1电站概况

金家坝水电枢纽工程位于重庆市酉阳县境内，坝址位于乌江的支流甘龙河下游，其控制流域面积1059km²、占全流域面积的63％，多年平均流量26．9m³／s，多年平均含沙量为0．698kg／m³。水库正常蓄水位445m、死水位407m，调节库容1．125亿m³——具有年调节性能。根据甘龙河的流域规划，该河流梯级电站分四级开发，即营盘岭、堰塘湾、金家坝和五堆电站，金家坝水电枢纽工程为第三级。该工程任务以发电为主，兼有潜在的防洪、灌溉功能，并为人畜饮水、水产养殖及旅游等综合利用提供有利条件。金家坝水电枢纽工程建成后，将加快甘龙河流域其它梯级电站的开发进程，有效缓解重庆统调电网电力供应紧张局面，提高电网运行的可靠性和经济性，促进渝东南少数民族革命老区的经济发展。

2电站主要参数和水机型式、装机容量的选定

2．1金家坝水电站主要参数

水库调节库容(亿m³)：1．125

装机容量(MW)：75

最大水头(m)：120

额定水头(m)：102

最小水头(m)：72

加权平均水头(m)：110

单机容量(MW)：25

保证出力(MW)：12．6

多年平均年发电量(亿kW·h)：1．124

2．2额定水头与水轮机型式的选定

水轮机额定水头Hr，是指能使发电机组发出额定出力的最小水头。水轮机设计水头Hd是指水轮机在最高效率点运行时的净水头。具体工程设计中往往以电站电能加权平均水头Hw。作为水轮发电机组的设计水头Hd，以提高机组运行平均效率，获得较多电量。一般在设计方案比选阶段，额定水头可按下式估算：

Hr=(0．9～0．95)Hw

上式反映了机组额定水头一般都低于电站加权平均水头，主要是从电站的电力、电量、效率等动能经济观点和电力系统平衡方面考虑，而没有考虑水轮机自身安全稳定运行的特性。

随着水轮机设计制造技术的不断发展，目前，一种新的设计观念基本形成：以水轮机自身安全稳定运行为前提，结合动能经济指标，以控制水头比值(Hmax/Hr)来选择额定水头及其它水轮机参数。中低水头的中低比速混流式水轮机，建议控制水头比值Hmax/Hr≤1．13～1．34；中低水头的中高比速混流式水轮机，建议控制水头比值Hmax/Hr≤1．08～1．19。在金家坝水电站设计中，由于Hmax/Hmin=1．67，相对较高，按水轮机自身有良好的稳定性，对额定水头96．8m、100m、102m³个方案进行了动能经济比较，102m方案经济性、稳定性最为有利，Hmax/Hmin=120／102=1．176。故推荐额定水头为102m。

根据本电站运行水头范围72～120m，额定水头102m，选用混流式水轮机。

2．3装机容量与机组台数的选定

电站装机容量初拟63MW、66MW、75MW3个方案进行比选，由于以上容量在系统中所占的比重很小，电力平衡因素就暂不考虑，但该电站在系统中主要是承担调峰任务，调峰时段中小容量装机电站可满发，又由于有年调节水库，机组可较长时间处于高水头发满负荷，适当降低年利用小时，且从电量、丰水期电量及单位电能造价等经济指标比较，75MW方案最优。故本阶段推荐75MW方案。

初设阶段，对电站装机台数2、3、4台3个方案进行了几个方面的比较，3台机方案年平均发电量最多，单位电能投资最小，机组运行维护及检修较方便，机组运行较灵活，故本阶段推荐采用3台机、单机容量25MW方案。

3水轮机预期参数选择

3．1比转速ns和比速系数K的确定

比转速ns和比速系数K是水轮机的重要特征参数之一，它表征了水轮机的综合经济技术水平，它综合反映了水轮机的能量、空化、稳定性等指标，相同水头下，比转速的高低反映了机组的制造水平。比转速ns的选择应结合电站的具体情况合理选择。

1)根据统计公式计算的结果(见表1)：

表1比转速ns和比速系数K统计表

2)参照《关于“八五”、“九五”投产的大中型水轮机转轮按水头划分系列的意见》中大型混流式水轮机比转速随水头变化关系曲线，统计回归曲线n_s=2357／H_r0.538以及发展趋势曲线n_s=47406／(H_r 108．5)，当H_r=102m时，比转速n_s=200～225m·kW，相应比速系数K=2020～2272。

3)统计国内外近期投产或即将投产的类似水头段的水轮机参数(见表2)，可以看出，该水头段的水轮机比转速ns的范围在199．5～261．7m·kW之间。

根据上述资料，考虑到金家坝机组容量较小、水头变幅较大的特点，水轮机的比转速不宜选得太高，结合经济技术要求，取比转速n_s=200m·kW，比速系数K=2020。

3．2水轮机效率的确定

根据当前国内水轮机的实际设计制造水平，并参考厂家的复询资料，要求水轮机额定效率不低于92．0％，最高效率不低于94．0％。

表2国内外已投产或将要投产的类似水头段混流式水轮机的比转速统计表

3．3水轮机最优单位转速n11和限制工况单位流量Q11的选择

比转速n_s确定以后，n₁₁及Q₁₁的匹配将影响电站的技术经济指标，参考《关于“八五”、“九五”投产的大中型水轮机转轮按水头划分系列的意见》，关于单位转速n₁₁与比转速n_s的关系，有如下统计公式：

本工程比转速n_s确定为200m·kW，按上述统计公式计算，单位转速n₁₁为72．05_r／min，相应额定水头单位流量Q₁₁=[n_s/(3．13n₁₁)]2/η为0．855m³／s。

3．4水轮机装置空蚀系数σ_y的选择

水轮机装置空蚀系数σ_y和水轮机比转速有关，根据不同统计公式计算出的水轮机装置空蚀系数σ_y值(见表3)。

表3水轮机装置空蚀系数σ_y统计公式计算表

根据统计公式的计算结果，结合目前已有的转轮实际参数，并考虑到本电站地质情况、厂房开挖情况以及电站运行特点，本设计阶段取装置空蚀系数σ_y=0．121，相应吸出高度为H_s=-4．23m(至水轮机导水机构下环上平面高程)。

3．5水轮机转轮直径D₁的确定

3．6水轮发电机组额定转速n_r的确定

式中，N_r=N_r／97％=25000／0．97=25773.2取同步转速n_r=428．6_r／min

3．7水轮机主要预期参数

水轮机比转速(m·kW)：200

水轮机额定效率(％)：≮92．0

水轮机最高效率(％)：≮94．0

单位流量(m³／s)：0．855

单位转速(r／min)：72．05

吸出高度(m)：-4．23(至水轮机导水机构下环上平面高程)

转轮直径(m)：1．80

额定转速(r／min)：428．6

4水轮机转轮的选择

本电站的机组运行水头范围在72～120m，单机容量为22MW。根据拟定的机组参数水平，向国内及合资的水轮发电机组制造厂家进行咨询，从复询的信息看，适合于本电站的转轮有哈厂HLA630、HLA696、HLA384转轮。3种转轮均为近几年研制生产的性能优越的转轮，故本设计阶段按以上3种转轮进行机型比选：

1)从水轮机能量指标看，HLA630效率最高，HLA696次之，HLA384较差；

2)从机组重量看，HLA384的机组重量最轻，HLA630次之，HLA696最重；

3)与HLA696和HLA384相比，HLA630的空蚀性能较优，吸出高度Hs=-3．0m(至水轮机导水机构下环上平面高程)，有利于减少厂房开挖量，节省土建投资；

4)从厂房的控制尺寸看，3种机型的厂房长度、宽度和高度十分相近，由此引起的厂房土建投资费用的差别较小。

综上所述，HLA630的能量指标最优，厂房尺寸与其它2个方案相近，虽然HLA630的机组重量较重，但差值并不大，故本设计阶初定HLA630机型进行设计工作。

5现阶段选用水轮机主要参数

水轮机型号：HLA630-LJ-180

转轮直径(m)：1．80

额定功率(MW)：25．77

额定流量(m³／s)：28

额定转速(r／min)：428．6

额定点单位流量(m³／s)：0．855

额定点单位转速(r／min)：72

额定点效率(％)：93．5

额定点比转速ns(m·kW)：202

额定工况点装置空蚀系数σ_y：0．121

吸出高度Hs(m)：-3．0(至水轮机导水机构下环上平面高程)

6结束语

金家坝水电站机组额定水头和容量是经过各设计阶段，各设计院和咨询单位的多次共同研究而初步确定的，主要是基于水轮机组稳定运行以及电站在所属电网中处于调峰运行的地位和本身的经济效益来优化设计的。建议在招标设计阶段咨询更多设备制造厂，以期更好的效果。