李 陽

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 電站概況

溫泉水利樞紐工程是卡普斯浪河上的控制性工程，水庫正常蓄水位1 900 m，正常蓄水位相應(yīng)庫容4 772萬m3，死水位1 855 m，死庫容567萬m3，興利庫容4 205萬m3，設(shè)計洪水位1 900.0 m，校核洪水位1 901.9 m，總庫容5 082萬m3。電站裝機容量24 MW，多年平均年發(fā)電量0.9億kW·h，裝機年利用小時數(shù)3 750 h。溫泉水利樞紐工程具有灌溉、工業(yè)供水兼顧發(fā)電等綜合利用效益。

2 水庫運行方式

工程利用調(diào)節(jié)庫容對上游來水進行調(diào)節(jié)，水庫運行方式為：每年的6月初至7月底，水庫在死水位進行排沙、沖沙運行；其余時段根據(jù)下游農(nóng)業(yè)用水、工業(yè)用水和生態(tài)泄流需求進行放水。

其中，每年10月至次年3月為枯水期，平均運行水頭范圍約為95～97.5 m，平均流量范圍約為4～6 m3/s，平均出力范圍約為3 450～4 700 kW(10月份參數(shù)略高，平均流量為8.78 m3/s，平均出力為7 253 kW)，生態(tài)基流1.82 m3/s；其余時段為豐水期，下泄生態(tài)基流5.46 m3/s(見圖1、圖2)。

圖1 全年各月流量變化曲線

圖2 全年各月水頭變化曲線

3 電站基本參數(shù)

(1)電站動能指標(biāo)

裝機容量24 MW，多年平均年發(fā)電量0.9億kW·h，年利用小時數(shù)3 750 h。

(2)尾水位

校核洪水位1 804.217 m，設(shè)計洪水位1 803.044 m，正常尾水位(52.4 m3/s時尾水位)1 801.355 m，設(shè)計尾水位(9.5 m3/s時尾水位)1 800.72 m。

(3)水輪機工作水頭

最大水頭99.60 m，最小水頭49.10 m，加權(quán)平均水頭77.90 m。

4 水輪機選型技術(shù)難點

由于本電站豐水期與枯水期水頭與流量變化很大，且電站的發(fā)電量主要來自于低水頭的豐水期；因此，既要豐水期機組多發(fā)電，又要保證枯水期高水頭工況運行的安全穩(wěn)定性，水輪機選型是一個很大的難題。

由于混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片不可調(diào)節(jié)，只有活動導(dǎo)葉單調(diào)節(jié)，因此當(dāng)運行工況偏離最優(yōu)點時，不僅水輪機效率降低，而且水流將在轉(zhuǎn)輪葉片進口產(chǎn)生撞擊、脫流。當(dāng)導(dǎo)葉開度小于最優(yōu)開度時，轉(zhuǎn)輪進口易產(chǎn)生背面脫流，開度過小，則產(chǎn)生葉道渦；在尾水管中會產(chǎn)生正向旋轉(zhuǎn)渦帶。當(dāng)導(dǎo)葉開度大于最優(yōu)開度時，尾水管中會產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)的渦帶，渦帶在水力系統(tǒng)中產(chǎn)生高頻或低頻的水壓脈動，運行工況偏離越遠，情況越嚴(yán)重。這些水力不穩(wěn)定現(xiàn)象將導(dǎo)致機組的振動和出力擺動，嚴(yán)重時將威脅到機組的安全運行。因此，在實際應(yīng)用中需對混流式水輪機運行的水頭變化范圍與負(fù)荷變化范圍加以限制。

相關(guān)統(tǒng)計及研究資料表明，混流式水輪機的最佳運行區(qū)為：單位轉(zhuǎn)速范圍為(0.95～1.15)n110，n110為水輪機的最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速；導(dǎo)葉開度范圍為(0.5～1.0)a0max，a0max為與出力限制線對應(yīng)的導(dǎo)葉開度?；炝魇剿啓C可以運行的區(qū)域為：(0.9～1.25)n110，(0.4～1.0)a0max。上述范圍以外的區(qū)域為水輪機不宜運行區(qū)域。

另有研究資料表明，混流式水輪機的水頭變幅應(yīng)控制在如下范圍：Hmax/Hmin≤1.65，Hmax/Hd≤1.16，Hmax/Hr≤1.2，Hmin/Hd≥0.64，Hd為最優(yōu)工況對應(yīng)的水頭，Hr為額定水頭。

基于混流式水輪機的穩(wěn)定運行范圍，按傳統(tǒng)經(jīng)驗，豐水期水輪機的最高運行水頭宜控制在65.4 m以下；考慮到近年來的技術(shù)進步，也不應(yīng)超過72 m(Hmax/Hr=1.32)。因此，豐水期水輪機的運行水頭范圍應(yīng)為49.1～72 m，枯水期水輪機的運行范圍應(yīng)為70～99.6 m。也即每年5月，在電站水頭下降至70～72 m時，將枯水期水輪機更換為豐水期水輪機；每年8月，在電站水頭升高至70～72 m時，將豐水期水輪機更換為枯水期水輪機。

由于每年5月和8月都是水庫水位顯著變化期，因此，要求對更換水輪機的工期“精準(zhǔn)”把控，對水庫來水趨勢“精準(zhǔn)”預(yù)測，才能充分利用水力資源；否則就會出現(xiàn)“泄洪”棄水現(xiàn)象。在5月份，如果更換豐水期水輪機時工期偏長，或水庫來水量迅速增大而超過水輪機總過流量，則將導(dǎo)致水庫水位上漲，水輪機運行的凈水頭可能超過72 m。如此，更換的豐水期水輪機就可能無法正常運行，此時不得不采用“泄洪”的方式強行將水庫水位降低至豐水期水輪機能正常運行的水位。在8月份，在更換枯水期水輪機期間，如果水庫來水量迅速增大而超過水輪機總過流量，也將導(dǎo)致水庫水位上漲，也可能出現(xiàn)豐水期水輪機無法正常運行的情況，此時，就不得不“泄洪”以滿足生態(tài)流量要求。

5 建議的機組方案

基于以上分析，推薦的機組方案為：4臺發(fā)電機+4臺水輪機臥式機組(便于拆裝)，4臺水輪機配置6個轉(zhuǎn)輪，即4臺豐水期轉(zhuǎn)輪+2臺枯水期轉(zhuǎn)輪的組合方案。在約72 m以下的豐水期，4臺豐水期轉(zhuǎn)輪運行；在約70 m以上的枯水期，2臺枯水期轉(zhuǎn)輪運行。豐水期與枯水期水輪機除轉(zhuǎn)輪與尾水錐管不同以外，其他均不變。此方案的優(yōu)點一是可以極大地減少豐、枯水期轉(zhuǎn)換時水輪機的拆、裝工作量，更換水輪機轉(zhuǎn)輪與尾水錐管只需半天即可完成，極大地節(jié)省轉(zhuǎn)換時間與工作量。二是可以很好地應(yīng)對5月份和8月份可能出現(xiàn)的水庫水位“忽上忽下”的問題。

6 豐水期水輪機轉(zhuǎn)輪推薦方案

水輪機轉(zhuǎn)輪型號及額定轉(zhuǎn)速：JF2548B—WJ—140，n=428.6 r/min(見表1)。

表1 JF2548B—WJ—140水輪機典型工況參數(shù)

表2 JF2548D—WJ—140水輪機典型工況參數(shù)

7 枯水期水輪機轉(zhuǎn)輪推薦方案

水輪機轉(zhuǎn)輪型號及額定轉(zhuǎn)速：JF2548D—WJ—140，n=428.6 r/min(見表2)。

8 方案說明

(1)中小型水電站的水輪機組一般均在滿負(fù)荷(或滿開度)工況下運行，本電站推薦2臺水輪機采用枯水期與豐水期雙轉(zhuǎn)輪方案，則可以滿足水輪機從高水頭至低水頭的整個運行范圍內(nèi)均可以高效穩(wěn)定運行，較好地滿足了豐水期多發(fā)電、枯水期高效穩(wěn)定的要求。

(2)本方案運行維護方便，與更換水輪機方案相比具有明顯優(yōu)勢。

(3)本方案可以方便地應(yīng)對5月份與8月份溫泉水庫可能出現(xiàn)的來水量快速變化而導(dǎo)致的水庫水位“忽上忽下”的情況，提高水力資源利用率。

9 結(jié) 語

溫泉水利樞紐工程的建設(shè)，是卡普斯浪河流域防洪減災(zāi)、促進地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的需要。通過參數(shù)計算分析和比選，初步確定水輪機選型方案，對今后工程的實施建設(shè)具有一定指導(dǎo)作用。