关公凹水电站机组选型设计优化研究
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作者: 吴健汀
[摘要] 对水电站的机组进行准确选型，不仅事关电站将来能否安全可靠、高效运行，对工程投资也有着较大的影响。本文介绍了清流县关公凹水电站水轮机机型比选情况，对原初设的机组型号及参数进行了优化，使电站出力有了较大提高，节省了工程投资。同时，通过对本电站的机组选型优化设计进行总结，提出了中低水头段、大流量的中小型电站水轮机选型的一些看法。
[关键词] 关公凹水电站 水轮机 选型优化设计
1 电站概况
关公凹水电站位于福建省清流县罗口溪的干流。该工程坝址位于长潭河与罗口溪汇合口上游约700m处的罗口溪上，坝址以上控制流域面积1220km2，水库总库容730万m3。本工程以发电为主，电站总装机容量2×8000kW，是清流县历史以来装机容量最大的水电站，电站为不完全日调节电站。电站枢纽由拦河坝、发电引水系统、坝后厂房及升压变电站等组成。
2 机组选型基本资料
2.1水位(黄零为基准面)
水库水位：
正常蓄水位 291.30m；
死水位 286.50m；
设计洪水位 291.58m；
校核洪水位 291.83m。
尾水位：
最低尾水位 263.50m；
正常尾水位 264.80m；
设计洪水位 278.59m；
校核洪水位 279.25m。
2.2水头
最大水头： 25.1m；
最小水头： 21.4m；
设计水头： 22.1m。
2.3发电引用设计流量： 85.6m3/s；
最小流量： 21.4m3/s。
3 水轮机原选型设计及问题
在关公凹电站原初步设计中，推荐机组台数2台单机容量为7500kW，采用混流式水轮机，水轮机型号为HLA551-LJ- 240型，ns=306.7m.kW，配套发电机型号为SF7500-36/4250。
根据关公凹电站的水能参数，选择混流式水轮机的优点有：(1)水轮机安装、检修方便；(2)机组吸出高度HS值大，水轮机安装高程高，机坑开挖浅。缺点有：(1)偏离额定工况时，效率下降显著；(2)机组运行范围窄；(3)机组过流量小、转速低、机组重量大、造价贵。
4 水轮机选型设计优化
为了降低关公凹水电站的工程投资造价，充分利用水能，使电站在投产后具有良好的技术性能和经济效益，必须对原设计选择的2台混流式水轮机方案进行优化。优化后的方案是：机组台数2台，单机容量为8000kW，采用轴流转桨式水轮机，水轮机型号为ZZJK508-LJ-250，配套发电机型号为SF8000-24/4250。水轮机基本参数是：设计水头：22.1m；设计流量：42.8m3/s；设计出力：8282kW；额定转速：250r/min；额定效率：92.5%。
采用轴流转桨式水轮机的优缺点如下。优点：(1)转速高，转速从166.7r/min(36极)提高到250r/min(24极)，机组的比转速提高到474.8m.kW，比初步设计审查批复(初设审查批复水机型号按比转速305m.kW左右选定)有了较大幅度提高，大大降低水轮发电机组总重量，进而节省材料，降低机组造价；(2)水轮机效率高且平缓，半负荷时(4000kW)，水轮机效率也在90%以上；(3)机组运行稳定，运行范围广；(4)水能利用充分，年平均发电电能显著增加，电站装机容量从原初设批复的15000kW提高到16000kW。缺点：(1)安装、检修较混流式复杂；(2)机组安装高程较低，厂房开挖深度增加约4m。
原设计的混流式机组与优化后的轴流式机组方案比较如下表所示。
从上表可以看出，混流式水轮发电机组比轴流式发电机组在厂房及机电设备投资上要高出89万元，额定效率要低0.5%(在偏离设计水头时效率还要低更多)。
电站的年利用小时数为3913小时。
根据水轮机出力公式：N=9.81QHη
式中：N―水轮机出力(kW)；Q―水轮机流量(m3/s)；H―设计水头(m)；η―水轮机效率。
在方案比较中，两个方案的发电机效率基本相同，不予比较，由此我们可以推算出在不同时段水头下，同样流量情况下，两种机组的出力差值△N=N1-N2
式中：N1―轴流转桨式水轮机出力(kW)；N2―混流式水轮机出力(kW)。
方案优化后，水轮机运行效率基本都在88.5%以上。经计算，选用新型机组后，电站年平均电能6260万kWh，比初设增加223万kWh，按上网电价0.3元/kWh计，则年增加经济收入66.9万元。
5 结语
在选择中低交界水头段的中小型机组时，应该对轴流式机型和混流式机型进行认真比选。在确定水电站的机组形式时，不要只注重土建开挖深及投资，而应除了对土建及机电设备的总投资作充分的分析比较外，还要对机组运行效率作进一步分析比较，使电站在投产后的长期运行中能稳定高效运行。
清流县关公凹水电站已于2003年顺利投产发电，机组运转稳定，电站出力均达到设计要求。2007年对2号机进行大修检查，2号机转轮表面平滑，基本无汽蚀现象。设计方案优化后经济效益明显，获运行管理单位好评。
参考文献:
[1] 水电站机电设计手册[水力机械][M]. 北京: 水利电力出版社，1983.
[2] 水轮机（第二版）[M]. 北京: 水利电力出版社，1983.
[3] 福建省水利规划院. 福建省清流县关公凹水电站初设补充设计报告[R].
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