向升，鄭靜

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，成都，610213；2.四川水利職業(yè)技術學院，四川崇州，611231)

1 電站概況

斜卡水電站位于四川省甘孜州九龍縣斜卡鄉(xiāng)境內(nèi)，是九龍河左岸支流踏卡河上“一庫兩級”水電規(guī)劃的龍頭水庫電站。電站為混合式開發(fā)，首部建混凝土面板壩壅水，壩址位于大橋溝口上游約900m河段，由隧洞引水至地面發(fā)電廠，廠址位于磨坊坪附近踏卡河右岸漫灘，壩、廠址相距約15km。

電站裝機容量130MW，多年平均發(fā)電量5.211億kW·h，水庫總庫容8485萬m3，具有季調(diào)節(jié)能力，電站基本參數(shù)見表1。

表1 電站基本參數(shù)

2 水輪機機型和臺數(shù)選擇

斜卡水電站總庫容為8485萬m3，裝機容量為130MW，屬于中型工程[1]。水頭范圍422m～504.7m，為高水頭電站，在該水頭段可供選擇的水輪機型式有混流式與水斗式兩種[2]。

2.1 初步設計階段

初步設計階段，根據(jù)斜卡水電站水頭范圍，對混流式與水斗式兩種機型進行了分析比較，分別對2×65MW混流式、3×43.33MW混流式、水斗式3個方案作全面的分析。

初步設計階段機型和裝機臺數(shù)方案比較見表2。

表2 初步設計階段機型和裝機臺數(shù)方案比較

通過對國內(nèi)中、高水頭水斗式水輪機應用情況、國內(nèi)中、高水頭混流式水輪機應用情況及國外高水頭大容量混流式水輪機應用情況的比較，綜合電站投資、能量指標、機組運行情況、廠區(qū)布置，結合國內(nèi)外的生產(chǎn)制造水平，經(jīng)與動能、水工等專業(yè)共同研究后，初設階段推薦選用2臺混流式機組方案。

2.2 招標設計階段

招標設計階段，針對斜卡水電站機組機型及裝機臺數(shù)選擇的問題進行進一步的研究：(1)對與本電站水頭及容量相似的電站運行情況進行了進一步的調(diào)查及了解；(2)邀請相關水輪機專家及主機設備生產(chǎn)廠家設計專家進行了深入的技術交流，并對當時國內(nèi)外水電設備的設計、生產(chǎn)及市場現(xiàn)狀進行了探討與交流。得出以下結論：

(1)當時國內(nèi)高水頭混流式水輪機的運行情況不是很理想，運行時的振動和不穩(wěn)定運行范圍均較大。

(2)能夠設計、生產(chǎn)斜卡水電站2臺混流式機組的生產(chǎn)廠家有GEHA、哈電、東電、力源、天阿、東芝杭州等，機組可選擇面還是相當大的。但到當時國內(nèi)水電市場發(fā)展迅速，GEHA、哈電、天阿、東芝杭州等國內(nèi)大型及合資廠生產(chǎn)任務繁重，對斜卡水電站的主機設備制造不感興趣，因此，選擇面變窄了很多。

考慮到上述情況，專家一致意見如果選用水斗式水輪機，則昆電、重水等國內(nèi)生產(chǎn)廠家也能生產(chǎn)，在水頭范圍內(nèi)，水斗式機組的運行會很可靠，檢修維護也方便。因此，建議招標階段可考慮同時對混流式及水斗式水輪機兩種方案進行招標，并通過比選最終選出更適合本電站特性的水輪機型。

招標采購時，為了選出適合本電站的機組機型，分別對2臺、3臺水斗式及2臺混流式兩種方案進行招標?；炝魇椒桨竷H1家公司投標，水斗式方案2家公司投標。關于水斗式機型，當時投入運行的國產(chǎn)水斗式機組的單機容量僅為35MW，斜卡電站的單機容量達到了65MW，國產(chǎn)水斗式有相當大的風險。如果采用進口方案，兩家的報價較混流式機組報價高，2臺水斗式水輪機(轉輪進口方案)的投標總價比3臺機投標總價(轉輪國產(chǎn)方案)高很多，其總價接近3臺機方案的2倍，且采用進口轉輪方案其運行維護成本較高，也不利于今后的備品轉輪采購。因此，如果選擇2臺混流式方案，只有1家可以選擇，而且報價較高；如果選擇水斗式方案，可選擇的廠家有兩家。如果選2臺機選國產(chǎn)轉輪，風險較大，選轉輪進口，價格很高，選3臺機國產(chǎn)轉輪較為合理。水斗式方案，廠房的開挖量明顯比混流式機組小，且水斗式水輪機組的運行穩(wěn)定性及出力調(diào)節(jié)范圍均比混流式好，更利于梯級調(diào)度，3臺水斗式水輪機方案，所有設備均可實現(xiàn)國產(chǎn)，設備采購成本將大大降低，后期運行與維護成本也相應降低。機組甩負荷時的最大轉速升高率保證值：當機組容量占系統(tǒng)工作總容量的比重不大，或不擔負調(diào)頻時，宜小于60%；沖擊式機組最大轉速升高率宜小于30%。機組甩負荷的蝸殼最大壓力升高率保證值：額定水頭大于300m時，宜小于25%[3]。水斗式機組可通過調(diào)整折向器及噴針的關閉時間獨立地控制轉速升高率及壓力升高率，通過折向器的快速關閉控制機組轉速上升，可有效地將機組最大轉速升高率控制在30%以內(nèi)，同時通過增加噴針的關閉時間控制配水環(huán)管進口最大壓力升高率；混流式機組只能通過導葉的關閉時間控制壓力升高率及轉速升高率，因此水斗式機組在流道及發(fā)電機的設計和制造難度相對較低。

招標設計階段機型和裝機臺數(shù)方案比較見表3。

表3 招標設計階段機型和裝機臺數(shù)方案比較

從機電設備投資、能量指標、梯級調(diào)度、運行維護、設備設計及制造難度、設備生產(chǎn)廠家的選擇及廠房布置等方面綜合考慮，確定斜卡水電站選擇裝設3臺單機45MW的水斗式水輪機方案。水斗式水輪機主要參數(shù)為：水輪機型號：CJA237-L-230/4×21；轉輪直徑：2300mm；噴嘴數(shù)：4；射流直徑：210mm；額定水頭447m；額定流量11.9m3/s；額定出力46.4MW、最大出力51MW；額定轉速375r/min、最大飛逸轉速703r/min；機組旋轉方向：俯視順時針；額定效率89.1%、最高效率91%；水輪機轉動部分重量30t、水輪機總重量212t；最小排出高度3.0m；安裝高程2661.60m。

3 水輪機的結構特點

根據(jù)當時的設計及加工能力，針對斜卡水電站水輪機組水頭及容量特性，重慶水輪機廠有限公司吸取了國內(nèi)外同類型機組的成功設計經(jīng)驗，采取了以下針對性的結構設計。

(1)轉輪采用ZG00Cr13Ni4Mo不銹鋼整鑄結構，水斗根據(jù)模板進行研磨，在保證水力性能及不影響充分排流前提下，適當增大水斗根部厚度，水斗根部、斗與斗之間均以圓弧過渡，降低水斗根部應力。

(2)噴管采用直流內(nèi)控式，雙向油壓操作，控制機構設在噴管內(nèi)，各噴嘴以相同的開口和其他噴嘴并列同步投入運行，也可單獨投入運行。整個行程范圍內(nèi)噴針具有水力自關閉能力。每個噴嘴有一個可更換的噴嘴口環(huán)和噴針頭，并裝有一個調(diào)整法蘭及不銹鋼護板。水輪機的噴針頭，噴嘴口還能方便地在機坑內(nèi)拆修更換。每個噴管都設有一個偏流器，偏流器的切水刀板為整鑄，偏流器采用油壓開啟及關閉，關閉腔設置有彈簧以保證在調(diào)速器油壓消失后偏流器可靠關閉。

(3)水輪機主軸與轉輪采用液壓預緊螺栓的摩擦式聯(lián)接方式，以便于轉輪的檢修與更換。

(4)水輪機導軸承采用稀油潤滑巴氏合金瓦襯的自潤滑筒式軸承，其結構可靠和便于檢修。

(5)補氣系統(tǒng)設計方式為在水導軸承處均勻布置有4根補氣管，在機殼處均勻布置有8根補氣管(不同的兩個高程，每個高程4根)，補氣管的分部位、分高程均勻布置，保證了補氣的均勻性及可靠性，能保證水輪機輸出預定功率、運行穩(wěn)定以及正常運行條件下實際排出高度不小于設計值。

4 電站現(xiàn)狀

斜卡水電站已于2014年順利投產(chǎn)發(fā)電，目前電站機組運行靈活穩(wěn)定，檢修維護方便，作為踏卡河龍頭水庫電站在梯級調(diào)節(jié)上發(fā)揮著重要的作用。目前正在建設斜卡水光互補光伏電站(裝機14萬kW)，光伏電站以一回220kV線路接入斜卡水電站開關站，水光總容量27.5萬kW，通過不完全年調(diào)節(jié)的庫容和水斗式機組(0.56萬kW～13.5萬kW負荷范圍)調(diào)節(jié)能力更大，能充分發(fā)揮水光互補的優(yōu)勢，為電網(wǎng)提供穩(wěn)定電源，還可為業(yè)主創(chuàng)造更大的效益，助力新能源開發(fā)。

5 總結

斜卡水電站屬于高水頭電站，而且水頭變幅較大，選型難度大。在該水頭段可采用的機型有混流式和水斗式。重點是根據(jù)機電設備投資、能量指標、梯級調(diào)度、運行維護、設備設計及制造難度、設備生產(chǎn)廠家的選擇及廠房布置等方面綜合考慮，為電站選出合適的機型。