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夾巖水利樞紐壩后電站裝機(jī)方案及選型設(shè)計(jì)

文檔作者：葛曦，黃正財(cái)，楊超，張建勛文檔來(lái)源：貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年03月05日
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收稿日期：2018 － 04 － 04
作者簡(jiǎn)介 ：葛 曦 （1981 － ） ，男 ，高級(jí)工程師 ，主要從事 水力機(jī)械， 節(jié)能降耗設(shè)計(jì)， 清潔生產(chǎn)、能源管
理與循環(huán)經(jīng)濟(jì)等方面的研究工作。
E mail ： gzgexi＠ 163.com
夾巖水利樞紐壩后電站裝機(jī)方案及選型設(shè)計(jì)
葛 曦， 黃正財(cái)，楊 超， 張建勛
（貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院， 貴州貴陽(yáng)550002）
摘 要： 夾巖水利樞紐壩后電站總裝機(jī)容量為90 MW ，因保證出力不高， 更主要的是要利用下放生態(tài)水發(fā)電， 所以在
裝機(jī)方案的選擇上主要考慮提高機(jī)組加權(quán)平均效率， 提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。水庫(kù)總庫(kù)容13.21 億m3 ， 為Ⅰ 等大⑴ 型工程，
電站水頭變幅較大， 在機(jī)組選型計(jì)算過(guò)程中， 重點(diǎn)計(jì)算比較了機(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， 最終選出了最優(yōu)方案。表3 個(gè)。
關(guān)鍵詞： 壩后電站； 機(jī)組效率； 穩(wěn)定性； 裝機(jī)方案； 選型設(shè)計(jì)
1 概 述
夾巖水利樞紐工程是貴州省1 座以城鄉(xiāng)供水和
灌溉為主、兼顧發(fā)電并為區(qū)域扶貧開(kāi)發(fā)及改善生態(tài)
環(huán)境創(chuàng)造條件的綜合性大型水利樞紐工程， 由水源
工程、畢大供水工程和灌區(qū)骨干輸水工程3 部分組
成。夾巖壩后電站布置于大壩右岸下游沖溝出口，
采用地面式廠房， 一管三機(jī)布置型式， 總裝機(jī)容量
為90 MW ，保證出力為10.3 MW ，多年平均發(fā)電量為
2.198 億kW.h 。電站最大水頭113.4 m ，加權(quán)平均水
頭110.5 m ，最小水頭95.5 m ，泥沙含量0.65 kg／m3 。
夾巖壩后電站具有大庫(kù)容、低保證出力的特
點(diǎn)，因此裝機(jī)方案的確定需結(jié)合下放生態(tài)水的流
量， 重視機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行的高效與穩(wěn)定， 同時(shí)考慮電
站高水頭且變幅較大的運(yùn)行穩(wěn)定性。
2 裝機(jī)方案分析
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)備投資和廠房土建工程
量等因素。
因該水利樞紐功能主要以供水和灌溉為主， 發(fā)
電為次要功能， 水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行方式是電調(diào)服從水
調(diào)， 因此在灌溉季節(jié)首先保證灌溉和供水功能， 發(fā)
電僅能利用下放生態(tài)水運(yùn)行。為了保證機(jī)組長(zhǎng)期高
效穩(wěn)定運(yùn)行， 提高發(fā)電量和機(jī)組使用壽命， 結(jié)合電
站的保證出力及該水頭段混流式機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行范
圍， 選用3 × 30 MW和2 × 36 MW ＋ 1 × 18 MW （大
小機(jī)方案） 兩個(gè)裝機(jī)方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。兩個(gè)
方案投資相差不大， 大小機(jī)方案電站布置略微復(fù)
雜， 但運(yùn)行調(diào)度比較靈活。
夾巖水庫(kù)壩址下游4 km處為九洞天國(guó)家重點(diǎn)風(fēng)
景名勝區(qū)上游邊界， 滿足河道景觀和漂流的最低水
深為1.35 m ，采用曼寧公式計(jì)算出相應(yīng)流量為
12 m3 ／s 。環(huán)境生態(tài)用水要求采用90％ 保證率法， 將
夾巖壩址1957 — 2011 年最枯月水文分析計(jì)算， P ＝
90％ 時(shí)， 對(duì)應(yīng)的流量為12.1 m3 ／s ， 故下放生態(tài)水
流量定為12.1 m3 ／s 。該流量與18 MW機(jī)組額定流
量18.62 m3 ／s 之比占62.8％ ， 與30 MW機(jī)組額定流
量30.91 m3 ／s 之比為37.9％ 。本電站為混流式機(jī)
組，主機(jī)出力穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間為45％ ～ 100％ ， 在單
獨(dú)下放環(huán)境水的情況下，18 MW小機(jī)組可高效穩(wěn)定
運(yùn)行； 而3 臺(tái)30 MW的裝機(jī)方案在這些工況下不在
穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)間。
因此， 夾巖壩后電站機(jī)組臺(tái)數(shù)推薦2 × 36 MW
＋ 1 × 18 MW的大小機(jī)方案。
3 機(jī)組選型設(shè)計(jì)
電站最大水頭為113.4 m ，此水頭段適合的水輪
· 28 ·
規(guī)劃設(shè)計(jì) SMALL HYDRO POWER 2018No.4 ， Total No.202
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
機(jī)型式為混流式。該水頭段至150 m水頭段合適的
轉(zhuǎn)輪有HLA743 、HLA630 、HLA606 、HLA384 、
D294A 、HLA855 、HLA801 、HLY190 、HLA678 等優(yōu)
秀轉(zhuǎn)輪。
3.1 額定水頭的選擇
電站的運(yùn)行水頭為113.4 ～ 95.5 m ，電站加權(quán)平
均水頭為110.5 m ，水頭變幅為17.9 m 。額定水頭在
加權(quán)平均水頭的0.95 ～ 1 之間選定。從水頭出現(xiàn)幾
率表得知（見(jiàn)表1） ： 本站高水頭段113.4 ～ 107.0 m
出現(xiàn)幾率比較高， 水頭在107 m以上占78.2％ 。
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 ， 最大水頭與額定水頭的比值小于1.15 。
考慮電站運(yùn)行的穩(wěn)定性， 同時(shí)考慮機(jī)組出力受阻較
小， 確定本電站額定水頭為107 m 。
表1 水頭出現(xiàn)幾率
水頭／m 累計(jì)區(qū)間出現(xiàn)次數(shù)區(qū)間幾率／％
≥ 113 50 50 7.6 ≥ 112 182 132 20.0 ≥ 111 302 120 18.2 ≥ 110 398 96 12.5 ≥ 109 452 54 8.2 ≥ 108 491 39 5.9 ≥ 107 529 38 5.8 ≥ 106 556 27 4.1 ≥ 105 586 30 4.5 ≥ 104 606 20 4.0 ≥ 103 619 13 3.0 ≥ 102 634 15 2.3 ≥ 101 643 9 1.4 ≥ 100 650 7 1.1 ≥ 99 654 4 0.6 ≥ 98 655 1 0.2 ≥ 97 656 1 0.2 ≥ 96 658 2 0.3 ≥ 95.5 660 2 0.3 3.2 機(jī)型選擇
擇優(yōu)選擇HLA630 、HLA743 、HLA606 等3 種轉(zhuǎn)輪
（代表不同的轉(zhuǎn)速）進(jìn)行詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。在機(jī)
組選型計(jì)算過(guò)程中，重點(diǎn)計(jì)算比較了機(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（見(jiàn)表2 、表3） 。
表2 36MW機(jī)組機(jī)型主要特征參數(shù)比較
項(xiàng) 目方案一方案二方案三
水輪機(jī)型號(hào) HLA630 —
LJ — 203 HLA743 — LJ— 203 HLA606 — LJ — 219
比轉(zhuǎn)速 209.9 230.3 186.6 比速系數(shù) 2 171.5 2 302.7 1 930 額定轉(zhuǎn)速／（r·
min－ 1 ）
375 375 333.3 轉(zhuǎn)輪直徑／m 2.03 2.03 2.19 額定流量／（m3·s － 1 ） 37.63 37.29 37.67 水輪機(jī)額定效率／％ 93.96 94.82 93.84 模型水輪機(jī)最高
效率／％
94.75 94.21 93.2 效率修正值／％ ＋ 1.07 ＋ 1.07 ＋ 1.33 吸出高度 － 4.6 － 11.7 － 0.37 氣蝕系數(shù) 0.08 0.123 0.05 （1） 36MW 機(jī)組代表轉(zhuǎn)輪分析比較
效率：HLA630 機(jī)型的模型最高效率94.75％ ，
原型最高效率95.75％ 。水輪機(jī)額定效率93.96％ 、
最大水頭時(shí)效率95.12％ 、最小水頭時(shí)效率
93.27％ ， 在3 個(gè)選型方案中效率是最高的方案；
HLA743 機(jī)型效率次之；HLA606 機(jī)型效率較低。
空蝕性能： HLA606 最大空化系數(shù)0.05 ， 吸出
高度為－ 0.37 m ，抗空蝕性能最好；HLA630 空化系
數(shù)0.08 ， 吸出高度為－ 4.6 m ，抗空蝕性能次之；
HLA743 最大空化系數(shù)0.123 ， 吸出高度為
－ 11.7 m ，抗空蝕性能較差。
能量指標(biāo)方面： 3 個(gè)方案中HLA630 、HLA743
轉(zhuǎn)輪直徑都為2.03 m 、額定轉(zhuǎn)速都為375 r／min ，
HLA630 、HLA743 水輪發(fā)電機(jī)組外形尺寸小、設(shè)備
重量最輕、設(shè)備造價(jià)低， 能量指標(biāo)高。HLA606 轉(zhuǎn)
輪直徑2.19 m 、額定轉(zhuǎn)速333.3 r／min ，其水輪發(fā)電機(jī)
組外形尺寸大、設(shè)備造價(jià)高， 能量指標(biāo)比較低。
運(yùn)行工況：HLA630 、HLA606 運(yùn)行工況范圍都
比較好， 最優(yōu)效率在中、高水頭之間， 90％ 以上在
高效率區(qū)， 運(yùn)行范圍廣； HLA743 水輪機(jī)運(yùn)行工
況差。
綜上所述，HLA630 具有較高的效率， 能量指
標(biāo)比較高， 廠房開(kāi)挖不大， 推薦HLA630 — LJ — 203
為本站大機(jī)代表機(jī)型。
· 29 ·
小水電 2018 年第4 期（總第202 期） 規(guī)劃設(shè)計(jì)
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
表3 18MW機(jī)組機(jī)型主要特征參數(shù)比較
項(xiàng) 目方案一方案二方案三
水輪機(jī)型號(hào)HLA630 —
LJ — 150
HLA743 — LJ — 134
HLA606 — LJ — 165
比轉(zhuǎn)速 197.9 237.7 169.8 比速系數(shù) 2 047.3 2 459.3 1 756.8 額定轉(zhuǎn)速／（r·
min－ 1 ） 500 600 428.6 轉(zhuǎn)輪直徑／m 1.5 1.34 1.65 額定流量／（m3·s － 1 ） 18.62 19.5 18.84 水輪機(jī)額定效率／％ 94.94 90.85 93.9 模型水輪機(jī)最高
效率／％
94.75 94.21 93.2 效率修正值／％ ＋ 0.87 ＋ 0.87 ＋ 0.95 吸出高度 － 4.6 － 11.7 － 0.37 氣蝕系數(shù) 0.08 0.123 0.05 （2） 18MW 機(jī)組代表轉(zhuǎn)輪分析比較
效率： 3 個(gè)方案中， 方案一效率最高，HLA630
機(jī)型的模型最高效率94.75％ ， 原型最高效率
95.62％ 。水輪機(jī)額定效率94.94％ 、最小水頭效率
93.16％ 、最大水頭效率95.32％ ； 方案二效率也比
較高， 但最小水頭效率89.015％ 比較低； 方案三
HLA606 模型最高效率93.2％ ， 水輪機(jī)最大水頭和
最小水頭效率都低。
空蝕性能： HLA606 最大空化系數(shù)0.05 ， 吸出
高度為－ 0.37 m ，抗空蝕性能最好；HLA630 空化系
數(shù)0.08 ， 吸出高度為－ 4.6 m ，抗空蝕性能次之；
HLA743 最大空化系數(shù)0.123 ， 吸出高度為
－ 11.7 m ，抗空蝕性能較差。
能量指標(biāo)方面： 3 個(gè)方案中HLA743 轉(zhuǎn)輪直徑
為1.34 m 、額定轉(zhuǎn)速600 r／min ，能量指標(biāo)比較高， 水
輪發(fā)電機(jī)組外形尺寸小、設(shè)備重量最輕、設(shè)備造價(jià)
低，能量指標(biāo)比較高， 但廠房開(kāi)挖很深。HLA630
能量指標(biāo)次之、HLA606 的能量指標(biāo)比較差。
運(yùn)行工況：HLA630 運(yùn)行工況范圍都比較好，
整個(gè)運(yùn)行水頭都在最優(yōu)效率區(qū)內(nèi)； HLA743 和
HLA606 水輪機(jī)運(yùn)行工況都比較差， 高水頭運(yùn)行工
況偏移高效區(qū)。
綜上所述，HL A630 具有比較高的效率、機(jī)組
尺寸小、設(shè)備重量最輕、廠房開(kāi)挖不大、機(jī)組穩(wěn)定
運(yùn)行范圍廣， 因此推薦HLA630 — LJ — 150 為本站小
機(jī)代表機(jī)型。
HLA630 轉(zhuǎn)輪在天生橋二級(jí)電站、烏江渡電站
擴(kuò)機(jī)、龍背灣等許多水電站已成功運(yùn)行。
4 結(jié) 語(yǔ)
夾巖水利樞紐及黔西北供水工程是1 座大型水
利樞紐工程， 其主要功能為供水、灌溉， 雖然有很
大的庫(kù)容， 但是壩后電站裝機(jī)容量并不大， 保證出
力也不高， 電站主要是在下放生態(tài)流量時(shí)進(jìn)行發(fā)
電， 豐水期也可以多發(fā)季節(jié)性電量； 因此在裝機(jī)方
案選擇時(shí)著重考慮了機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的高效穩(wěn)定
性。采用大小機(jī)搭配的方案， 使小機(jī)能夠有較好的
運(yùn)行范圍， 同時(shí)大小機(jī)的搭配也涵蓋了混流式機(jī)組
的穩(wěn)定運(yùn)行范圍。至于機(jī)組選型方面， 由于水頭變
幅較大， 因此著重分析了水頭段出現(xiàn)的幾率， 保證
機(jī)組在長(zhǎng)期運(yùn)行的水頭范圍內(nèi)有較優(yōu)的運(yùn)行工況，
選擇了本水頭段具有代表性的轉(zhuǎn)輪。
參考文獻(xiàn)：
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機(jī)械設(shè)計(jì)［J］ .水力發(fā)電，2016 ，42（5） ：77 80
■
責(zé)任編輯 吳 昊

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