經(jīng)敏川

(新疆三一一水利水電勘察設計有限公司，新疆 烏魯木齊 830002)

新疆徑流式水電站大小機組配合選型探討

經(jīng)敏川

(新疆三一一水利水電勘察設計有限公司，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。徑流式水電站按照河道多年平均流量及獲得的水頭進行裝機容量選擇。本文通過開墾河三級水電站機組選型方案比較，選擇在不同轉(zhuǎn)輪直徑機組組合方案：當來水流量大于水電站水輪機過水能力時，水電站滿出力運行；流量不足時，機組根據(jù)來水情況可保證各機組在額定工況下獨立運行，提高水電站裝機容量利用率。這種裝機方式在徑流式水電站中具有典型意義，對類似水電站設計具有參考價值。

徑流式水電站；機組配合選型；探討

1 流域概況

開墾河是發(fā)源于天山東段博格達山脈的一條山溪性河流，整個水系由大東溝、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)為冰雪融水補給，中高山區(qū)為降水及暴雨洪水補給，中低山區(qū)為季節(jié)性融雪水及地下水補給。

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。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的代表年份，即豐水年(P=25%)對應流量Q=5.70m3/s，平水年(P=50%)對應流量Q=4.80m3/s，枯水年(P=75%)對應流量Q=4m3/s。

2 裝機容量

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；下游設計尾水位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計保證率75%。

2.1 水能計算

根據(jù)開墾河水文站48年實測徑流資料，選定三個設計代表年：豐水年P=25%、平水年P=50%、枯水年P=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-保證率關系曲線(見圖2)、出力-電量累積曲線(見圖3)。該水電站設計保證率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曲線

2.2 裝機容量確定

該水電站裝機容量選擇700kW、750kW、800kW三方案進行技術經(jīng)濟比較，從中選擇最佳裝機方案(見表1)。

表1 裝機容量方案比選 單位：元

從表1中各項參數(shù)可知，裝機容量為750kW時，多年平均發(fā)電量E年=264.48萬kW·h，裝機年利用小時數(shù)為3526h；若裝機容量減小，將放棄一部分流量，雖然裝機年利用小時數(shù)會有所增加，但發(fā)電量會減少，單位裝機投資會增加；如裝機容量增加，則裝機年利用小時數(shù)下降較多，機組運行效率將受到影響，不符合規(guī)范要求。從經(jīng)濟凈現(xiàn)值看，方案二的經(jīng)濟凈現(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，更應充分考慮地區(qū)電網(wǎng)中電力日負荷特性對水電站發(fā)電量的影響，單純從水能角度進行計算，所求得的水能指標只是理論值，與實際情況有差距，另外，發(fā)電量以旬為時段計算的成果稍偏大。綜合以上因素把理論發(fā)電量乘以折減系數(shù)0.95，實際發(fā)電量為251.26萬kW·h(E設=0.95E=0.95×264.48 =251.26萬kW·h)。

3 機組選型

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

3.1 機組組合選擇

根據(jù)水能計算特性，對裝機1×750kW和1×500kW+1×250kW兩種方案進行比較(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，采用一大一小機組可使每臺機組都能高效率工作，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)電機組和1臺250kW的水輪發(fā)電機組，總裝機容量為750kW。

3.2 水輪機轉(zhuǎn)輪直徑確定

根據(jù)該水電站的設計水頭和單機額定容量，結(jié)合水輪機制造廠的產(chǎn)品資料，選用臥軸混流式水輪機，以HLA551-WJ-71水輪機為例進行計算。

表2 機組組合比較

圖4 HLA551型水輪機模型綜合特性曲線

式中D1——水輪機轉(zhuǎn)輪直徑，m；

Nr——水輪機的額定出力，532kW；

Hr——水輪機的設計水頭，22.30m；

η——原型水輪機在限制工況下的效率，90.70%。

經(jīng)計算轉(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 計算水輪機轉(zhuǎn)速確定

a. 水輪機最高效率按下式計算：

式中ηmax——原型水輪機的最高效率；

ηMmax——模型水輪機的最高效率，92.70%；

D1M——模型水輪機的轉(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)速修正值按下式計算：

c.水輪機轉(zhuǎn)速按下式計算：

根據(jù)水輪發(fā)電機標準同步轉(zhuǎn)速，選用n=500r/min。

3.4 工作范圍驗算

=1.13<1.25(m3/s)，

則水輪機的最大引用流量Qmax為

=75.17(r/min)；

在最大水頭Hmax=23.28m時

=73.58(r/min)；

在最小水頭Hmin=21.83m時

3.5 機組吸出高度Hs和安裝高程Z安

式中Hs——水輪機的吸出高，m；

Δ——水輪機安裝處的海拔高程，1318.95m；

K——安全系數(shù)，1.2。

當1臺水輪機50%的額定流量為0.70m3/s時，設計尾水位Zw=1324.15m，則安裝高程為

圖5 HLA551型水輪機工作范圍初步檢驗

Z1安=Zw+Hs-0.5D1=1326.295m(大號機組)

式中Hs——水輪機的吸出高，m；

D1——機組水輪機轉(zhuǎn)輪直徑，0.5m。

3.6 發(fā)電機選型

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

表3 發(fā)電機技術參數(shù)

4 結(jié) 語

該工程選用的HLA551型水輪機，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93.20%。在該轉(zhuǎn)輪的水力設計方面，為提高單位轉(zhuǎn)速，減小了進口半徑；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、增強機組穩(wěn)定性，采用了加長泄水錐的措施。蝸殼設計為非常規(guī)設計，蝸殼采用全圓斷面直接搭接座環(huán)的焊接結(jié)構，斷面采用了特殊的水力設計，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，保證了機組的高效性，減小了機組軸向水推力；其余斷面采用全圓斷面，其專用流道，確保了機組的能量指標及機組運行穩(wěn)定性。

[1] 虢強. 布達爾水電站裝機容量設計分析[J]. 水電與新能源,2016(4):21-24.

[2] 程夏蕾,朱效章. 中國小水電可持續(xù)發(fā)展研究[J]. 中國農(nóng)村水利水電,2009(4):112-118，123.

[3] 柴建新,柴建江. 引水式水電站水工設計經(jīng)驗介紹[J]. 中國農(nóng)村水利水電,2000(12):53-54.

[4] 虢強. 和田喀拉格爾水電站增效擴容水機分析[J]. 中國水能及電氣化,2015(2):49-52.

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