安 剛

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000)

1 工程概況

公格爾水電站是蓋孜河流域梯級(jí)開發(fā)的第一級(jí)電站，是蓋孜河梯級(jí)開發(fā)的龍頭水庫工程，位于新疆維吾爾自治區(qū)克孜勒蘇柯爾克孜州阿克陶縣境內(nèi)。電站采用壩后引水式開發(fā)，裝機(jī)容量為200 MW，工程開發(fā)任務(wù)是灌溉、發(fā)電和防洪。電站在系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用和部分基荷運(yùn)行任務(wù)，主要由大壩、溢洪道、導(dǎo)流兼泄洪沖沙洞、發(fā)電引水系統(tǒng)(設(shè)置調(diào)壓井)、壓力管道(一管三機(jī)，約18 km)和地面電站廠房等建筑物組成。

2 電站基本參數(shù)

水庫正常蓄水位3 290.0 m，死水位3 280.0 m，調(diào)節(jié)性能為不完全多年調(diào)節(jié)。最高尾水位2 627.34 m，正常尾水位(3臺(tái)機(jī)滿發(fā))2 625.49 m；最大水頭(毛水頭)665 m，加權(quán)平均水頭(凈水頭)632.6 m，額定水頭(凈水頭)607.0 m，最小水頭(凈水頭)607.0 m；多年平均懸移質(zhì)含沙量(天然河道)1.181 9 kg/m3。

電站裝機(jī)容量200 MW，多年平均年發(fā)電量6.7億kW·h，年利用小時(shí)數(shù)3 350 h，保證出力71.5 MW。

3 水輪機(jī)的選擇

水斗式水輪機(jī)以其使用水頭高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于高水頭水電站。目前，水頭超過450 m左右的水電站大多采用水斗式水輪機(jī)。水斗式水輪機(jī)的流量與轉(zhuǎn)輪直徑無關(guān)，僅和射流直徑有關(guān)。因此，和反擊式水輪機(jī)不同，同一個(gè)型號(hào)的水斗式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，根據(jù)電站的實(shí)際情況選擇合理的轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)速和射流直徑就可以在很大的水頭范圍內(nèi)獲得良好的水輪機(jī)能量性能。這一點(diǎn)從理論上和實(shí)踐上都得到了很好的證明。

在能量性能得到保證的同時(shí)，保證水斗具有足夠的強(qiáng)度更為重要。根據(jù)對(duì)水斗各斷面應(yīng)力的分析和計(jì)算，水斗應(yīng)力與水斗轉(zhuǎn)輪直徑和單個(gè)射流直徑的比值(m值)有關(guān)。在同樣水頭下，m越大，應(yīng)力越低；m越小，應(yīng)力越高；即在保持水斗同樣應(yīng)力的情況下，高水頭必須選擇大的m值，低水頭m值可取小一些。因此從轉(zhuǎn)輪強(qiáng)度看，同一個(gè)型號(hào)的水斗式轉(zhuǎn)輪，也可在很大的水頭范圍內(nèi)安全運(yùn)行。

但是，在電站參數(shù)已定的情況下，大m值對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)輪直徑大，水輪機(jī)尺寸也大，工程造價(jià)就高，反之亦然。因此在水輪機(jī)選型和確定水輪機(jī)各參數(shù)時(shí)，應(yīng)根據(jù)強(qiáng)度、能量性能和工程造價(jià)選擇合理的數(shù)值(見表1)。

表1 國內(nèi)大型水斗式水輪機(jī)統(tǒng)計(jì)

(1)轉(zhuǎn)輪

轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的心臟，是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，轉(zhuǎn)輪的特性對(duì)水輪機(jī)性能的好壞起著決定性的作用。通過對(duì)公格爾水電站機(jī)組參數(shù)詳細(xì)分析和計(jì)算，選用了奧地利安德里茨(ANDRITZ)集團(tuán)的進(jìn)口整鍛轉(zhuǎn)輪及配套噴嘴和噴針。模型轉(zhuǎn)輪采用(PV6)，水輪機(jī)參數(shù)如下所示(見表2)。

表2 水輪機(jī)參數(shù)

轉(zhuǎn)輪及斗葉都是由 X—3CrNiMo134不銹鋼整體鍛造出來。由于轉(zhuǎn)輪采用整體鍛造，斗葉通過數(shù)控銑床銑出，故其材質(zhì)要比鑄造品質(zhì)要好很多，整鍛轉(zhuǎn)輪及水斗幾乎不存在任何缺陷，具有良好的抗疲勞性能，能夠有效地防止轉(zhuǎn)輪斗葉的斷斗和掉塊現(xiàn)象的發(fā)生(見圖1)。

(2)噴嘴裝配

每臺(tái)機(jī)包含6個(gè)噴嘴，噴嘴為直流式，配內(nèi)置式接力器。在安裝階段，可以通過調(diào)節(jié)法蘭調(diào)整噴嘴的位置，整個(gè)噴嘴可以從配水環(huán)管上拆除和檢修，噴針頭和噴嘴口環(huán)噴有碳化鎢抗磨涂層(或等同材料)，噴涂后的部件可以有效地延長(zhǎng)使用壽命。噴嘴設(shè)有保護(hù)板，可使其不受濺流的沖擊。折向器由油壓操作，在緊急關(guān)機(jī)時(shí)動(dòng)作。折向器的接力器為雙向，開啟為油壓作用，由彈簧關(guān)閉(見表3)。

表3 噴嘴裝配主要材料

(3)配水環(huán)管

配水環(huán)管采用可焊性好的高強(qiáng)度鋼板WDL610D制作，采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，將根據(jù)運(yùn)輸條件限制進(jìn)行分瓣運(yùn)輸，配水環(huán)管上預(yù)留現(xiàn)場(chǎng)組焊所需的精加工焊縫坡口。配水環(huán)管將在廠內(nèi)進(jìn)行預(yù)裝。配水環(huán)管的設(shè)計(jì)壓力為800 m，采用保壓澆注。

(4)機(jī)殼及轉(zhuǎn)輪室

機(jī)殼采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，機(jī)殼上部設(shè)有機(jī)殼蓋，機(jī)殼蓋現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)后焊接固定在機(jī)殼上，機(jī)殼蓋上裝有水導(dǎo)軸承支座。機(jī)殼上設(shè)有裝拆轉(zhuǎn)輪和噴嘴的吊具，機(jī)殼底采用全鋼襯結(jié)構(gòu)。在尾水出流方向，機(jī)殼下緣和最高機(jī)坑水位之間保證有必要的通氣高度。為滿足運(yùn)輸和便于安裝，機(jī)殼分為兩瓣，現(xiàn)場(chǎng)螺栓把合。

轉(zhuǎn)輪室至球閥層設(shè)置寬3.4 m的轉(zhuǎn)輪運(yùn)輸通道、密封門和軌道，轉(zhuǎn)輪室底部設(shè)有平水柵。

(5)水導(dǎo)軸承

水導(dǎo)軸承采用6塊瓦、巴氏合金瓦襯、稀油自循環(huán)潤(rùn)滑軸承，其軸瓦材料為Q345C和巴氏合金。

4 水輪機(jī)補(bǔ)氣措施

由于水斗式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的通風(fēng)效應(yīng)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室內(nèi)可能出現(xiàn)幾種壓力。水輪機(jī)在運(yùn)行過程中由于水流從轉(zhuǎn)輪上跌落排出，將在轉(zhuǎn)輪室產(chǎn)生真空而影響水輪機(jī)效率；為了避免機(jī)殼內(nèi)出現(xiàn)不良的運(yùn)行工況，必需采取補(bǔ)氣的方法將機(jī)殼內(nèi)的壓力與大氣應(yīng)力進(jìn)行平衡。

從轉(zhuǎn)輪室到尾水渠之間設(shè)6根DN200埋管，埋管離轉(zhuǎn)輪室有足夠的距離。管道的供氣量為水輪機(jī)最大流量的20%～30%，空氣流速控制在20～30 m/s，6個(gè)噴嘴補(bǔ)氣管對(duì)稱布置，自然補(bǔ)氣。

另外，在水輪機(jī)導(dǎo)軸承的周圍空間設(shè)置額外的2根DN150中心補(bǔ)氣孔補(bǔ)氣管。

5 結(jié) 語

截止目前，公格爾水電站已安全穩(wěn)定運(yùn)行4 a，累計(jì)發(fā)電量約30億kW·h，為邊疆地區(qū)發(fā)展創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。工程建設(shè)過程中積累了許多高水頭水輪發(fā)電機(jī)組制造、設(shè)計(jì)、安裝、運(yùn)行等方面經(jīng)驗(yàn)，希望對(duì)國內(nèi)水斗式水輪機(jī)應(yīng)用選型時(shí)提供一定的借鑒參考。