(tǒng)影響均較小。樞紐布置條件：機(jī)組臺(tái)數(shù)為2臺(tái)、3臺(tái)、4臺(tái)時(shí)，均對(duì)樞紐布置影響較小，3個(gè)方案都是可行的。機(jī)組設(shè)備制造能力和技術(shù)水平：3個(gè)方案的機(jī)組在制造方面均不存在制約因素；國(guó)內(nèi)的機(jī)組制造廠家的技術(shù)水平和加工能力能夠滿足各方案機(jī)組的要求。機(jī)組大、重件的運(yùn)輸要求：機(jī)組臺(tái)數(shù)為2臺(tái)、3臺(tái)、4臺(tái)時(shí)，單機(jī)容量分別為60 MW、40 MW、30 MW。各個(gè)方案的機(jī)組大、重件的運(yùn)輸要求均不會(huì)對(duì)外交通形成制約因素。

綜合以上因素，特別是從機(jī)組運(yùn)行的靈活性和工程投資的經(jīng)濟(jì)性綜合分析比較，可行性研究設(shè)計(jì)階段推薦采用3臺(tái)×40 MW方案。

4 水輪機(jī)型式及預(yù)期參數(shù)選擇

4.1 水輪機(jī)型式選擇

本電站運(yùn)行水頭范圍為132.2～183.3 m，適合選用立軸混流式水輪機(jī)。

4.2 水輪機(jī)預(yù)期參數(shù)

（1）水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速

比轉(zhuǎn)速ns是水輪機(jī)的重要特征參數(shù)之一，它表征水輪機(jī)的綜合經(jīng)濟(jì)技術(shù)水平，應(yīng)結(jié)合電站的具體情況合理選擇。

各類統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算的蓋下壩水電站水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速結(jié)果見表2。

表2 各類統(tǒng)計(jì)公式計(jì)算的水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速結(jié)果

國(guó)內(nèi)外與蓋下壩水電站水頭段相近的水輪機(jī)參數(shù)見表3。

表3 國(guó)內(nèi)外與蓋下壩水電站水頭段相近的水輪機(jī)參數(shù)

根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外水輪機(jī)的實(shí)際設(shè)計(jì)制造水平和國(guó)內(nèi)外已運(yùn)行電站機(jī)組的統(tǒng)計(jì)資料（混流式水輪機(jī)水頭與比轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線見圖1），本電站額定水頭Hr=157 m，可取比轉(zhuǎn)速 ns=170～180 m·kW，比速系數(shù)K=2 130～2 255?？紤]本電站水頭變幅較大的具體情況和運(yùn)行特點(diǎn)，本設(shè)計(jì)階段估取水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns≈170 m·kW，相應(yīng)比速系數(shù)K≥2 130。

圖1 大型混流式水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速隨水頭變化關(guān)系曲線

（2）水輪機(jī)效率

根據(jù)當(dāng)前國(guó)內(nèi)、外水輪機(jī)的實(shí)際設(shè)計(jì)制造水平，并參考已經(jīng)得到的咨詢資料，力求水輪機(jī)具有寬廣的高效區(qū)范圍和較高的加權(quán)平均效率，同時(shí)要求水輪機(jī)額定效率不低于92.5%，最高效率不低于93.5%。

（3）水輪機(jī)單位轉(zhuǎn)速和單位流量

額定工況點(diǎn)確定以后，單位轉(zhuǎn)速n1’及單位流量Q1’的匹配將影響電站的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，參考表3所列電站的單位轉(zhuǎn)速值，對(duì)比統(tǒng)計(jì)公式的計(jì)算結(jié)果及參考電站資料，并結(jié)合蓋下壩水電站水輪機(jī)的運(yùn)行條件進(jìn)行綜合分析比較，在本設(shè)計(jì)階段取額定點(diǎn)單位轉(zhuǎn)速72 r/min，單位流量0.69 m3/s。

（4）水輪機(jī)空蝕

水輪機(jī)裝置空蝕性能和水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速有關(guān)，根據(jù)不同經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的本電站水輪機(jī)裝置空蝕系數(shù)如表4。

表4 不同經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出的本電站水輪機(jī)裝置空蝕系數(shù)表

電站使用的裝置系數(shù)與水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速有關(guān)，根據(jù)在電站統(tǒng)計(jì)資料基礎(chǔ)上總結(jié)分析得出的統(tǒng)計(jì)公式及已統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)外混流式水輪機(jī)σy～ns關(guān)系曲線（見圖2）?？紤]本電站地質(zhì)條件和廠房開挖情況，取裝置空蝕系數(shù)σy＝0.10。

圖2 混流式水輪機(jī)σy～ns關(guān)系曲線

綜上所述，取水輪機(jī)預(yù)期參數(shù)如表5：

表5 水輪機(jī)預(yù)期參數(shù)

5 原型水輪機(jī)參數(shù)選擇

5.1 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的選擇

通過咨詢國(guó)內(nèi)主要水輪機(jī)制造廠家，適合于本電站的轉(zhuǎn)輪主要有HLA692、HLA575C、HL160/D46、HLJF2062、HLA685等，轉(zhuǎn)輪的模型主要參數(shù)見表6。

表6 適合于本電站的轉(zhuǎn)輪模型參數(shù)

從表6中可以看出：HLA575轉(zhuǎn)輪單位流量小，效率也不是很高；HLA692轉(zhuǎn)輪空蝕性能最差，單位流量較??；HL160/D46轉(zhuǎn)輪空蝕性能最好，但效率偏低；HLJF2062轉(zhuǎn)輪效率較高，空蝕性能較好，單位流量也較大；HLA685轉(zhuǎn)輪效率較高，空蝕性能較好，單位流量最大。根據(jù)現(xiàn)有資料，HLJF2062與HLA685轉(zhuǎn)輪的整體性能基本相當(dāng)，考慮2個(gè)轉(zhuǎn)輪的實(shí)際使用情況，經(jīng)綜合分析比較，可研階段暫按HLA685機(jī)型開展工作。

5.2 原型水輪機(jī)主要參數(shù)

可行性研究設(shè)計(jì)階段選用原型水輪機(jī)主要參數(shù)詳見表7。

表7 可行性研究設(shè)計(jì)階段選用水輪機(jī)主要參數(shù)表

5.3 水輪機(jī)安裝高程的確定

水輪機(jī)裝置空蝕系數(shù)的取用與多種因素有關(guān)，反映在統(tǒng)計(jì)值的分布規(guī)律很離散，因此各種統(tǒng)計(jì)公式僅能供參考之用。根據(jù)HLA685轉(zhuǎn)輪空蝕特性計(jì)算的吸出高度為-4.5 m（ 至水輪機(jī)導(dǎo)葉水平中心線高程）。按一臺(tái)機(jī)組發(fā)額定功率時(shí)的過流量所對(duì)應(yīng)的尾水位206.20 m確定水輪機(jī)的安裝高程為201.70 m（ 導(dǎo)葉水平中心線高程）。

6 結(jié)束語(yǔ)

類似蓋下壩水電站容量的中型機(jī)組，一般不會(huì)重新設(shè)計(jì)新的轉(zhuǎn)輪，基本是套用已研發(fā)的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。這就需要在設(shè)計(jì)過程中充分了解相近水頭的機(jī)組的使用情況，在設(shè)計(jì)中盡量處理好效率、空蝕性能和穩(wěn)定性的關(guān)系，以便電站在機(jī)組的采購(gòu)招標(biāo)過程中選用到合適的機(jī)組。在蓋下壩水電站選型設(shè)計(jì)時(shí)做了一些工作，不夠全面，不當(dāng)之處請(qǐng)專業(yè)同仁予以指正。