楊 超，葛 曦

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

1 工程概況

惠水縣平寨水庫(kù)所在河流壩王河，屬珠江流域紅水河水系蒙江的一級(jí)支流。水庫(kù)工程位于壩王河中上游河段，壩址位于惠水縣雅水鎮(zhèn)打白寨附近。工程規(guī)模為中型，正常蓄水位1067m，相應(yīng)庫(kù)容7170萬(wàn)m3，校核洪水位1070.2m，死水位1021m，水庫(kù)有效庫(kù)容6557萬(wàn)m3，總庫(kù)容0.7978億m3。工程主要任務(wù)是解決惠水、平塘、羅甸3縣7個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)共13.63萬(wàn)集鎮(zhèn)人口、9.28萬(wàn)農(nóng)村人口及9.28萬(wàn)頭大小牲畜的人畜飲水問(wèn)題，并提供136733畝灌溉面積的灌溉用水及邊陽(yáng)工業(yè)園區(qū)的供水，同時(shí)兼顧發(fā)電。

電站所有建筑物均布置于右岸，總布置形式為：取水口→引水隧洞→壓力鋼管→發(fā)電廠房。電站最大凈水頭75.99m，加權(quán)平均凈水頭74.3m，最小凈水頭33.9m，裝機(jī)容量3200kW，多年平均發(fā)電量974萬(wàn)kW·h。

2 水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)組臺(tái)數(shù)選擇

機(jī)組臺(tái)數(shù)的選擇原則主要考慮機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性和運(yùn)行維護(hù)管理、機(jī)電設(shè)備和廠房土建工程量等因素。電站裝機(jī)容量為3200kW，保證出力為304kW，電站引用流量為5.53m3/s，水庫(kù)下放環(huán)境水流量為0.591m3/s。綜合考慮電站機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)管理、機(jī)電設(shè)備和廠房土建工程量等因素[1- 2]，可選用2臺(tái)或3臺(tái)的裝機(jī)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，見(jiàn)表1。

表1 不同機(jī)組臺(tái)數(shù)方案設(shè)備投資比較表

從表1可知，方案1比方案2投資節(jié)省382.8萬(wàn)元。雖然方案2裝機(jī)臺(tái)數(shù)多，有750kW小機(jī)組，便于機(jī)組日常靈活組合和枯水期發(fā)電[3]。但據(jù)水文專業(yè)統(tǒng)計(jì)分析，電站在出力為304～720kW(方案1單機(jī)保證出力)之間發(fā)電的幾率僅占年平均發(fā)電量的5.7%，即方案1比方案2每年少發(fā)約60萬(wàn)kW·h，折合人民幣13萬(wàn)元，僅占方案1比方案2投資節(jié)省額的4.1%。此外，方案2比方案1的檢修、運(yùn)行維護(hù)工作量大[4]。因此推薦方案1，即裝機(jī)方案為2×1600kW。

2.2 水輪機(jī)額定水頭選擇

平寨水庫(kù)附屬電站水庫(kù)校核水位為1070.2m，正常蓄水位為1067m，死水位為1021m，電站水頭運(yùn)行范圍33.90～75.99m，水頭變幅42.09m。按規(guī)范要求，對(duì)于中高水頭的水輪機(jī)，其額定水頭宜在加權(quán)平均水頭的0.95～1倍范圍內(nèi)選定[5- 6]。電站水頭幾率，見(jiàn)表2。

表2 電站水頭幾率統(tǒng)計(jì)表

從表2可以看出，電站最大水頭為75.99m，加權(quán)平均水頭為74.30m，最小水頭為33.90m，水頭變幅很大為Hmax/Hmin=75.99/33.90=2.24，水輪機(jī)的運(yùn)行很難兼顧整個(gè)水頭段[7]。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外已運(yùn)行的穩(wěn)定性較好的水電站水輪機(jī)運(yùn)行水頭統(tǒng)計(jì)規(guī)律：最大水頭與最小水頭的比值小于1.5，另最大水頭與設(shè)計(jì)水頭的比值在1.07～1.1之間，最小水頭與設(shè)計(jì)水頭的比值大于或等于0.65。因此，確定水輪機(jī)最小運(yùn)行水頭為51.0m，從平寨水庫(kù)附屬電站實(shí)際情況可以看出，當(dāng)水頭在51.0～75.99m之間時(shí)，出現(xiàn)幾率為97.7%，此水頭段能保證機(jī)組正常穩(wěn)定運(yùn)行。

電站出力和水頭關(guān)系幾率統(tǒng)計(jì)成果表明：電站出力集中在60%額定出力及以下，占到了74.5%，且該項(xiàng)數(shù)據(jù)中，50m水頭以上能發(fā)足60%額定出力及以下為72.2%，全出力段為97.7%。33.9～51.0m之間占的出力比例較小，如另裝低水頭機(jī)組發(fā)電不經(jīng)濟(jì)。從工程任務(wù)來(lái)說(shuō)，雖然主要功能供水與灌溉，但庫(kù)容較大，具有一定發(fā)電調(diào)蓄能力[8]。因此，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，可對(duì)電站運(yùn)行方式進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，以適應(yīng)合適的水頭段與出力段。

因此，水輪機(jī)額定運(yùn)行水頭設(shè)置為71.0m，最小運(yùn)行水頭設(shè)置為51.0m。即水頭在51.0～75.99m之間時(shí)，機(jī)組正常發(fā)電，而水頭在33.9～51.0m之間時(shí)，機(jī)組停機(jī)不發(fā)電，通過(guò)水庫(kù)把低水頭段的能量蓄積起來(lái)，待水量充足時(shí)且機(jī)組在運(yùn)行水頭范圍內(nèi)才開(kāi)機(jī)發(fā)電，確保能量不流失。

2.3 水輪機(jī)機(jī)型選擇

水庫(kù)正常蓄水位為1065m，水頭運(yùn)行范圍為51.0～75.99m，水頭變幅為24.99m，此水頭段適合的水輪機(jī)型式為混流式。電站可選機(jī)型有HLA678、HLA696、HLA384等幾種模型轉(zhuǎn)輪，其模型轉(zhuǎn)輪主要技術(shù)參數(shù)，見(jiàn)表3。

在機(jī)組選型計(jì)算過(guò)程中，選擇HLA678-WJ-74(方案1)、HLA696-WJ-61(方案2)和HLA384-WJ-63(方案3)，3種方案從機(jī)組穩(wěn)定性、能量指標(biāo)、氣蝕性能、運(yùn)行工況、額定轉(zhuǎn)速以及廠房尺寸等方面進(jìn)行優(yōu)化比選[9]，計(jì)算成果為：

(1)效率：HLA696機(jī)型的模型最高效率93.79%、原型最高效率91.79%。水輪機(jī)額定效率91.2%、最大水頭時(shí)效率91.5%、最小水頭時(shí)效率90%。在3個(gè)選型方案中HLA696機(jī)型效率是最高；HLA678機(jī)型效率次之；HLA384機(jī)型效率較低。

(2)空蝕性能：HL696和HL678空化系數(shù)均為0.08，吸出高度均為+2.2m，抗空蝕性能較好。HLA384最大空化系數(shù)高0.096，吸出高度為+1.5m，抗空蝕性能較差。

表3 水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪技術(shù)參數(shù)比較表

圖1 HLA696-WJ-61水輪機(jī)模型特性曲線及運(yùn)行范圍圖

(3)能量指標(biāo)方面：3個(gè)方案中HLA696轉(zhuǎn)輪直徑最小為0.61m、額定轉(zhuǎn)速1000r/min；HLA384轉(zhuǎn)輪直徑次之為0.63m、額定轉(zhuǎn)速1000r/min；HLA678轉(zhuǎn)輪直徑最大為0.74m、額定轉(zhuǎn)速750r/min。

此外，綜合考慮到電站設(shè)備及土建工程量、電站運(yùn)行維護(hù)管理等因素。方案1機(jī)組尺寸較大，增加廠房土建投資。方案2造價(jià)和方案3基本相當(dāng)，但方案2比方案3水輪機(jī)抗空蝕性能和運(yùn)行范圍均較好。因此，推薦HLA696-WJ-61為代表機(jī)型，其真機(jī)參數(shù)為：轉(zhuǎn)輪直徑0.61m，額定出力1633kW，額定水頭71.0m，額定流量2.6m3/s，額定轉(zhuǎn)速1000r/min，額定工況效率92.5%，吸出高度+2m。HLA696運(yùn)行工況處于高效率區(qū)的范圍較廣，如圖1所示。

3 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪采用鑄焊結(jié)構(gòu)，上冠、葉片、下環(huán)材料為ZG06Cr13Ni4Mo不銹鋼。為了減少機(jī)組容積損失和軸向力，在轉(zhuǎn)輪的上冠設(shè)有梳齒型密封，下環(huán)設(shè)有間隙式密封。在轉(zhuǎn)輪上冠上平面與前蓋之間設(shè)置有足夠的間隙，以滿足機(jī)組軸向串動(dòng)，轉(zhuǎn)輪和主軸采用法蘭聯(lián)接鍵傳遞扭矩。轉(zhuǎn)輪表面粗糙度滿足Ra3.2的要求，流道尺寸型線及流道表面粗糙度應(yīng)符合GB/T10969《水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)通流部件技術(shù)條件》的要求，過(guò)流表面應(yīng)光滑，呈流線型，無(wú)裂紋或凹凸不平等缺陷。

水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)設(shè)有16個(gè)導(dǎo)葉，材料為ZG230- 450鑄鋼，導(dǎo)葉軸套采用鋼背復(fù)合自潤(rùn)滑軸承，有自潤(rùn)滑功能，軸套前設(shè)有O型密封圈。導(dǎo)葉漏水量在額定水頭下，新導(dǎo)葉漏水量不大于額定流量的3‰。導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)應(yīng)使從全開(kāi)度位置至空載附近開(kāi)度位置范圍內(nèi)，導(dǎo)葉的水力矩特性具有自關(guān)閉趨勢(shì)。最大開(kāi)口留有一定的裕量，當(dāng)剪斷銷剪斷，導(dǎo)葉應(yīng)不會(huì)碰撞轉(zhuǎn)輪。導(dǎo)葉裝有剪斷銷信號(hào)裝置，當(dāng)剪斷銷破斷時(shí)，能自動(dòng)報(bào)警。導(dǎo)葉裝有保護(hù)裝置，該裝置應(yīng)能在導(dǎo)葉剪斷銷剪斷后不產(chǎn)生擺動(dòng)和不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，不碰撞相鄰導(dǎo)葉。導(dǎo)葉限位保護(hù)裝置裝于導(dǎo)葉拐臂處。

蝸殼采用345°的金屬蝸殼，蝸殼采用Q235鋼板焊制，具有足夠的剛度和強(qiáng)度能承受106.5m水壓力。全部焊縫按GB8564《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》的要求進(jìn)行無(wú)損探傷檢查，探傷按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。座環(huán)采用ZG230-450焊接結(jié)構(gòu)。蝸殼底部設(shè)有Φ50排水閥。上部設(shè)有放氣閥。蝸殼進(jìn)口應(yīng)裝有測(cè)量進(jìn)口水壓的壓力表及壓力變送器。

尾水管為彎后直錐形尾水管，尾水管內(nèi)設(shè)有補(bǔ)氣管。尾水管材質(zhì)應(yīng)能適應(yīng)當(dāng)?shù)貧鉁刈兓?，尾水管厚度不能低?0mm。水輪機(jī)主軸密封采用甩水環(huán)等密封方式進(jìn)行密封。前、后蓋板采用鑄件ZG230-450，應(yīng)具有足夠強(qiáng)度和剛度。前、后蓋板上塞焊厚度不小于6mm的不銹鋼抗磨板。水輪機(jī)主要部件上設(shè)有吊環(huán)螺栓、吊耳、吊環(huán)等以便吊裝。導(dǎo)葉接力器采用容器鋼。

4 結(jié)語(yǔ)

平寨水庫(kù)電站由于水頭變幅較大為Hmax/Hmin=2.24，常規(guī)水輪機(jī)運(yùn)行很難兼顧整個(gè)水頭段。如按照大小機(jī)組合防滲，以滿足高低水頭段發(fā)電需求，則會(huì)大大增加工程投資，不經(jīng)濟(jì)。結(jié)合水庫(kù)具有多年調(diào)節(jié)特性，合理舍棄部分低水頭段，優(yōu)選合理運(yùn)行水頭和水輪機(jī)機(jī)型尤為重要。經(jīng)詳細(xì)技術(shù)結(jié)構(gòu)、綜合投資、調(diào)控運(yùn)行等因素的論證分析，最終確定水輪機(jī)額定的運(yùn)行水頭為71m，同時(shí)選擇高效且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的HLA696機(jī)型，能減少土建開(kāi)挖工程量，減少水庫(kù)棄水提高水能利用率，增加發(fā)電量，最大限度發(fā)揮工程灌溉供水和引水發(fā)電效益。