黃正財(cái),鄭錄艷,楊 超,張建勛

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽(yáng) 550002)

1 概述

1.1 工程概況

壩王河是珠江流域紅水河水系蒙江的一級(jí)支流，發(fā)源于貴州省惠水縣甲烈鄉(xiāng)北面，發(fā)源地高程為1 503 m，壩王河全流域集水面積為2 351 km，河流全長(zhǎng)為162.2 km，總落差為1 246 m，壩王河現(xiàn)狀水力資源可開(kāi)發(fā)潛力較大。加快壩王河流域水能資源開(kāi)發(fā)利用，盡快將資源優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展十分必要。根據(jù)《壩王河流域綜合規(guī)劃》確定的壩王河干流的開(kāi)發(fā)方案：平寨(1 065 m)+楊家灣(986 m)+小井(812.9 m)+柏林(415 m)。小井水電站的水頭最高，指標(biāo)最好，但水量必須依靠壩王河白紙廠河段、清水河支流的來(lái)水進(jìn)行發(fā)電。

小井水電站工程壩址為貴州省平塘縣塘邊鎮(zhèn)擺細(xì)寨，廠址位于羅甸縣董當(dāng)鄉(xiāng)大井村；與之配套建設(shè)的小井引水工程位于平塘縣克度鎮(zhèn)境內(nèi)。小井水電站工程總布置：擺細(xì)壩+播團(tuán)引水隧洞+取水口+引水隧洞+壓力前池+壓力鋼管+發(fā)電廠房+升壓站等部分組成，水電站裝機(jī)規(guī)模為90 MW，小井水電站工程總布置示意如圖1所示。

圖1 小井水電站工程總布置示意

1.2 電站基本參數(shù)

小井水電站水能參數(shù)見(jiàn)表1所示。

表1 小井水電站水能參數(shù)

2 裝機(jī)方案選擇

電站機(jī)組型號(hào)及臺(tái)數(shù)的選擇原則考慮機(jī)組運(yùn)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。小井水電站基本屬于徑流式水電站，無(wú)流量調(diào)節(jié)，故在裝機(jī)方案的選擇時(shí)應(yīng)著重考慮機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行范圍、調(diào)度靈活性、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)便和投資經(jīng)濟(jì)性。

本電站額定水頭Hr=369.0 m，本水頭段可采用沖擊式水輪機(jī)或混流式水輪機(jī)。由于電站保證出力不高為3.56 MW，如考慮以保證出力發(fā)電，則電站單機(jī)容量較小或采用大小機(jī)匹配方案，為滿足機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行范圍和能覆蓋所有出力范圍，均需較多且單機(jī)容量不同的機(jī)組臺(tái)數(shù)進(jìn)行搭配，這將對(duì)廠房布置、運(yùn)行方式及投資均產(chǎn)生不利因素。

沖擊式水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍為25%～100%出力，混流式水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍為45%～100%出力。本站若采用沖擊式機(jī)組，則需小機(jī)容量為13 MW；若采用混流式機(jī)組，則需小機(jī)容量為7.5 MW，因此，電站要達(dá)到90 MW裝機(jī)規(guī)模，則裝機(jī)臺(tái)數(shù)較多，裝機(jī)方案復(fù)雜?？梢?jiàn)，若要以保證出力發(fā)電，則電站裝機(jī)臺(tái)數(shù)多方案復(fù)雜，設(shè)備及土建投資大，電站運(yùn)行維護(hù)工作較重。由于本電站為長(zhǎng)隧洞無(wú)壓引水至前池，隧洞有37 338 m3的調(diào)節(jié)容量，前池有3 250 m3的調(diào)節(jié)容量，因此，可考慮利用引水系統(tǒng)進(jìn)行流量調(diào)節(jié)以改變機(jī)組的運(yùn)行方式，經(jīng)計(jì)算分析，選用2×37 MW+1×16 MW裝機(jī)方案是合理的。

分別進(jìn)行沖擊式與混流式進(jìn)行比較，沖擊式以CJA475轉(zhuǎn)輪為例，混流式以HL(C)、HL(EF)轉(zhuǎn)輪為例，其技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較見(jiàn)表2。

表2 不同機(jī)型技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較 萬(wàn)元

從技術(shù)方面分析：如采用混流式機(jī)組，小機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行45%出力需2.2 m3/s的流量，據(jù)水文專業(yè)統(tǒng)計(jì)，天然來(lái)水量大于2.2 m3/s的占長(zhǎng)系列(48 a)的65%，此時(shí)機(jī)組能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。由于本電站裝機(jī)容量不大，在電網(wǎng)中不起決定性作用，當(dāng)天然來(lái)水量小于2.2 m3/s時(shí)，考慮利用隧洞及前池蓄水后發(fā)電，天然來(lái)流量為0.73 m3/s時(shí)，小機(jī)每天按45%出力發(fā)電可運(yùn)行8 h；天然來(lái)水量為1.1 m3/s時(shí)，小機(jī)每天按45%出力發(fā)電可運(yùn)行12 h，以上工況歷時(shí)較短。另外混流式機(jī)組效率較沖擊式機(jī)組高2%左右，能提高發(fā)電效益。

從經(jīng)濟(jì)方面分析：沖擊式與混流式方案的水機(jī)設(shè)備價(jià)差為1 454萬(wàn)元，廠房土建和引水系統(tǒng)造價(jià)增加420萬(wàn)元，沖擊式方案的工程總造價(jià)比混流式方案高1 874萬(wàn)元。

經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，本電站采用2×37 MW+1×16 MW的混流式裝機(jī)方案是合理的。

3 水輪機(jī)選擇

3.1 比轉(zhuǎn)速和比速系數(shù)的選擇

比轉(zhuǎn)速ns是水輪機(jī)的一個(gè)基本特征參數(shù)，綜合反映了水輪機(jī)的能量、空化、效率等特性。通過(guò)國(guó)內(nèi)外常用的水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)的統(tǒng)計(jì)公式，計(jì)算本電站比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)見(jiàn)表3。

表3 比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)統(tǒng)計(jì)公式

根據(jù)表3統(tǒng)計(jì)，可以看出，本電站的比轉(zhuǎn)速在106.6～163.2 m·kW之間，比速系數(shù)在2 047.9～3 135之間，結(jié)合與部分制造廠商的技術(shù)交流情況，考慮到本電站的單機(jī)容量、轉(zhuǎn)速與制造難度，電站的含沙量較高，推薦本電站水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)值如下：

37 MW：比轉(zhuǎn)速72≤ns≤91 m·kW；比速系數(shù) 1 383≤k≤1 748。

16 MW：比轉(zhuǎn)速60≤ns≤80 m·kW；比速系數(shù) 1 153≤k≤153。

3.2 單位轉(zhuǎn)速和單位流量選擇

水輪機(jī)的單位流量和單位轉(zhuǎn)速是一個(gè)重要的能量指標(biāo)。提高單位流量和單位轉(zhuǎn)速，可以減小水輪發(fā)電機(jī)組的尺寸和重量，但過(guò)大的單位流量會(huì)造成流道內(nèi)流速增加，降低轉(zhuǎn)輪的空化性能；單位轉(zhuǎn)速過(guò)高會(huì)增加轉(zhuǎn)輪出口相對(duì)流速，因此，流道內(nèi)壓力降低，對(duì)水輪機(jī)的空化性能和運(yùn)行的穩(wěn)定性不利。單位流量和單位轉(zhuǎn)速的統(tǒng)計(jì)公式見(jiàn)表4。

表4 單位流量和單位轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)

結(jié)合本電站的實(shí)際情況，從該水頭段常用的轉(zhuǎn)輪模型可知。本電站水輪機(jī)預(yù)想的額定工況單位轉(zhuǎn)速為60～65 r/min，單位流量在0.150～0.350 m3/s比較合適。

3.3 水輪機(jī)效率的選擇

結(jié)合該水頭段一些優(yōu)秀的模型特性曲線可以得出，本電站水輪機(jī)模型最高效率應(yīng)不低于92.5%，真機(jī)最高效率應(yīng)不低于93.5%，額定工況時(shí)模型效率應(yīng)不低于91.0%，真機(jī)效率應(yīng)不低于92.0%。

3.4 水輪機(jī)模型空蝕系數(shù)σm和電站裝置氣蝕系數(shù)σZ的初選

水輪機(jī)空化性能直接影響電站土建工程量、投資、機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行、檢修周期等，為控制廠房土建工程量，可適當(dāng)增大水輪機(jī)模型空蝕系數(shù)。高水頭水電站在計(jì)算吸出高度時(shí)，通常裝置氣蝕系數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。

裝置氣蝕系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式：

σZ=(n11/360)2+(Q11/3.3)2

(1)

式中n11為水輪機(jī)單位轉(zhuǎn)速；Q11為水輪機(jī)單位流量。

3.5 模型轉(zhuǎn)輪比選

由于本電站水頭高，適合的轉(zhuǎn)輪并不多，主要有HLA351、HLA542、HL(C)、HL(EF)、HLA179、HLD238、HLD381B等。其中，HLA351轉(zhuǎn)輪使用在魯布革水電站、落生水電站、大七孔水電站和響水水電站等；HLA542為針對(duì)漁子溪水電站的改進(jìn)型，也使用在黔西石板塘水電站；HLD381B、HL(C)、HL(E)、HL(F)、HL(EF)在小天都水電站、冷竹關(guān)水電站、自一里水電站、金康水電站、柳洪水電站、天龍湖水電站、蘇家河口水電站、多諾水電站等使用，有不錯(cuò)的運(yùn)行業(yè)績(jī)。

優(yōu)選具有代表性的HLA351、HLA542、HL(C)、HL(EF)轉(zhuǎn)輪，其模型主要參數(shù)見(jiàn)表5～6。

表5 水輪機(jī)模型參數(shù)(1)

表6 水輪機(jī)模型參數(shù)(2)

在機(jī)組選型計(jì)算過(guò)程中，重點(diǎn)計(jì)算比較了機(jī)組穩(wěn)定性、能量指標(biāo)、氣蝕性能、運(yùn)行工況、額定轉(zhuǎn)速以及廠房尺寸等。根據(jù)電站水能參數(shù)和水輪機(jī)模型參數(shù)，運(yùn)用相關(guān)參數(shù)計(jì)算公式可算得相應(yīng)原型水輪機(jī)相關(guān)參數(shù)。

原型水輪機(jī)直徑計(jì)算公式：

D1=(Nr/(9.81×η×Q1×Hr3/2))1/2

(2)

式中Nr為機(jī)組額定容量；η為水輪機(jī)模型限制工況下效率(含修正值)；Q1為水輪機(jī)模型限制工況下單位流量；Hr為水輪機(jī)額定水頭。

原型水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：

n=n10×(Ha)1/2/D1

(3)

式中n10為水輪機(jī)模型最優(yōu)工況單位轉(zhuǎn)速；Ha為水輪機(jī)加權(quán)平均水頭；D1為原型水輪機(jī)直徑。

由于本電站水頭變幅不大，因此，僅列出額定水頭參數(shù)比較見(jiàn)表7～8。

由表7結(jié)果可以看出，37 MW機(jī)組方案3采用HL(C)-LJ-198，轉(zhuǎn)速600 r/min，其余方案為750 r/min，方案3轉(zhuǎn)速低，雖然機(jī)組尺寸大、重量重一些，但是在高轉(zhuǎn)速機(jī)組中，600 r/min比750 r/min制造難度低，因此，從機(jī)組造價(jià)考慮，方案3的機(jī)組單位重量?jī)r(jià)低，總價(jià)差別不大。

表7 37 MW機(jī)型主要特征參數(shù)比較

從能量指標(biāo)分析：所選幾種轉(zhuǎn)輪的模型最高效率和額定水頭工況下的效率相差不大。根據(jù)國(guó)內(nèi)電站機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，額定工況下轉(zhuǎn)輪葉片出口相對(duì)流速應(yīng)小于38～40 m/s，最小水頭、導(dǎo)葉全開(kāi)工況下，轉(zhuǎn)輪葉片出口相對(duì)流速小于34 m/s；方案3滿足要求。

從空蝕性能分析：3個(gè)方案的最小吸出高度分別為-3.5 m、-3.0 m、-2.5 m，相差不大。

從運(yùn)行范圍分析：3個(gè)方案的運(yùn)行范圍都較好，基本處于模型綜合特性曲線最優(yōu)區(qū)運(yùn)行，而且效率在90%以上運(yùn)行的范圍最寬，45%以上出力的運(yùn)行范圍較好。

經(jīng)綜合比較，HL(C)-LJ-198具有很好的能量指標(biāo)和運(yùn)行工況，同時(shí)比轉(zhuǎn)速較低，轉(zhuǎn)輪出口圓周速度為33.9 m/s，吸出高度便于控制廠房土建及樞紐布置投資，因此，推薦為本電站37 MW機(jī)組代表機(jī)型。

由表8結(jié)果可以看出，16 MW機(jī)組3個(gè)方案轉(zhuǎn)速均為1 000 r/min，因此，從機(jī)組造價(jià)考慮，總價(jià)差別不大。

表8 16 MW機(jī)型主要特征參數(shù)比較

從能量指標(biāo)分析：所選幾種轉(zhuǎn)輪的模型最高效率、額定水頭工況下效率和轉(zhuǎn)輪葉片出口相對(duì)流速方案3較優(yōu)。

從空蝕性能分析：3個(gè)方案的最小吸出高度分別為-1.5 m、-2.0 m、-3.6 m，方案3較差。

從運(yùn)行范圍分析：方案2、3的運(yùn)行范圍最好，基本在模型綜合特性曲線的最優(yōu)區(qū)運(yùn)行，而且效率在90%以上運(yùn)行的范圍最寬，45%以上出力的運(yùn)行范圍較好。

經(jīng)綜合比較，HL(EF)-LJ-115具有很好的能量指標(biāo)和運(yùn)行工況，同時(shí)轉(zhuǎn)輪出口圓周速度相對(duì)較低，因此，推薦為本電站16 MW機(jī)組代表機(jī)型。

3.6 水輪機(jī)選型推薦意見(jiàn)

經(jīng)過(guò)對(duì)本電站水輪機(jī)各機(jī)型的能量指標(biāo)、空蝕性能、機(jī)組造價(jià)及運(yùn)行范圍等各方面選型綜合分析，本電站推薦水輪機(jī)主要參數(shù)見(jiàn)表9。

表9 推薦水輪機(jī)主要參數(shù)

3.7 檢驗(yàn)所選水輪機(jī)的實(shí)際工作范圍

根據(jù)計(jì)算所得相關(guān)參數(shù)，按最大水頭、額定水頭及最小水頭工況下計(jì)算水輪機(jī)單位轉(zhuǎn)速n1′(見(jiàn)公式4)及單位流量Q1′(見(jiàn)公式5)，在轉(zhuǎn)輪運(yùn)行范圍圖上繪模型轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行范圍(如圖2～3所示)，并繪制大機(jī)(37 MW)和小機(jī)(16 MW)水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線(如圖4～5所示)。

(4)

式中n為原型水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速；H0為相對(duì)應(yīng)的最大水頭、最小水頭和額定水頭；D1為原型水輪機(jī)直徑。

Q1′×η=Nr/(9.81×D12×H03/2)

(5)

式中Nr為機(jī)組額定容量；H0為相對(duì)應(yīng)的最大水頭、最小水頭和額定水頭；D1為原型水輪機(jī)直徑；η模型范圍圖中效率。

從推薦水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪運(yùn)行范圍及運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線(如圖2～5)看出，本電站所選37 MW及16 MW原型水輪機(jī)均處于范圍曲線高效區(qū)，檢驗(yàn)得所選原型水輪機(jī)選型合理。

圖2 HL(C)-LJ-198水輪機(jī)運(yùn)行范圍示意

圖3 HL(EF)-LJ-115水輪機(jī)運(yùn)行范圍示意

圖4 HL(C)-LJ-198水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線示意

圖5 HL(EF)-LJ-115水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線示意

4 結(jié)語(yǔ)

壩王河小井水電站是一座引水式電站，具有高水頭低保證出力和長(zhǎng)引水隧洞等特點(diǎn)。在裝機(jī)方案選擇時(shí)，若單一以保證出力作為裝機(jī)方案選擇原則，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)裝機(jī)臺(tái)數(shù)較多，裝機(jī)方案復(fù)雜、電站投資大和運(yùn)行維護(hù)工作繁瑣等問(wèn)題，若考慮利用長(zhǎng)引水系統(tǒng)及前池的大容積作為改變機(jī)組的運(yùn)行方式調(diào)節(jié)手段，能有效解決相關(guān)問(wèn)題且最大限度增加電站發(fā)電量。

在水輪機(jī)型號(hào)選擇時(shí)，以沖擊式水輪機(jī)和混流式水輪機(jī)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)綜合比選，混流式機(jī)組在能量指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)投資均優(yōu)于沖擊式機(jī)組，選擇混流式機(jī)組作為本站代表機(jī)型是合理的。

在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪選擇時(shí)，運(yùn)用水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns及比速系數(shù)K的統(tǒng)計(jì)公式、單位流量Q11和單位轉(zhuǎn)速n11的統(tǒng)計(jì)公式以及水輪機(jī)模型空蝕系數(shù)σm和電站裝置氣蝕系數(shù)σZ相關(guān)公式，可以初選適合于本電站水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速、比速系數(shù)、單位流量、單位轉(zhuǎn)速、模型效率和空蝕系數(shù)等能量參數(shù)取值范圍，再結(jié)合適用于本站水頭段的并有較好運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的優(yōu)質(zhì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行詳細(xì)的選型計(jì)算，得出所選原型水輪機(jī)相關(guān)參數(shù)，并通過(guò)公式計(jì)算檢驗(yàn)其在各水頭工況下水輪機(jī)運(yùn)行范圍，從而選擇運(yùn)行高效區(qū)寬，額定水頭及加權(quán)平均水頭下效率高和轉(zhuǎn)輪葉片出口流速好的水輪機(jī)。

水能作為清潔能源在我國(guó)資源較為豐富，水能開(kāi)發(fā)方式各具自身特點(diǎn)，應(yīng)考慮綜合分析各項(xiàng)指標(biāo)的設(shè)計(jì)思路，選擇適合于自身特點(diǎn)的機(jī)組能充分發(fā)揮其水能效益。