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夹岩水利枢纽坝后电站装机方案及选型设计

文档作者：葛曦，黄正财，杨超，张建勋文档来源：贵州省水利水电勘测设计研究院		点击数：	更新时间： 2024年03月05日
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收稿日期：2018 － 04 － 04
作者简介 ：葛 曦 （1981 － ） ，男 ，高级工程师 ，主要从事 水力机械， 节能降耗设计， 清洁生产、能源管
理与循环经济等方面的研究工作。
E mail ： gzgexi＠ 163.com
夹岩水利枢纽坝后电站装机方案及选型设计
葛 曦， 黄正财，杨 超， 张建勋
（贵州省水利水电勘测设计研究院， 贵州贵阳550002）
摘 要： 夹岩水利枢纽坝后电站总装机容量为90 MW ，因保证出力不高， 更主要的是要利用下放生态水发电， 所以在
装机方案的选择上主要考虑提高机组加权平均效率， 提高机组运行稳定性。水库总库容13.21 亿m3 ， 为Ⅰ 等大⑴ 型工程，
电站水头变幅较大， 在机组选型计算过程中， 重点计算比较了机组稳定性、能量指标、气蚀性能、运行工况、额定转速以
及厂房尺寸等， 最终选出了最优方案。表3 个。
关键词： 坝后电站； 机组效率； 稳定性； 装机方案； 选型设计
1 概 述
夹岩水利枢纽工程是贵州省1 座以城乡供水和
灌溉为主、兼顾发电并为区域扶贫开发及改善生态
环境创造条件的综合性大型水利枢纽工程， 由水源
工程、毕大供水工程和灌区骨干输水工程3 部分组
成。夹岩坝后电站布置于大坝右岸下游冲沟出口，
采用地面式厂房， 一管三机布置型式， 总装机容量
为90 MW ，保证出力为10.3 MW ，多年平均发电量为
2.198 亿kW.h 。电站最大水头113.4 m ，加权平均水
头110.5 m ，最小水头95.5 m ，泥沙含量0.65 kg／m3 。
夹岩坝后电站具有大库容、低保证出力的特
点，因此装机方案的确定需结合下放生态水的流
量， 重视机组长期运行的高效与稳定， 同时考虑电
站高水头且变幅较大的运行稳定性。
2 装机方案分析
机组台数的选择原则主要考虑机组的运行稳定
性和运行维护管理、机电设备投资和厂房土建工程
量等因素。
因该水利枢纽功能主要以供水和灌溉为主， 发
电为次要功能， 水库调度运行方式是电调服从水
调， 因此在灌溉季节首先保证灌溉和供水功能， 发
电仅能利用下放生态水运行。为了保证机组长期高
效稳定运行， 提高发电量和机组使用寿命， 结合电
站的保证出力及该水头段混流式机组的稳定运行范
围， 选用3 × 30 MW和2 × 36 MW ＋ 1 × 18 MW （大
小机方案） 两个装机方案进行技术经济比较。两个
方案投资相差不大， 大小机方案电站布置略微复
杂， 但运行调度比较灵活。
夹岩水库坝址下游4 km处为九洞天国家重点风
景名胜区上游边界， 满足河道景观和漂流的最低水
深为1.35 m ，采用曼宁公式计算出相应流量为
12 m3 ／s 。环境生态用水要求采用90％ 保证率法， 将
夹岩坝址1957 — 2011 年最枯月水文分析计算， P ＝
90％ 时， 对应的流量为12.1 m3 ／s ， 故下放生态水
流量定为12.1 m3 ／s 。该流量与18 MW机组额定流
量18.62 m3 ／s 之比占62.8％ ， 与30 MW机组额定流
量30.91 m3 ／s 之比为37.9％ 。本电站为混流式机
组，主机出力稳定运行区间为45％ ～ 100％ ， 在单
独下放环境水的情况下，18 MW小机组可高效稳定
运行； 而3 台30 MW的装机方案在这些工况下不在
稳定运行区间。
因此， 夹岩坝后电站机组台数推荐2 × 36 MW
＋ 1 × 18 MW的大小机方案。
3 机组选型设计
电站最大水头为113.4 m ，此水头段适合的水轮
· 28 ·
规划设计 SMALL HYDRO POWER 2018No.4 ， Total No.202
万方数据
机型式为混流式。该水头段至150 m水头段合适的
转轮有HLA743 、HLA630 、HLA606 、HLA384 、
D294A 、HLA855 、HLA801 、HLY190 、HLA678 等优
秀转轮。
3.1 额定水头的选择
电站的运行水头为113.4 ～ 95.5 m ，电站加权平
均水头为110.5 m ，水头变幅为17.9 m 。额定水头在
加权平均水头的0.95 ～ 1 之间选定。从水头出现几
率表得知（见表1） ： 本站高水头段113.4 ～ 107.0 m
出现几率比较高， 水头在107 m以上占78.2％ 。
目前国内外已运行的稳定性较好的水电站水轮
机运行水头统计规律： 最大水头与最小水头的比值
小于1.5 ， 最大水头与额定水头的比值小于1.15 。
考虑电站运行的稳定性， 同时考虑机组出力受阻较
小， 确定本电站额定水头为107 m 。
表1 水头出现几率
水头／m 累计区间出现次数区间几率／％
≥ 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 机型选择
择优选择HLA630 、HLA743 、HLA606 等3 种转轮
（代表不同的转速）进行详细的技术经济比较。在机
组选型计算过程中，重点计算比较了机组稳定性、能
量指标、气蚀性能、运行工况、额定转速以及厂房尺
寸等（见表2 、表3） 。
表2 36MW机组机型主要特征参数比较
项 目方案一方案二方案三
水轮机型号 HLA630 —
LJ — 203 HLA743 — LJ— 203 HLA606 — LJ — 219
比转速 209.9 230.3 186.6 比速系数 2 171.5 2 302.7 1 930 额定转速／（r·
min－ 1 ）
375 375 333.3 转轮直径／m 2.03 2.03 2.19 额定流量／（m3·s － 1 ） 37.63 37.29 37.67 水轮机额定效率／％ 93.96 94.82 93.84 模型水轮机最高
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 气蚀系数 0.08 0.123 0.05 （1） 36MW 机组代表转轮分析比较
效率：HLA630 机型的模型最高效率94.75％ ，
原型最高效率95.75％ 。水轮机额定效率93.96％ 、
最大水头时效率95.12％ 、最小水头时效率
93.27％ ， 在3 个选型方案中效率是最高的方案；
HLA743 机型效率次之；HLA606 机型效率较低。
空蚀性能： HLA606 最大空化系数0.05 ， 吸出
高度为－ 0.37 m ，抗空蚀性能最好；HLA630 空化系
数0.08 ， 吸出高度为－ 4.6 m ，抗空蚀性能次之；
HLA743 最大空化系数0.123 ， 吸出高度为
－ 11.7 m ，抗空蚀性能较差。
能量指标方面： 3 个方案中HLA630 、HLA743
转轮直径都为2.03 m 、额定转速都为375 r／min ，
HLA630 、HLA743 水轮发电机组外形尺寸小、设备
重量最轻、设备造价低， 能量指标高。HLA606 转
轮直径2.19 m 、额定转速333.3 r／min ，其水轮发电机
组外形尺寸大、设备造价高， 能量指标比较低。
运行工况：HLA630 、HLA606 运行工况范围都
比较好， 最优效率在中、高水头之间， 90％ 以上在
高效率区， 运行范围广； HLA743 水轮机运行工
况差。
综上所述，HLA630 具有较高的效率， 能量指
标比较高， 厂房开挖不大， 推荐HLA630 — LJ — 203
为本站大机代表机型。
· 29 ·
小水电 2018 年第4 期（总第202 期） 规划设计
万方数据
表3 18MW机组机型主要特征参数比较
项 目方案一方案二方案三
水轮机型号HLA630 —
LJ — 150
HLA743 — LJ — 134
HLA606 — LJ — 165
比转速 197.9 237.7 169.8 比速系数 2 047.3 2 459.3 1 756.8 额定转速／（r·
min－ 1 ） 500 600 428.6 转轮直径／m 1.5 1.34 1.65 额定流量／（m3·s － 1 ） 18.62 19.5 18.84 水轮机额定效率／％ 94.94 90.85 93.9 模型水轮机最高
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 气蚀系数 0.08 0.123 0.05 （2） 18MW 机组代表转轮分析比较
效率： 3 个方案中， 方案一效率最高，HLA630
机型的模型最高效率94.75％ ， 原型最高效率
95.62％ 。水轮机额定效率94.94％ 、最小水头效率
93.16％ 、最大水头效率95.32％ ； 方案二效率也比
较高， 但最小水头效率89.015％ 比较低； 方案三
HLA606 模型最高效率93.2％ ， 水轮机最大水头和
最小水头效率都低。
空蚀性能： HLA606 最大空化系数0.05 ， 吸出
高度为－ 0.37 m ，抗空蚀性能最好；HLA630 空化系
数0.08 ， 吸出高度为－ 4.6 m ，抗空蚀性能次之；
HLA743 最大空化系数0.123 ， 吸出高度为
－ 11.7 m ，抗空蚀性能较差。
能量指标方面： 3 个方案中HLA743 转轮直径
为1.34 m 、额定转速600 r／min ，能量指标比较高， 水
轮发电机组外形尺寸小、设备重量最轻、设备造价
低，能量指标比较高， 但厂房开挖很深。HLA630
能量指标次之、HLA606 的能量指标比较差。
运行工况：HLA630 运行工况范围都比较好，
整个运行水头都在最优效率区内； HLA743 和
HLA606 水轮机运行工况都比较差， 高水头运行工
况偏移高效区。
综上所述，HL A630 具有比较高的效率、机组
尺寸小、设备重量最轻、厂房开挖不大、机组稳定
运行范围广， 因此推荐HLA630 — LJ — 150 为本站小
机代表机型。
HLA630 转轮在天生桥二级电站、乌江渡电站
扩机、龙背湾等许多水电站已成功运行。
4 结 语
夹岩水利枢纽及黔西北供水工程是1 座大型水
利枢纽工程， 其主要功能为供水、灌溉， 虽然有很
大的库容， 但是坝后电站装机容量并不大， 保证出
力也不高， 电站主要是在下放生态流量时进行发
电， 丰水期也可以多发季节性电量； 因此在装机方
案选择时着重考虑了机组长时间运行的高效稳定
性。采用大小机搭配的方案， 使小机能够有较好的
运行范围， 同时大小机的搭配也涵盖了混流式机组
的稳定运行范围。至于机组选型方面， 由于水头变
幅较大， 因此着重分析了水头段出现的几率， 保证
机组在长期运行的水头范围内有较优的运行工况，
选择了本水头段具有代表性的转轮。
参考文献：
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责任编辑 吴 昊

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