李 超，劉雙志

(江河機電裝備工程有限公司，北京市100070)

1 工程概況

恰木薩水電站是新疆葉爾羌河下游河道規(guī)劃梯級開發(fā)中的第2級電站，為引水式電站，其上游為鏨高水電站，下游為亞貝西水電站。工程主要由攔河引水樞紐、發(fā)電引水系統(tǒng)、壓力前池、壓力管道、電站廠房等組成，屬中型Ⅲ等工程。電站位于新疆維吾爾自治區(qū)喀什地區(qū)莎車縣境內，距莎車縣城約60 km，距喀什市約255 km。電站為徑流式電站，采用引水式開發(fā)，裝機容量為200 MW，工程開發(fā)任務是發(fā)電。

2 電站基本參數(shù)

電站前池最高水位1 548.125 m，正常水位1 547.334 m，最低水位1 543.439 m，調節(jié)性能無。電站校核洪水尾水位(P=0.5%，Q=6 178 m3/s)1 483.469 m，設計洪水尾水位(P=1%，Q=5 720 m3/s)1 483.283 m，正常尾水位(Q=350.72 m3/s)1 479.55 m，設計尾水位(Q=87.68 m3/s)1 478.25 m。電站最大水頭(毛水頭)69.99 m，加權平均水頭(凈水頭)67.10 m，額定水頭(凈水頭)63.50 m，最小水頭(凈水頭)59.20 m。

電站多年平均懸移質含沙量(閘址處)1.29 kg/m3，預想汛期含沙量如下所示(見表1)。

表1 恰木薩水電站預想汛期含沙量

電站裝機容量200 MW，多年平均年發(fā)電量5.96億kW·h，年利用小時數(shù)2 980 h。

3 水輪機機型與額定水頭的選擇

本電站水頭范圍為59.2～69.99 m，可選擇混流式和軸流式機型，混流式機型在該水頭段應用廣泛，具有成熟制造和運行經驗，故本階段選擇混流式機型。

水輪機額定水頭是指發(fā)電機組發(fā)出額定出力的最小水頭，本電站屬于徑流式電站，根據《水力發(fā)電廠機電設計規(guī)范》(DL 5186—2004)4.1.5第2條“對于徑流式水電廠，水輪機水頭主要取決于水電廠的下泄流量及其相應的下游尾水位。水輪機額定水頭應按水電廠發(fā)足裝機容量時運行凈水頭選定。選擇額定水頭時應計入額定工況下水輪機流道的全部水頭損失，并留有適量的裕度?！钡囊?，額定水頭應小于66 m并留有適當裕度。合理選擇額定水頭直接關系機組的穩(wěn)定運行性能和電站發(fā)電效益，以及機組設備投資、土建投資和樞紐運行方式等。電站加權平均水頭66.00 m，為確定電站額定水頭，在上述額定水頭選取范圍內，擬定3個額定水頭進行綜合比較(見表2)。

表2 額定水頭比較

從表2可知，各方案水輪機轉輪直徑差別不大，設備投資差別較小，對廠房的工程量影響不大，提高額定水頭有利于減小轉輪直徑，降低設備投資?？紤]在汛期運行時下游尾水位受電站棄水影響而有所抬高，且汛期是本電站的發(fā)電高峰期；為此，適當降低額定水頭有利于機組在汛期時獲得較多電量。

綜合考慮，推薦電站額定水頭為63.5 m。

4 機組臺數(shù)及單機容量選擇

機組臺數(shù)的確定應考慮單機容量占系統(tǒng)比重、機組運行方式、機組制造水平等因素，通過技術經濟綜合比較確定。預測南疆四地州電網2025年最大負荷達到15 951 MW，故機組單機容量占系統(tǒng)比重較小；電站在電力系統(tǒng)承擔基荷，枯水期12月、1月、2月、3月4臺機分別安排檢修維護，其中1月、2月電站不發(fā)電。額定水頭63.5m，單機容量40～67 MW區(qū)間，在此水頭段和單機容量下國內已有成熟的制造和運行經驗，不存在制造難度。綜合考慮以上因素，暫定裝機3臺、4臺、5臺方案(見表3)。

4.1 技術比較

(1)本電站為徑流式電站，無調節(jié)能力，為保證水輪機能夠安全穩(wěn)定運行。單機容量不宜過大。

(2) 根據規(guī)劃專業(yè)提供的57年長系列電站逐月可發(fā)電流量及相應水頭(去掉不發(fā)電月份)，對本電站逐月出力及所占時間比重進行了統(tǒng)計(見表4)?？紤]電站泥沙含量較大，單機出力應多數(shù)時間在額定出力的50%以上，以利于機組的長期安全穩(wěn)定運行。當單機容量為66.7 MW時，出力在額定出力50%以上的時間約為97.81%；當單機容量為50 MW時，出力在額定出力50%以上的時間約為98.25%；當單機容量為40 MW時，出力在額定出力50%以上的時間約為98.68%。對比參數(shù)可知，隨著機組臺數(shù)的增加，水能利用率逐漸增加，適當增加機組臺數(shù)可以增加水能利用率、增加機組安全穩(wěn)定運行時間并且獲得更多電量。

表3 裝機臺數(shù)比較

表4 電站出力統(tǒng)計

(3)恰木薩水電站接鏨高水電站尾水發(fā)電，鏨高水電站單機額定流量95 m3/s左右，考慮將來與鏨高水電站聯(lián)合發(fā)電，為方便調度并減少水能浪費，單機流量差別不宜過大。恰木薩水電站采用4臺機方案的單機額定流量與鏨高水電站單機額定流量相匹配。

(4)從電站運行角度來說，機組臺數(shù)越少管理越方便；機組臺數(shù)越多則運行越靈活。

(5)電站建成后擔任基荷運行，無調峰任務，無備用容量和調峰調度靈活性的需求，因此不需要過多的機組臺數(shù)。

4.2 經濟比較

(1)由表3可以看出，方案一和方案二投資較少，方案三工程總投資較多。

(2)機組臺數(shù)越少，投入運行后每年的維護、檢修工作量和費用也越少。

綜合以上分析，本階段推薦方案二，即4臺機裝機方案。

5 水輪機主要參數(shù)選擇

水輪機參數(shù)選擇，直接影響到電站建設的經濟性和今后運行的安全可靠性。水輪機主要技術參數(shù)的選擇應在確保機組穩(wěn)定可靠的前提下，使水輪機的性能較為先進，符合國內外技術發(fā)展水平，參數(shù)之間達到總體的最優(yōu)配合。

阿爾塔什水利樞紐工程位于本電站上游，是本河段的控制性水利樞紐工程，考慮本工程可能先于阿爾塔什水樞紐工程發(fā)電，過機泥沙含量不能及時得到改善，故水輪機主要參數(shù)選擇時應充分考慮多泥沙工況運行的要求。同時，由于阿爾塔什水利樞紐工程總庫容22.45億m3，調節(jié)庫容12.60億m3，建成后將大大改善下游各梯級電站的泥沙工況。因此，招標時應根據兩個工程的進度情況，優(yōu)選相似水頭段流道尺寸和清水轉輪相近的渾水轉輪模型；后期根據泥沙改善情況，改用效率相對較高的清水轉輪，改善水輪機運行工況并獲得較多電量。

5.1 比轉速及比速系數(shù)

比轉速ns是衡量水輪機綜合性能的重要指標，ns直接反映了水輪機的設計制造水平及其能量、空蝕性能的優(yōu)劣；比速系數(shù)K(K=ns×H0.5)則反映了水輪機的技術發(fā)展水平。一般來說，在水頭相同的情況下，選用較高比轉速的水輪機可以提高機組轉速、減小機組尺寸、降低機組造價；但水輪機比轉速的提高，往往受到水輪機效率、運行穩(wěn)定性、空化、磨蝕性能以及強度等許多因素的制約。因此，比轉速ns的選擇應結合電站的具體情況合理選擇。

為確定本電站的比轉速和比速系數(shù)，對國內外比轉速、比速系數(shù)經驗公式和國內部分在建、已建的相近水頭段水電站的比轉速和比速系數(shù)分別進行了統(tǒng)計(見表5、表6)。

表5 比轉速及比速系數(shù)經驗公式統(tǒng)計

表6 國內部分在建、已建電站比轉速及比速系數(shù)經驗公式統(tǒng)計

由表5得出，比轉速ns在158～275 m·kW之間，比速系數(shù)K值在1 600～2 196之間。

由表6得出，國內在建、已建的相近水頭段電站比轉速ns在215～262 m·kW之間，比速系數(shù)K值在1 877～2 352之間。

葉爾羌河泥沙含量大，考慮適當降低機組參數(shù)以減少轉輪的磨蝕，利于機組的長期安全穩(wěn)定運行。初擬恰木薩水電站比速系數(shù)K值為1 500～1 700，相應比轉速ns為188.24～213.34 m·kW。

5.2 單位轉速n1′和單位流量Q1′的選擇

單位轉速的選擇應符合比速系數(shù)的水平，從比轉速計算公式ns=3.13n1′(Q1′×η)1/2可以看出，比轉速主要由單位轉速、單位流量和效率3個參數(shù)決定。只有選擇合適的單位轉速和單位流量，使二者達到最佳匹配關系，才能獲得最優(yōu)的水輪機綜合性能。提高n1′可以減小發(fā)電機的外形尺寸，降低造價，有較大的經濟效益；但n1′的提高使水輪機轉輪過流流速加大，離心力增加，促使葉片應力增大，故它又受到轉輪葉片強度、泥沙、空蝕、穩(wěn)定性、材質等諸多因素的限制。提高Q1′的好處是顯而易見的，它的提高可以減小水輪機尺寸、提高出力、降低造價，但Q1′的提高往往受到空蝕的限制。隨著技術的進步，單位轉速和單位流量都有了較大提高。

結合本電站過機含沙量大的實際情況，n1′應適當降低以減小過機流速、減少轉輪的磨蝕，綜合以上分析，認為n1′和Q1′在如下范圍較為合理：

n1′=69～78 r/min

Q1′=0.72～1.05 m3/s

5.3 效率

水輪機效率是評價水輪機能量特性的重要指標，直接影響電站的發(fā)電效益。近年來，隨著水輪機設計技術的發(fā)展和采取現(xiàn)代化的制造手段與先進工藝，水輪機的效率得到不斷提高。

目前，國內相近水頭段的模型水輪機，其最優(yōu)效率均已超過92%，額定點效率高于90%，因此可以預計水輪機模型最優(yōu)效率應大于或等于92%，原型水輪機最高效率大于93.5%，原型水輪機額定點效率不低于91%。

5.4 裝置氣蝕系數(shù)和吸出高度

水輪機空蝕性能直接影響機組安全穩(wěn)定運行、檢修周期和使用壽命，因此水輪機應具有良好的空蝕性能，并合理選取水輪機裝置空化系數(shù)和安裝高程。原型水輪機的空蝕破壞還與制造和安裝質量、運行工況等因素有關。

表7為按統(tǒng)計公式計算的空化系數(shù)值(水輪機額定比轉速ns初擬定為188.24～213.34 m·kW，見表7)。

表7 空化系數(shù)統(tǒng)計公式計算

表7中，統(tǒng)計公式計算的恰木薩水電站裝置氣蝕系數(shù)σp范圍為0.109～0.169；適當提高臨界空化系數(shù)有利于機組的抗磨蝕性能，考慮本電站泥沙含量較大，裝置氣蝕系數(shù)取值不宜過小，現(xiàn)階段暫定恰木薩水電站裝置氣蝕系數(shù)σp取為0.18。根據公式Hs=10-▽/900-σpHr，計算出相應的Hs=-3.1 m。

5.5 水輪機目標參數(shù)

根據上述選擇分析，恰木薩水電站水輪機的參數(shù)范圍選擇如下：

6 結 語

恰木薩水電站水輪機選型和參數(shù)選擇均是以機組能夠長期安全穩(wěn)定運行為前提條件，并結合電站自身特點，參照國內同類型電站的參數(shù)，運用經驗統(tǒng)計公式進行計算選取，基本保證了機組能量指標、穩(wěn)定性指標和綜合性能指標均保持在較為先進的水平。