探析文昌水电站装机容量及机组选型设计

顾富星[1]岳桃丽

摘要：本文针对文昌水电站流量大、水头低的特点进行水轮机的选型设计，分析了尾水位变化对水轮机特征参数的选择及其稳定性的影响，并且提出了合理的运行的范围，为类似水电站水轮机的选型设计提供了参考。

关键词：机组；选型；设计；文昌水电站；

1前言在水轮机选型的过程中，一般是根据水电站的开发方式，装机容量、动能参数，水工建筑的一些布置等等，并考虑到国内外的已经生产的水轮机的参数及制造的生产水平，拟定若干个方案进行经济和技术上的比较，最终确定水轮机的最优形式与参数。[1]2文昌水电站简介本工程位于绥江河流干流上，为了能够充分利用现有水力资源，在绥江怀集县城区文昌塔河段建设了文昌水电站。文昌水电站工程集雨面积1959km2，初定电站装机容量3200kW。文昌水电站开发的主要任务是发电，兼有改善上游航运条件、美化环境、旅游等综合利用效益。文昌水电站为低坝河床式电站，上游河床蓄水量为300.60万m3（正常蓄水位），相当于一个小（1）型水库，工程等别为Ⅳ等。

电站的正常蓄水位为49.0m，装机容量3200kW。保证出力815kW，年发电量1430万kW·h，利用小时4466h。发电厂房选用2台GZTF08C-WP-390贯流式机组，额定转速93.75r/min，最大水头4.20m，最小水头2.0m，额定水头2.42m，单机额定流量80.67m3/s。

3装机容量选择根据负荷预测，到2010年，怀集县的用电负荷将达到11.0万kW，年用电量达到4.0亿kW·h。县政府决定加快水电开发，重点是绥江梯级水电站。

本工程是低水头径流式电站，根据水电站水能计算和水轮机制造要求，最大水头4.20m，最小水头2.0m，水头较低。在县电力系统中承担基荷，并有一定的调峰能力。根据电站的基本参数，可用的机型只有贯流式。

为便于比较，以灯泡贯流机型为例进行不同装机容量比较。初选方案为3000kW、3200kW和3400kW。不同装机方案技术特性比较及动能经济比较见表1。

从机组特性及动能指标看，方案Ⅱ比方案Ⅰ的机组投资增多6万元，增加总投资36万元，但年发电量增加了24万度电，具有一定的效益。而且年利用小时比方案Ⅰ少，年运行费用较低。虽然方案Ⅲ比方案Ⅱ每年的发电量增加了17万度，但由于机组额定水头较低，为增大装机容量，机组尺寸增大较多，机组投资增多124万元，增加总投资180万元，单位电度投资增多0.10元，效益不明显。

综合分析比较三个方案，方案Ⅱ已较充分地利用了水能，具有一定的调峰能力。由于水头较低，下游水位壅高明显，方案Ⅲ中增大装机容量对增加电能的作用并不明显，但投资增大很多，且其效率也比方案二要低。而装机容量过少时，会造成一定的弃水情况，综合考虑各种因素，确定本工程的装机容量为3200kW。

4水轮发电机机组台数及选型4.1机组台数确定文昌水电站装机容量3200kW，按照其装机规模，属小（Ⅱ）型水电站，机组台数不宜过多，但不能低于2台。电站装机容量小，在电力系统中担负基荷工作，水轮机可在较长时间内处于最优工况下运行，因此本电站推荐2台机组方案。

4.2水轮发电机型式选择文昌水电站最大水头4.20m，额定水头2.42m，加权平均水头3.20m，最小水头2.0m，多年平均流量为73.10m3/s。电站具有水头低，流量大，水头范围广等特点。根据这些参数，较适合的机型有灯泡贯流式和轴伸贯流式水轮发电机，初选2台GZTF08C-WP-390型和4台GZ008-WZ-315型水轮发电机进行方案比较，配套的发电机型号分别为SFWG1600-64/4220和SFW800-56/3250，比较表见表2。

由于国内轴伸贯流式水轮机转轮直径只能做到3米左右，相应单机容量只有800kW左右，故文昌电站装轴伸贯流机至少要装4台，比2台的灯泡贯流式水轮机方案厂房尺寸要大，轴伸贯流机组跨度也较大，土建投资较大。而且轴伸贯流方案的发电机外露，主厂房噪音和温度条件较差，对运行人员身体健康极为不利，因此本电站选择GZTF08C-WP-390型灯泡贯流式机组方案。

4.3水轮发电机型式选择灯泡贯流机组分为转桨式和定桨式两种。根据厂家资料，本电站拟采用的机型分别为和，配套的发电机型号分别为、。从经济角度上看,选用转浆式与定浆式水轮机基本上差不多。转浆式与定浆式水轮机的水轮机相比较，转浆式的运行范围较宽，更适合本电站水头范围大，流量变化大的特点，因此，初步选用转浆式水轮机及其配套发电机。

5水轮机安装高程的确定水轮机安装高程要考虑很多因素，对于水轮机的磨损和空蚀来说，安装高程低些更有利；但如果机组装得过于低，就一定会增加土建的开挖量，然后会增加工程造价，而且也不能从根本上消除水轮机的磨蚀。对于转桨式水轮机，反水锤造成的机组“抬机”是威胁机组安全运行的重要因素，汛期的下游水位升高，机组装得过低对防“抬机”等也非常不利。因此机组安装高程的确定应该进行技术经济综合分析比较。

本电站的机组安装高程，应结合制造厂家规定允许的吸出高度、尾水管出口最小淹没深度，将来电站建成投产后机组能在各种运行工况下安全使用，并获得最好的发电效益，作技术经济比较。

按制造厂商要求，允许吸出高度(至主轴中心线)为Hs＝-5.15，同时要保证任何运行工况下的尾水管出口淹没深度大于0.5m，以保证水轮机运行于任何工况尾水管出口不进气。因此机组中心高程，应同时考虑这两个控制条件。

取电站坝址下游水位保证率P＝85%时水位作为本电站的最低尾水位，高程为44.98m。

按以上数值计算，机组安装高程的上限值为44.98-5.15＝39.83m。根据现场勘查，下游河床存在一定程度的礁石等。考虑电站建成投产后，业主将下游河床进行疏浚，同时电站尾水可能出现冲刷，导致河床下切等，从而引起下游水位降低等因素，通过与业主协商，确定预留0.65米裕量。

从以上的分析计算，为了减少基础开挖工程量，减少电站的土建投资，本阶段确定机组的安装高程为39.18m（珠江口基面）。

不同厂家和不同型号的机组由于允许吸出高度不同，安装高程相应发生变化，在机组订购完成后再进行高程的校核、确定。

6尾水位变化对水轮机运行的影响水电站尾水位是水电站设计和运行的重要参数，在水电站的设计阶段，电站的尾水位（也常常被称为坝址水位）是决定水轮机安装高程的非常重要的一个参数，也是决定电站设计的水头的非常主要的一点。在电站的运行阶段，机组的部件已经全部安装完毕，水轮机安装高程已定。尾水位的变化会改变整个水轮机的运行。[2]尾水位的抬高是影响机组效率的一个很重要的因素，经常性的泄洪会导致下游的河床石头堆积，使部分的河床抬高，这样就会导致机组的净水头下降，严重影响了机组的效率，[3]所以机组运行一段时间就必须对下游的河床进行整治和托平，恢复原来的河床的高度，还要做好科学调度，上游的水量不大时，尽量少安排机组运行的台数，减少不必要的麻烦，减少机组的超额负荷运行，这时候下泄流量非常少，尾水位抬高的不多，水头的利用非常充分。[4]7结语在水电站建设和设计当中，水轮机装机容量及机组的选型设计是非常重要的一个组成部分，合理的选择对于水电站机组的永久运行及其经济效益有着非常重要的影响。本文针对文昌水电站流量大、水头低的特点进行水轮机的选型设计，分析了尾水位变化对水轮机特征参数的选择及其稳定性的影响，为类似水电站水轮机的选型设计提供了参考。

参考文献：[1]王颖,付鹏.峡江水电站机组选型与可行性分析[J].江西水利科技,2012,38(1)[2]曹锡枫.硗碛水电站电气一次设计简介[J].水电站设计,2013,29(2)[3]赵明琴.澜沧江侧格水电站机组选型研究[J].人民长江,2012,43(15)[4]吴健汀.柘荣王社二级水电站机组选型及布置设计[J].中国水能及电气化,2009,(9)[5]赵明琴,李月彬.董箐水电站高尾水变幅水轮机选型设计[J].水力发电,2010,36(1)