河南省出山店水电站水轮发电机组选择研究

秦钟建

（中水淮河规划设计研究有限公司 合肥 230601）

1 工程概况

河南省出山店水库位于河南省信阳市游河乡出山店村附近，坝址在京广铁路以西14km 的淮河干流上，距信阳市约15km，是一座以防洪为主，结合供水、灌溉并兼顾发电等综合利用的大型水利枢纽工程。电站总装机2900kW，多年平均发电量约757万kW·h，年平均利用小时数约2609 h。电站建成后向电网供电，不担任电网系统中的调峰任务。

2 电站基本参数

2.1 气象条件

最高气温 41.1℃

最低气温 -20.3℃

多年平均气温 15℃

2.2 特征水位

水库正常蓄水位 88.00m

水库死水位 84.00m

水库校核洪水位 98.12m

水库设计洪水位 95.78m

下游校核洪水位 84.30m

下游设计洪水位 82.85m

电站最低尾水位 74.08m

电站设计尾水位 74.91m

2.3 电站水头

最大水头 12.72m

最小水头 8.72m

平均水头 11.13m

3 水轮机选择

3.1 额定水头选择

水轮机额定水头的选择涉及水能利用、机组稳定运行、工程投资及经济效益等多种因素。出山店水库具有一定的库容调节能力，因此采用等于电站平均水头的简化方法确定水轮机的额定水头，即电站水轮机的额定水头确定为11.13m。

3.2 机组台数选择

机组台数的选择综合考虑电站适应生态期流放水和洪水期弃水不同运行期间电站水轮机出力变化调节、低水头时机组受阻容量尽可能小、工程投资节省及能够充分发挥工程效益等因素，出山店水电站采用安装1 台400kW 机组用于生态基流放水时发电和2 台1250kW 机组用于洪水期弃水发电“一小两大”的设计方案。

图1 出山店水电站ZDJP502-LH -160 机组剖面图

3.3 机组型式选择

3.3.1 轴流式水轮机

轴流式水轮机用于开发低水头，较大流量的水力资源，在我国的大中小型低水头水电站也有着广泛的应用。该机组具有结构简单、运行可靠、检修方便及造价低等特点。如安徽省牛角冲水电站、甘肃省清水水电站等工程采用的立轴轴流定桨式水轮机机组。

经适应出山店电站运行水头范围内的多个转轮水力模型的比选，出山店电站选用JP502 转轮。该转轮是中国水利水电科学院借鉴轴流转桨式转轮的设计方法和成果，充分利用定桨式转轮的特点设计开发转轮，具有最优效率高、高效率运行区范围宽、空化性能好等综合性能优异的特点，并已应用于多座小型轴流定桨式水电站且收效显著[1]。

出山店水电站大机组立轴式水轮机组立剖面如图1 所示。

3.3.2 轴伸式

适合出山店电站水头范围的有灯泡式、轴伸式、竖井式及全贯流式等多种型式的水轮机。由于出山店电站单机容量小，不适合采用灯泡贯流式，而采用轴伸贯流式水轮机。

轴伸贯流式水轮机是针对开发低水头水力资源并提高利用率而研究开发的，轴伸贯流式水轮机流道由进水管、座环、锥形导水机构、转轮室、尾水锥管和“S” 形尾水肘管及尾水渠组成。水流能平行于水轮机轴流向转轮，均匀地引入锥形导水机构和转轮室，并高效地转化为水轮机的机械能。国内成功研制出能基本覆盖轴伸贯流式水轮机使用范围且具有优良水力特性GZ006、GZ007 和GZ008 等系列的水力模型，该系列转轮应用于江西上罗水电站、南平沙溪口水电站及广东苏拱水电站等工程[4，5]。GZ007 轴伸贯流式水力模型适合出山店电站使用，出山店水电站大机组轴伸贯流式水轮机组立剖面如图2 所示。

3.3.3 方案比较

图2 出山店水电站GD007-WZ-160 机组剖面图

表1 JP502 和GZ007 模型转轮主要参数表

根据轴流式和轴伸贯流式两种水轮机型式比较，出山店电站所用JP502 和GZ007 水力模型最优工况点参数见表1，根据模型综合特性曲线计算电站大小机组的主要参数见表2。

由表1 可以看出：JP502 转轮效率高、单位流量大、临界空化系数小及GZ007 单位转速稍高的特点。

根据模型参数确定电站大小机组的主要参数由表2 可看出：轴流式机组与轴伸贯流机组相比，主要特点有：大机组ZDJP502-LH-160 和GD007-WZ-160 的转轮直径和额定转速参数相同；小机组ZDJP502-LH-90 和GD007-WZ-100 的额定转速相同，但前者转轮直径小于后者；轴流式机组的在设计工况点的效率稍低于轴伸贯流式机组；前者安装高程高于后者、前者厂房宽度小于后者，轴流式机组有利于减少工程开挖量、有利于在大坝后侧布置电站主厂房和副厂房及减少工程投资等特点。

表2 JP502 和GZ007 水轮机原型参数比较表

表3 电站大、小水轮发电机组主要参数表

综合考虑河南省出山店水库的总体布置及电站特点，出山店水电站选用“一小两大”定桨轴流式水轮机组。

4 选定方案机组参数

出山店电站水轮发电机组参数如表3。

5 结语

通过轴流式与轴伸贯流式两种型式水轮机组的综合比较后，出山店水电站采用高效率轴流定桨式水轮机发电机组，在满足工程设计要求的同时节省了工程投资并能充分发挥水电站的经济效益。

JP502 轴流定桨式水轮机转轮具有较高的效率和过流能力，其部分特性达到或超过轴伸贯流式水轮机，该水力模型在出山店工程中的应用为新建或更新改造的低水头中小型水电站提供更多设计参考方案■