新疆小山口二级水电站运行分析

新疆小山口二级水电站运行分析

1小天王二级电站小山口第二个水库位于新疆巴音郭楞自治省开都河下游和河静县。小山口水库下游7.5公里，距万山口水库下游18.5公里。小山口二级水电站是小山口水电站~哈尔莫墩水电站之间河段两级水能梯级开发电站之一,属径流式水电站。本电站距和静县城约72km,距自治州首府库尔勒市约114km。电站采用无坝引水方式,即引水渠道与上游小山口水电站尾水渠直接相连,通过引水闸和节制闸进行控制。枢纽主要建筑物有引水闸、小山口水电站尾水渠节制闸、引水渠道、前池、溢流堰及泄槽、压力管道、厂房、尾水渠等。2正常蓄水位水质电站装机容量53.4MW,保证出力11.42MW,多年平均发电量2.17×108kW·h,装机年利用小时数4384h。电站建成后将在汛期承担腰荷和基荷、非汛期承担调峰任务。电站前池正常蓄水位1277.23m,最大水头33.64m,最小水头28.17m,加权平均水头31.67m,额定水头31.3m。电站所在河流多年平均流量110.8m3/s,多年平均含沙量0.02kg/m3,汛期平均含沙量0.03kg/m3,多年平均悬移质输沙量6.2×104t(见表1)。3机定额水头选择小山口二级水电站为径流式引水电站,根据《水力发电厂机电设计规范》的有关规定:对于径流式电站,水轮机额定水头的选择应保证电站发足装机容量。本电站运行水头范围为28.17~33.64m,加权平均水头为31.67m,水头变幅较小。根据前池水位、引水系统水头损失、各特征下泄流量对应的下游水位及电站的运行方式,为减少水轮机的出力受阻机率,确定额定水头为31.3m,约为加权平均水头的0.988。4机械设计的选择4.1主要运行表现根据本电站运行水头范围,适用的水轮机型式有轴流式和混流式。电站水头变幅为5.5m,如选用轴流定桨式水轮机,虽然转轮及调速系统比转桨式构造简单,造价低廉(水轮机部分造价约低60~80万);但考虑到本电站为径流式电站,其发电流量取决于上游小山口水电站的下泄流量,当下泄流量低于本电站单机额定流量的75%时,从轴流定桨式水轮机特性曲线上看,流量的变化会使机组效率急剧下降,机组将处于非设计工况下运行,还容易引起空蚀和振动,因此不再考虑采用轴流定桨式水轮机。下面将对混流式与轴流转桨式水轮机进行技术及经济比较。(1)泥沙对水轮机的影响从泥沙磨损对水轮机的破坏而言,两种机型相差不大,主要和水轮机参数及过机含沙量有关。混流式机组转轮出口的相对流速比轴流式机组低,在相同泥沙含量的情况下,混流式机组转轮的泥沙磨损程度较轴流式机组轻。根据开都河上各梯级电站实际运行情况来看,实测汛期时泥沙含量较大,对转轮的磨损情况较严重。此外,混流式水轮机具有更好的抗气蚀性能(混流式水轮机没有限制水流的轮毂,因而空蚀性能更好)。(2)模型转轮及参数为方便比较,达到技术比较的同步,确定了两种转轮模型在现有的科技水平下均具有较高效率的原则,混流水轮机暂采用HLA551C模型转轮,轴流转桨式水轮机暂采用ZZ550模型转轮(见表2)。HLA551C模型转轮最优工况点效率为93.5%,ZZ550模型转轮最优工况点效率为92.5%,显然HLA551C模型效率较高;但在设计工况点比较相差不大,即能量指标上两者区别不明显。从模型曲线看出,轴流转桨式水轮机的高效区比较宽、变化比较平缓(见表3)。(3)运行范围从表3可以看出,两种机型在设计工况下的流量相差不大,分别为64.19、64.3m3/s,上游梯级电站的水轮机在设计水头34.5m时,额定流量为64.74m3/s,基本匹配。由于本电站水头变幅不大,基本运行在额定水头附近,采用轴流转桨式水轮机可通过加大导叶开度方式运行,多获得电能;而混流式机组因受出力限制线的限制,基本上不具备加大导叶开度发电的能力。但在本工程中,轴流转桨式水轮机这种优势没有体现出来,主要原因是上游小山口水电站的水轮机也是混流式,不具备加大导叶开度发电的能力。(4)检修与维护混流式水轮机结构简单,检修非常方便;轴流转桨式水轮机由于实现导叶与桨叶的协联调节,结构复杂,检修、运行、维护的方便程度均不及混流式水轮机。另从管理上考虑,采用混流式水轮机与上游小山口水电站机型一致,便于维护、管理。(5)加工制造及运输从制造难度上分析,两种机型都属于成熟和广泛应用的产品,对于本电站的水头段和单机容量,其制造难度均不大,国内大多数厂家都能具备设计制造能力。本工程的转轮直径不大,无论采取哪种机型均能满足运输要求,不存在现场组装问题。(6)对厂房布置的影响轴流式水轮机比转速较高、机组尺寸较小,厂房总长度约为60m;采用混流式水轮机,厂房总长度为73m,相差13m。轴流式水轮机由于空化系数大,机组安装高程、尾水管底板高程低,机组安装高程相差6.75m,厂房开挖量大,土建施工难度及工程量较大。(7)综合比较综上所述,经与轴流式水轮机相比,混流式水轮机虽然转速低、机组尺寸较大,机电设备及土建投资较高,但其具有水轮机结构简单,运行、维护方便,抗气蚀性能好,泥沙磨损比轴流式水轮机轻等特点。另对于本工程而言,从理论分析上来看,平均过机含沙量并不大,但汛期泥沙比较集中,考虑到汛期对水轮机的磨损可能会比较严重,经综合考虑还是选用混流式水轮机。4.2不同转轮的能量在中小型水轮机型谱中较为合适的混流式模型转轮型号有:HLD260B—35、HL(F13)—35、HLA551C—35.2、FF403E—35.2(见表4)。由表4可以看出,HLA551C转轮的能量指标优于HLD260B、HL(F13)和HLFF403E,即最优单位转速较高、单位流量较小、效率较高。通过计算,在确定的单机容量情况下,HL(F13)转轮比其他3种转轮具有较小的转轮直径,相应的主要设备投资较小,但额定效率较低一些;HLA551C转轮与HLD260B和HLFF403E具有相同的转轮直径,但运行范围较好,高效率区较宽。综合考虑技术经济等各项指标,本阶段推荐采用HLA551C转轮。5机组方案比选小山口二级水电站为渠道引水式电站,因此其引用流量应与上级水电站的泄水流量基本相对应,才能充分地利用水资源并保证机组稳定运行。本阶段对装设2台机组(2×26.7MW)、3台机组(3×17.8MW)及2大1小(2×20MW+13.4MW)机组进行方案比较。经分析,2台机组方案和2大1小机组方案虽然可使工程投资略有减小,但当上游小山口水电站1台(或2台)机运行时,由于流量不匹配,将使本电站很难处于最优工况区,机组运行效率较低,能量指标不好。从经济或管理方面考虑,在1座电站中应尽可能选用同型号机组,使其制造、安装、运行维护及备件供应均能方便统一。本电站如采用3台机组方案,将实现与上游小山口水电站一一对应的关系,适应上游电站发电流量的变化,充分利用上游电站发电尾水。3台机组方案满足运行灵活性要求,水工布置简单,工程投资相对较省。故从尽量减少弃水,充分利用水能,提高电站经济效益的设计原则出发,与上游梯级电站协调运行,确定装机台数为3台,单机容量为17.8MW。6机组安装高程的确定水轮机的安装高程按1台水轮机额定流量对应的下游水位来确定。由电站厂房尾水水位与流量关系曲线查得设计尾水位为1242.50m(1台机组满发时对应的水位),经计算比较,机组允许的吸出高度为+0.25m,确定的安装高程为1242.75m。复核电站可能出现的所有运行工况下,该安装高程均满足抗空化性能的要求,并满足尾水管出口顶部淹没深度0.5m以上的要求。7旋转直径d通过各设计阶段水轮机主要参数的优化设计及主机设备招投标,最终确定水轮机的主要技术参数:型号为HLJF3635D—LJ—280,额定出力18.350MW,额定水头31.3m,转轮直径D1为2.80m,额定转速150r/min,额定流量64.22m3/s,额定效率93.15%,吸出高度Hs为+0.384m(至转轮中心)