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夾巖水利樞紐壩后電站裝機方案及選型設計

文檔作者：葛曦，黃正財，楊超，張建勛文檔來源：貴州省水利水電勘測設計研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2024年03月05日
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收稿日期：2018 － 04 － 04
作者簡介 ：葛 曦 （1981 － ） ，男 ，高級工程師 ，主要從事 水力機械， 節(jié)能降耗設計， 清潔生產、能源管
理與循環(huán)經濟等方面的研究工作。
E mail ： gzgexi＠ 163.com
夾巖水利樞紐壩后電站裝機方案及選型設計
葛 曦， 黃正財，楊 超， 張建勛
（貴州省水利水電勘測設計研究院， 貴州貴陽550002）
摘 要： 夾巖水利樞紐壩后電站總裝機容量為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
裝機方案的選擇上主要考慮提高機組加權平均效率， 提高機組運行穩(wěn)定性。水庫總庫容13.21 億m3 ， 為Ⅰ 等大⑴ 型工程，
電站水頭變幅較大， 在機組選型計算過程中， 重點計算比較了機組穩(wěn)定性、能量指標、氣蝕性能、運行工況、額定轉速以
及廠房尺寸等， 最終選出了最優(yōu)方案。表3 個。
關鍵詞： 壩后電站； 機組效率； 穩(wěn)定性； 裝機方案； 選型設計
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， 一管三機布置型式， 總裝機容量
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容、低保證出力的特
點，因此裝機方案的確定需結合下放生態(tài)水的流
量， 重視機組長期運行的高效與穩(wěn)定， 同時考慮電
站高水頭且變幅較大的運行穩(wěn)定性。
2 裝機方案分析
機組臺數(shù)的選擇原則主要考慮機組的運行穩(wěn)定
性和運行維護管理、機電設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， 水庫調度運行方式是電調服從水
調， 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)水運行。為了保證機組長期高
效穩(wěn)定運行， 提高發(fā)電量和機組使用壽命， 結合電
站的保證出力及該水頭段混流式機組的穩(wěn)定運行范
圍， 選用3 × 30 MW和2 × 36 MW ＋ 1 × 18 MW （大
小機方案） 兩個裝機方案進行技術經濟比較。兩個
方案投資相差不大， 大小機方案電站布置略微復
雜， 但運行調度比較靈活。
夾巖水庫壩址下游4 km處為九洞天國家重點風
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 ，采用曼寧公式計算出相應流量為
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算， P ＝
90％ 時， 對應的流量為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機組額定流
量18.62 m3 ／s 之比占62.8％ ， 與30 MW機組額定流
量30.91 m3 ／s 之比為37.9％ 。本電站為混流式機
組，主機出力穩(wěn)定運行區(qū)間為45％ ～ 100％ ， 在單
獨下放環(huán)境水的情況下，18 MW小機組可高效穩(wěn)定
運行； 而3 臺30 MW的裝機方案在這些工況下不在
穩(wěn)定運行區(qū)間。
因此， 夾巖壩后電站機組臺數(shù)推薦2 × 36 MW
＋ 1 × 18 MW的大小機方案。
3 機組選型設計
電站最大水頭為113.4 m ，此水頭段適合的水輪
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規(guī)劃設計 SMALL HYDRO POWER 2018No.4 ， Total No.202
萬方數(shù)據
機型式為混流式。該水頭段至150 m水頭段合適的
轉輪有HLA743 、HLA630 、HLA606 、HLA384 、
D294A 、HLA855 、HLA801 、HLY190 、HLA678 等優(yōu)
秀轉輪。
3.1 額定水頭的選擇
電站的運行水頭為113.4 ～ 95.5 m ，電站加權平
均水頭為110.5 m ，水頭變幅為17.9 m 。額定水頭在
加權平均水頭的0.95 ～ 1 之間選定。從水頭出現(xiàn)幾
率表得知（見表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％ 。
目前國內外已運行的穩(wěn)定性較好的水電站水輪
機運行水頭統(tǒng)計規(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 。
考慮電站運行的穩(wěn)定性， 同時考慮機組出力受阻較
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 機型選擇
擇優(yōu)選擇HLA630 、HLA743 、HLA606 等3 種轉輪
（代表不同的轉速）進行詳細的技術經濟比較。在機
組選型計算過程中，重點計算比較了機組穩(wěn)定性、能
量指標、氣蝕性能、運行工況、額定轉速以及廠房尺
寸等（見表2 、表3） 。
表2 36MW機組機型主要特征參數(shù)比較
項 目方案一方案二方案三
水輪機型號 HLA630 —
LJ — 203 HLA743 — LJ— 203 HLA606 — LJ — 219
比轉速 209.9 230.3 186.6 比速系數(shù) 2 171.5 2 302.7 1 930 額定轉速／（r·
min－ 1 ）
375 375 333.3 轉輪直徑／m 2.03 2.03 2.19 額定流量／（m3·s － 1 ） 37.63 37.29 37.67 水輪機額定效率／％ 93.96 94.82 93.84 模型水輪機最高
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 機組代表轉輪分析比較
效率：HLA630 機型的模型最高效率94.75％ ，
原型最高效率95.75％ 。水輪機額定效率93.96％ 、
最大水頭時效率95.12％ 、最小水頭時效率
93.27％ ， 在3 個選型方案中效率是最高的方案；
HLA743 機型效率次之；HLA606 機型效率較低。
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。
能量指標方面： 3 個方案中HLA630 、HLA743
轉輪直徑都為2.03 m 、額定轉速都為375 r／min ，
HLA630 、HLA743 水輪發(fā)電機組外形尺寸小、設備
重量最輕、設備造價低， 能量指標高。HLA606 轉
輪直徑2.19 m 、額定轉速333.3 r／min ，其水輪發(fā)電機
組外形尺寸大、設備造價高， 能量指標比較低。
運行工況：HLA630 、HLA606 運行工況范圍都
比較好， 最優(yōu)效率在中、高水頭之間， 90％ 以上在
高效率區(qū)， 運行范圍廣； HLA743 水輪機運行工
況差。
綜上所述，HLA630 具有較高的效率， 能量指
標比較高， 廠房開挖不大， 推薦HLA630 — LJ — 203
為本站大機代表機型。
· 29 ·
小水電 2018 年第4 期（總第202 期） 規(guī)劃設計
萬方數(shù)據
表3 18MW機組機型主要特征參數(shù)比較
項 目方案一方案二方案三
水輪機型號HLA630 —
LJ — 150
HLA743 — LJ — 134
HLA606 — LJ — 165
比轉速 197.9 237.7 169.8 比速系數(shù) 2 047.3 2 459.3 1 756.8 額定轉速／（r·
min－ 1 ） 500 600 428.6 轉輪直徑／m 1.5 1.34 1.65 額定流量／（m3·s － 1 ） 18.62 19.5 18.84 水輪機額定效率／％ 94.94 90.85 93.9 模型水輪機最高
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 機組代表轉輪分析比較
效率： 3 個方案中， 方案一效率最高，HLA630
機型的模型最高效率94.75％ ， 原型最高效率
95.62％ 。水輪機額定效率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。
能量指標方面： 3 個方案中HLA743 轉輪直徑
為1.34 m 、額定轉速600 r／min ，能量指標比較高， 水
輪發(fā)電機組外形尺寸小、設備重量最輕、設備造價
低，能量指標比較高， 但廠房開挖很深。HLA630
能量指標次之、HLA606 的能量指標比較差。
運行工況：HLA630 運行工況范圍都比較好，
整個運行水頭都在最優(yōu)效率區(qū)內； HLA743 和
HLA606 水輪機運行工況都比較差， 高水頭運行工
況偏移高效區(qū)。
綜上所述，HL A630 具有比較高的效率、機組
尺寸小、設備重量最輕、廠房開挖不大、機組穩(wěn)定
運行范圍廣， 因此推薦HLA630 — LJ — 150 為本站小
機代表機型。
HLA630 轉輪在天生橋二級電站、烏江渡電站
擴機、龍背灣等許多水電站已成功運行。
4 結 語
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
大的庫容， 但是壩后電站裝機容量并不大， 保證出
力也不高， 電站主要是在下放生態(tài)流量時進行發(fā)
電， 豐水期也可以多發(fā)季節(jié)性電量； 因此在裝機方
案選擇時著重考慮了機組長時間運行的高效穩(wěn)定
性。采用大小機搭配的方案， 使小機能夠有較好的
運行范圍， 同時大小機的搭配也涵蓋了混流式機組
的穩(wěn)定運行范圍。至于機組選型方面， 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
機組在長期運行的水頭范圍內有較優(yōu)的運行工況，
選擇了本水頭段具有代表性的轉輪。
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責任編輯 吳 昊

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