小型水电站设计要点

工程概况

该工程是一座以灌溉、供水、改善保护区生态环境为主，兼顾发电等综合利用的大（2）型水利枢纽工程，水库设计总库容 1.16 亿 m³ ，兴利库容 0.97亿 m³ ，调节库容 0.70 亿 m³ ，兴利水位 499m ，死水位 480m ，电站装机容量为40MW，目前工程已建成并网发电。

水电是一种清洁无污染的能源，水利枢纽的修建将使电站的电价成本低，上网时具有较强的竞争力。该电站保证出力 4.1MW，电站设计最大水头42.63m ，最小水头 23.32m ，加权平均水头 40.62m ，电站装机 40MW，多年平均发电量 13817 万 kW⋅h ，多年平均装机年利用小时数 3505h_⨀ 。总的来说，该电站开发条件较好。

1 发电机组

1.1 额定水头

额定水头的选择直接关系到保证率、发电效益和工程投资。根据规范要求，额定水头与加权平均水头的比值在 0.85～0.95 范围内，即额定水头的取值范围为 34.4m～38.5m_⨀ 。本电站水头变化范围 H_max/H_min=1.95 ，属于水头变幅较大的电站，根据水文资料，电站在 30m 水头以下运行的概率为 5% ；电站在 30m~38m水头范围内运行的概率为 12.78% ；电站在 38m～45.82m 水头范围内运行的概率为 82.22% 。从水头特性看，电站大部分时间在高水头段运行。

提高额定水头有利于机组在高水头段运行的稳定性，但会导致低水头段出力受阻。统计资料表明： H_max/H_r 的值，国外有 85% 的电站小于 1.15 ；国内有75% 的电站小于 1.15，这些机组运行情况都基本良好。综合以上条件，本电站额定水头确定为 38m. 。

1.2 机组台数

从电站调度、运行维护和水轮机的运行稳定性看，较多的机组台数能保持较高的电厂平均效率；此外由于本电站利用生态流量以及汛期弃水进行发电，电站保证出力仅为 4.1MW，因此较小的单机容量能使机组稳定运行。考虑工程经济性和技术上的优势，工程采用4 台机方案，单机容量为10MW。

1.3 水轮机

根据水电站的运行水头范围、电站运行特点、高海拔的影响，适当降低水轮机参数水平有利于机组安全、稳定运行。水电站装机容量为 40MW，属小型水电站，水轮机宜选用近年来已经过模型试验成型的产品，经方案比选，选择HLA904a 混流式模型转轮。

水轮机为竖轴混流式，机组采用二根轴结构。转轮采用不锈钢材料制造，铸焊结构，整体运输至工地。水轮机导轴承采用油浸式自循环稀油润滑分块瓦结构。顶盖和底环采用钢板焊接结构，顶盖过流面设有不锈钢抗磨板并装有不锈钢止漏环。在水轮机轴穿顶盖处设有主轴工作密封和检修密封。活动导叶由2 个直缸接力器操作，接力器布置在水轮机机坑壁接力器坑衬内。

1.4 发电机

水电站发电机型式为立轴悬式交流同步发电机，发电机采用密闭自循环空气冷却方式。经与生产厂家协商，发电机飞轮力矩为 370⋅t⋅m² 。

发电机结构型式为立轴悬式结构，主轴为二根轴结构，发电机轴与水轮机轴采用法兰连接。推力轴承和上导轴承位于上机架内，下导轴承位于下机架内。发电机顶部装有集电装置及外罩等部件。发电机上、下机架上均铺有钢盖板，构成发电机风罩。

2 厂房布置

2.1 主厂房

经对发电机、蜗壳、尾水管最大外形尺寸的比较，考虑机组附属设备、必要的外包混凝土，确定机单组段长度为 12.4m ，边机组段长度 19.4m ，主机间总长为 73.1m 。厂房上游侧布置蝶阀，下游侧布置电气控制盘，考虑设备管道、通道等要求，确定厂房宽度为 21.4m. 。安装间布置在主机间左侧，宽度与主机间一致，为 21.4m ，其面积按满足一台水轮发电机组安装检修要求，确定安装间长度为 18m 。

一台机发电运行时，最低尾水位 453.15m ，确定机组安装高程为 448.00m_⨀ 。据尾水管体形尺寸，确定尾水管底板高程 442.80m ，厂房建基高程 440.70m ；根据蜗壳进口端尺寸及上部结构必须的混凝土厚度，确定水轮机层地面高程为452.50m ；根据水轮发电机组的尺寸、水轮机机坑进人门高度，确定发电机层地面高程为 4057.20m ；桥机轨顶高程按起吊转子所需安全高度确定为 470.20m

安装间地面高程与发电机层地面相同为 457.20m ，安装间地面以下布置一层，第一层地面高程为 4051.50m ，与主机间水轮机层同高。

图1 发电机机组布置图