電站設(shè)計(jì)中電站參數(shù)及水輪機(jī)參數(shù)合理選擇

李懷蓉

(云南省昭通市水利局質(zhì)監(jiān)站 657000)

1 概述

正確地選擇電站參數(shù)及水輪機(jī)參數(shù)，是電站設(shè)計(jì)中的重要任務(wù)。這個(gè)問題解決得正確與否對(duì)電站建設(shè)的速度，投資、發(fā)電量及預(yù)想出力的多少、整個(gè)運(yùn)轉(zhuǎn)期間水資源利用的程度、電廠運(yùn)轉(zhuǎn)的經(jīng)濟(jì)性、靈活性都有很大影響。水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)是一項(xiàng)很重要的工作。由于地方上技術(shù)力量薄弱，人才數(shù)量總量不足，人員素質(zhì)難與當(dāng)前迅猛開發(fā)的水電站步伐相匹配，對(duì)水輪機(jī)參數(shù)概念不清、理解模糊，對(duì)電站技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析做得少或根本未做，通常僅簡單地查一查產(chǎn)品目錄或直接委托廠家選擇水輪機(jī)。因論證單一，導(dǎo)致機(jī)組選型不當(dāng)，給電廠運(yùn)行帶來了很多隱患，如:運(yùn)行工況偏離最優(yōu)工況較遠(yuǎn)，機(jī)組效率不高，汽蝕、振動(dòng)加劇。這些隱患大大增加了機(jī)組檢修工作量，縮短了機(jī)組檢修周期及電站的使用壽命;其次因電站參數(shù)選擇不當(dāng)，電站廠房地坪高程選擇不合理，常常浪費(fèi)了寶貴的水資源，給電站帶來了本可以避免的經(jīng)濟(jì)損失。

2 裝機(jī)容量及單機(jī)容量的確定

a.昭通地區(qū)的電站除極少數(shù)外，均屬經(jīng)流式電站。電站裝機(jī)容量選擇主要根據(jù)水資源利用條件，綜合考慮當(dāng)?shù)仉娏ο到y(tǒng)電力電量平衡及負(fù)荷預(yù)測(cè)、電站的保證出力、水輪機(jī)聯(lián)合運(yùn)行在高效率區(qū)的要求，以及現(xiàn)有廠家生產(chǎn)的可能性。裝機(jī)容量通常為保證出力的1.5～2.5倍(目前因資源緊缺，該值趨于取大值)。

b.單機(jī)容量應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的日負(fù)荷曲線，結(jié)合電力系統(tǒng)中事故備用容量所占系統(tǒng)容量的比重來確定，一般考慮單機(jī)容量略大于電站的保證出力及系統(tǒng)中的事故備用容量，并使所選機(jī)組適于電站水頭運(yùn)行范圍。以魚井電站為例，水文分析計(jì)算的保證出力為603kW，選定的單機(jī)容量為630kW。

c.機(jī)組臺(tái)數(shù)應(yīng)根據(jù)電廠所占系統(tǒng)比重、運(yùn)行時(shí)的平均效率、電站機(jī)電設(shè)備、土建投資及運(yùn)行費(fèi)用綜合考慮，一般考慮2～4臺(tái)，當(dāng)電站容量超過系統(tǒng)負(fù)荷的30%以上時(shí)，以3～4臺(tái)為宜，這樣既保證了電站運(yùn)行的高效率，又可避免機(jī)組事故停機(jī)對(duì)系統(tǒng)造成的影響，還可避免因機(jī)組臺(tái)數(shù)不合理的增加，帶來廠房等一系列的機(jī)電、土建投資的增加。

3 電站水頭(位)的選擇

3.1 前池水位確定

因昭通地區(qū)水電站大都屬徑流式電站，電站各特征水頭主要是前池各特征水位與電站尾水位的差值。一般情況下，前池的正常水位取渠道末端的正常水位，而前池最高及最低水位應(yīng)根據(jù)電站丟棄全負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的最高涌波水位及電站突然增加負(fù)荷時(shí)產(chǎn)生的最低涌波水位確定。

假定矩形渠道水深為h時(shí)，則按下式確定前池水位:

式中 v0——渠道起始的流速;

v——渠道變化后的流速;

h0——渠道起始的水深;

h——渠道變化后的水深。

由上式可計(jì)算出丟棄負(fù)荷時(shí)的波高及突然增加負(fù)荷時(shí)的最大水位下降。以此確定前池的最高水位及最低水位。根據(jù)最低水位可進(jìn)一步確定壓力管道的頂部高程。通常管頂應(yīng)保證在最低水位以下2～4m。水力條件好時(shí)取小值，反之取大值。否則，會(huì)造成因淹沒深度不能滿足壓力管道進(jìn)氣而影響電站穩(wěn)定運(yùn)行的情況。對(duì)徑流式電站，通常以電站上、下游正常高水位之差減去流道內(nèi)的沿程及局部水頭損失，作為電站設(shè)計(jì)水頭，一般設(shè)計(jì)水頭取電站平均水頭。電站上游水位即前池正常水位，下游水位即電站正常尾水位，而電站的正常尾水位一般以一臺(tái)機(jī)組發(fā)出額定出力時(shí)的水位(該水位可按明渠均勻流公式求得)確定。

3.2 尾水位確定

尾水管的淹沒深度應(yīng)保證在小流量時(shí)能達(dá)到30～50cm以上，保證尾水管不進(jìn)氣。此外，尾水渠設(shè)計(jì)應(yīng)盡可能使尾水出流順暢，并保證尾水出流時(shí)有足夠的凈空高度，不應(yīng)有過高的涌浪出現(xiàn)，與下游河流的銜接應(yīng)順暢，以免影響機(jī)組出力。

4 合理確定地坪高程及安裝高度以提高電站使用水頭

4.1 廠房地坪高程確定

小型徑流式電站的設(shè)計(jì)水頭為前池正常水位與尾水位之差再扣除流道所有損失。在具體確定電站水頭時(shí)，電站廠房地坪高程是一個(gè)關(guān)鍵因素。對(duì)于臥式機(jī)組，通常?中(機(jī)組中心線高程)=?尾+HS，而地坪高程?地=?中-h(機(jī)組中心線至地面高度)，所以?地=?尾+HS-h，對(duì)于小型臥式機(jī)組而言，地坪高程的確定意味著電站水頭的確定。而電站廠房地坪高程，在電站設(shè)計(jì)中，一般都按30～50年一遇設(shè)計(jì)洪水加安全超高確定。但人們的觀念上始終擔(dān)心廠房被淹而故意將廠房地坪提高幾米，這樣無形中浪費(fèi)了電站幾米水頭。在昭通地區(qū)的很多已運(yùn)行電站中，電站尾水跌落十幾米或幾米才掉進(jìn)河里的現(xiàn)象屢見不鮮。事實(shí)上，昭通地區(qū)各縣的電網(wǎng)都存在枯水期電能緊張、洪水期電能富余的情況。為使枯水期能多發(fā)電，適當(dāng)降低廠房地坪高程對(duì)提高電站使用水頭，尤其是增加枯季電能是相當(dāng)合適并具有普遍現(xiàn)實(shí)意義的。一般根據(jù)水文水能推算成果，按30～50年一遇的設(shè)計(jì)洪水位或略高水位作為廠房坪高程，是符合昭通地區(qū)實(shí)際情況的。因昭通地區(qū)的河流均為山區(qū)河道，河水陡漲陡落，電站處在下游開闊地區(qū)，因受洪水淹沒的威脅，可適當(dāng)采取簡單的工程措施防洪;當(dāng)電站所處的下游河道狹窄、河水湍急時(shí)，應(yīng)結(jié)合廠區(qū)樞紐布置，采取相應(yīng)的防洪措施，并作技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較論證。

4.2 安裝高度的確定

水輪機(jī)運(yùn)行檢修工作量、機(jī)組使用壽命主要取決于水輪機(jī)過流部件汽蝕破壞，而汽蝕破壞程度主要取決于水輪機(jī)的安裝高度HS。在電站設(shè)計(jì)中，要在滿足臨界汽蝕要求的情況下，結(jié)合水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪材料、葉片型線改善汽蝕條件，而不能一味地依靠降低水輪機(jī)安裝高程達(dá)到減輕汽蝕的目的。水輪機(jī)吸出高度HS一般按下式計(jì)算:

式中 Δ——電站設(shè)計(jì)尾水位;

H——電站設(shè)計(jì)水頭;

δ——汽蝕系數(shù)，由綜合特性曲線查得;

Δδ——修正汽蝕系數(shù)。

根據(jù)上式計(jì)算出的HS值，結(jié)合土建、機(jī)組運(yùn)行工況選取適當(dāng)?shù)腍S值。對(duì)小型臥軸反擊式水輪機(jī)，HS一般推薦取正值。

以鎮(zhèn)雄五德二級(jí)電站為例，裝機(jī)2×2000kW，選用HL110—WJ—84機(jī)型，原設(shè)計(jì)HS=-0.25m，后修改為2.0m，增加水頭2.25m，降低了土建投資，每年可增加幾萬元發(fā)電收入，經(jīng)過十多年運(yùn)行表明，HS取值是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

如果對(duì)同一電站，有兩種以上機(jī)型選擇，而HS對(duì)于比速高的機(jī)型為負(fù)值，比速低的機(jī)型為正值，則應(yīng)選擇后者，這樣可多利用電站水頭，而機(jī)組尺寸增加所帶來的土建投資增大幾乎可以忽略。另外，應(yīng)盡量避免選用機(jī)組極限水頭的機(jī)型。以威信魚井電站為例，電站裝機(jī)2×630kW，設(shè)計(jì)水頭48m，根據(jù)型譜，可選用HL220及HL240，電站設(shè)計(jì)水頭48m，接近HL240的極限使用水頭，HS為負(fù)值。最后選用HL220，HS=+2.25，可多利用兩米多的水頭，投產(chǎn)運(yùn)行以來，情況良好;但HS若是正值，且很高，則不能滿足機(jī)組臨界汽蝕的要求，機(jī)組運(yùn)行必定出現(xiàn)嚴(yán)重的汽蝕、振動(dòng)。以鎮(zhèn)雄法地電站為例，裝機(jī)2×400kW，選用 HL260—WJ—71機(jī)型，原設(shè)計(jì)HS=+4.2 25m，大大超過了臨界汽蝕要求，經(jīng)計(jì)算后建議將HS修改為2.8m，這樣，最大限度地利用了水頭，又確保了機(jī)組滿足臨界汽蝕的要求。

綜上所述:水輪機(jī)吸出高度HS值，既不能太大，也不能太小，必須在滿足臨界汽蝕要求的前提下，選取較大的數(shù)值或參考已運(yùn)行同類電站機(jī)型的情況取值。為避免汽蝕發(fā)生，又不致造成電站水頭浪費(fèi)，還可提高電站主廠房地坪高程，減少主廠房的土建開挖工程量，降低土建投資，提高電站經(jīng)濟(jì)效益，以利于廠區(qū)的防洪和運(yùn)行維護(hù)。

5 轉(zhuǎn)速確定

但對(duì)同一水頭，若有兩種以上機(jī)型的轉(zhuǎn)速可供選擇時(shí)，則不能僅按轉(zhuǎn)速的高低為選擇標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)樗俑叩乃啓C(jī)尺寸會(huì)較小，可降低機(jī)電設(shè)備投資，但安裝高程亦低，土建費(fèi)用又會(huì)增加，兩相比較投資不一定減少。此時(shí)，應(yīng)對(duì)額定轉(zhuǎn)速作出合理的方案比較，對(duì)小型機(jī)組而言，水輪機(jī)的額定轉(zhuǎn)速不應(yīng)超過1000r/min。否則會(huì)出現(xiàn)難以忍受和難以解決的噪聲和振動(dòng)。

6 水輪機(jī)運(yùn)行綜合特性曲線的運(yùn)用

在水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)中，應(yīng)通過繪制水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線，復(fù)核所選水輪機(jī)的實(shí)際工作范圍。根據(jù)所繪制的綜合特性曲線能直觀準(zhǔn)確地反映出水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)范圍，看到所選水輪機(jī)是否處于最優(yōu)工況運(yùn)行。運(yùn)用水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線圖還能為確定今后電廠內(nèi)機(jī)組的最優(yōu)運(yùn)行方式提供依據(jù)。

7 結(jié)語

對(duì)一個(gè)電站而言，電站參數(shù)及水輪機(jī)參數(shù)一經(jīng)選定后，就很難再有改變的可能了，而電站參數(shù)選擇不合理所帶來的損失常被人誤解為是固有的，且較為隱蔽，往往不能引起足夠的重視。當(dāng)前昭通地區(qū)中、小水電開發(fā)步伐較為迅猛，但由于專業(yè)技術(shù)人員欠缺，人才力量不足，從業(yè)人員缺乏相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致在開發(fā)的小電站中，未能使電站的水能資源得到最大限度的利用，對(duì)國家的資源造成了浪費(fèi)，給企業(yè)的效益也帶來了一定影響。本文就小水電站開發(fā)中普遍存在但又較為隱蔽的電站以及水輪機(jī)參數(shù)的合理選擇提出了一些觀點(diǎn)，以期與同行互相交流，取長補(bǔ)短。