烏江沙沱水電站水輪機選型分析

高 瑜,趙明琴

(1.中國水電工程顧問集團公司,北京 100120;2.中國水電顧問集團貴陽勘測設計研究院,貴州 貴陽 550081)

1 工程概況

沙沱水電站位于貴州省沿河縣城上游約7 km,是烏江干流開發選定方案中的第九級,屬貴州省"西電東送"第二批開工項目的 "四水工程"之一,于2004年開始籌建.電站建成后,在系統中承擔調峰、調頻、事故及負荷備用.沙沱水庫正常蓄水位365.0 m,調節庫容2.87億m3,屬日調節水庫.電站裝機容量4X280 MW,保證出力322.9 MW,年利用小時數為4 064 h,水頭運行范圍50~74.9 m,多年平均含沙量為0.507 kg/m3.機組經招標確定水輪機由哈爾濱電機廠有限責任公司供貨,發電機由天津阿爾斯通水電設備有限公司供貨.

2 水輪機選型

2.1 額定水頭

沙沱水電站正常蓄水位365.0 m,汛期限制水位357.0 m,死水位353.5 m,最大水頭74.9 m,最小水頭50.0 m,額定水頭64.0 m,加權水頭68.4 m,單機容量280 MW.沙沱水電站受阻出力多為汛期季節性電能,在既考慮到減少受阻出力又不過分強調受阻出力的情況下,兼顧水輪機穩定運行性能的要求,對額定水頭初擬了61、62.5、64、65.5、67 m 5個方案進行比較,額定水頭比較方案參數見表1.

隨著額定水頭的逐步提高,電站汛期受阻出力在逐步加大,當額定水頭為67 m時,電站受阻容量達72.86 MW,由此可見,當額定水頭提高時,電站汛期的容量效益明顯減少.此外,隨著額定水頭的提高,電站的發電量在逐步減少,但變化并不大,主要是由于上游構皮灘水庫建成后,沙沱水電站的入庫流量比較均勻,汛期棄水明顯減少.

貴州電網的調峰任務主要由烏江梯級水電站群來承擔,雖然烏江梯級有洪家渡、構皮灘兩大水庫,但梯級的年內出力分配還是以汛期出力為主,因此,為滿足貴州電網的調峰需求,烏江梯級水電站群仍存在一定的棄水調峰.沙沱水電站本身僅具日調節性能,汛期發電與棄水的矛盾將較突出,由于汛期限制水位為357 m,為保證沙沱水電站在汛期能滿裝機發電,經計算,額定水頭不宜高于62.5 m.

表1 額定水頭比較方案

從各方案的受阻容量來看,61、62.5 m額定水頭方案沒有受阻,64 m方案受阻容量為10.04 MW,65.5 m方案受阻容量達43.33 MW.從貴州電網的負荷特性和電源結構分析,貴州負荷的峰谷差并不大,且洪家渡、構皮灘等調峰電源建成后,沙沱水電站應以發電量為主.從電網的電力電量平衡來看,沙沱水電站的汛期的受阻容量均不對電網的安全運行產生影響.但65.5~67 m方案受阻容量占裝機容量的比重較大,達15.5%~26%,不宜采用.

2.1.2 額定水頭與運行穩定性的關系

水輪機的額定水頭與水輪機的運行穩定性有著密切的關系,經對國內外大型水輪機運行范圍進行統計,當Hmax/Hmin≤1.6、Hmax/Hr≤1.15時,水輪機有較好的運行穩定性.統計資料表明,國外有85%的電站,國內有75%的電站Hmax/Hr≤1.15.沙沱水電站額定水頭在64~65.5 m時,Hmax/Hr接近1.15.

從沙沱水電站水輪機的運行工況來看,為兼顧汛期與枯水期的不同運行水位,當額定水頭為61 m時,水輪機在汛期的運行條件較好,但在枯水期的效率偏低.而當額定水頭為65.5 m時,水輪機在枯水期的運行條件較好,但在汛期的效率偏低.當額定水頭為64 m時,水輪機在汛期和枯水期的運行條件均較好,均處于高效率區和穩定區運行.因此,從水輪機的運行條件來看,額定水頭選擇64 m較好.

表2 主機制造廠水輪機投標情況統計

2.1.3 經濟比較

BIM技術的可視化特點在暖通工程設計中的作用非常重要，例如，傳統的施工圖只是采用二維方法將各構件的數據信息標在圖紙上，對其三維效果或安裝效果很難進行直觀的表達。而BIM技術提供了可視化的思路，設計者可以根據數據信息建立仿真模型，將設計效果直觀地展現在人們面前，并且不僅包括構件的尺寸數據，還可以將不同的構件以不同的顏色進行標示，對其位置關系一目了然。另外，BlM技術的可視化結果不僅可以用效果圖展示及報表生成，更重要的是，項目設計、建造、運營過程中的溝通、討論、決策都在可視化的狀態下進行，大大提高了工作效率。

從以上方案之間的投資效益來看,額定水頭從67 m方案降低到65.5 m方案時,由額定水頭變化帶來的投資變化增加1 632萬元,年發電量增加2 100萬kW.h,補充單位電能投資為0.78元/kW.h,方案的經濟性比較好;從65.5 m方案降低到64 m方案時,由額定水頭變化帶來的投資變化增加2312萬元,年發電量增加2 100萬kW.h,補充單位電能投資為1.10元/kW.h,因此,額定水頭64 m比65.5 m經濟合理.額定水頭從64 m再降低到62.5 m時,由于額定水頭變化帶來的投資增加3 488萬元,年發電量增加700萬kW.h,補充單位電能投資為4.98元/kW.h,在一定的時期內,沙沱水電站額定水頭從64.0 m降至62.5 m無盈利能力.

綜合上述分析,沙沱水電站額定水頭64 m方案經濟合理,且水輪機在汛期和枯水期的均處于高效率區和穩定區運行,此外,64 m方案在汛期的受阻容量僅10.04 MW,對電網的安全運行基本無影響,因此,推薦本電站的額定水頭為64.0 m.

2.2 水輪機參數

2.2.1 比轉速及比速系數

比轉速ns和比速系數K是水輪機的重要特征參數之一,是衡量水輪機能量特性、經濟性和先進性的一個綜合性能指標,同時亦反映了水輪機的設計制造水平.提高比轉速,不僅可以減小機組尺寸,降低機組造價,同時還可以減小主廠房尺寸,降低土建投資,特別是大容量機組更是如此,因此在可能的條件下,傾向于選擇較高的比轉速ns和比速系數K.但水輪機比轉速ns的提高受到水輪機剛度、強度、空化、泥沙磨損、運行穩定性以及平均效率等方面的制約.近年來國內外諸多高參數的大型水輪機陸續出現了水力不穩定和轉輪葉片開裂問題,從而引起了業內人士的廣泛關注.因此,必須根據電站的具體實際情況,對水輪機的各項性能指標進行綜合分析,選擇合理的比轉速ns和比速系數K值.大型混流式水輪機比轉速隨額定水頭的變化曲線如圖1所示.

圖1 大型混流式水輪機比轉速隨額定水頭的變化關系曲線

圖1 中曲線ns=2 357/Hr0.538是根據國內外大量已建大型水電站的參數做出的統計回歸曲線.另外一條ns=47 406/(Hr+108.5)曲線是考慮了水輪機比轉速的新發展而做出的統計回歸曲線,位于統計電站的外包絡線位置.對于沙沱水電站ns=2 357/640.538=251.6(m.kW制)或ns=47 406/(64+108.5)=274.8(m.kW制),從圖1可以看出,統計的比轉速范圍大約在250~275(m.kW制)之間,相應的比速系數K=2 000~2 200.從國內該水頭段大型混流式水輪機比轉速統計資料,如索風營、思林、柘溪擴機、鳳灘擴機、彭水等電站比速系數在2 096~2 265之間.表2為國內幾大主機制造廠在招標階段為本電站水輪機投標情況統計情況.

經綜合分析及各大主機制造廠家投標情況,考慮到本電站具體特點,推薦水輪機比轉速為ns=260~280(m.kW制),比速系數K=2 080~2 240.

2.2.2 單位轉速和單位流量的選擇

單位轉速的選擇應考慮和單位流量進行最佳匹配以滿足高效、穩定運行的要求.選用較高的單位轉速,可以提高機組的轉速,從而可以減小發電機的尺寸和重量;選用較大的單位流量,可以減小水輪機的尺寸和重量,這對于大型水輪發電機組有較大的經濟效益.但單位轉速和單位流量的提高又受到強度、空化和運行穩定性等許多條件的限制,而且模型轉輪各參數之間應該有合理的匹配關系,才能獲得較好的綜合性能指標.

從表2可以看出,除個別廠家最優工況單位轉速低于76 r/min,其余廠家最優工況單位轉速在76~80 r/min之間,限制工況單位流量在1.23~1.3 m3/s之間.從近幾年相同水頭段投產電站如索風營、思林、柘溪擴機、鳳灘擴機、彭水等電站統計資料,額定點的單位流量在1.15~1.24 m3/s.

經過上述分析,考慮本電站水輪機的運行特點,推薦轉輪最優單位轉速n110范圍為76~80 r/min,限制工況單位流量Q11范圍為1.15~1.25 m3/s.

2.2.3 水輪機效率

水輪機效率是評價水輪機能量特性的重要指標,直接影響電站的發電效益.從近幾年投產電站如索風營、思林、柘溪擴機、鳳灘擴機、彭水等電站統計資料來看,水輪機真機最高效率已超過96%,各大主機制造廠所投標的水輪機原型最高效率均超過95.5%.結合沙沱水電站具體特點,水輪機真機最高效率應不低于95.5%,模型最高效率不低于94%,真機額定點效率應不低于91.5%,相應模型額定點效率應不低于89.5%.

2.2.4 水輪機空化系數

水輪機空化性能通常用空化系數σ來衡量.空化系數σ的大小關系到機組的安裝高程 (電站的開挖深度)、安全穩定運行、檢修周期和使用壽命.水輪機研究工作的重點之一,就是在提高水輪機能量指標的同時,降低水輪機的空化系數,改善空化性能.一般模型空化系數與比轉速正相關,即隨著比轉速的提高,空化系數也呈上升趨勢,也就是說,如果追求過高的能量指標,免不了要犧牲空化性能,這也是不贊成片面追求過高的能量指標的原因之一.從國內外比轉速與空化系數的統計公式可得出水輪機的σc為0.106~0.164,各大主機制造廠家所投標的σc為0.1237~0.185,初生空化系數σi為0.2114~0.252,結合沙沱水電站具體特點,建議電站空化系數σc在0.13~0.16,σi在0.2~0.25之間選取.

3 水輪機模型、原型參數

經綜合考慮,沙沱水電站最終選定水輪機模型參數為:

(1)水輪機模型參數.最優工況下,單位轉速n110=76~80 r/min,單位流量Q110=0.9~1 m3/s,效率Mmax≥94.5%;限制工況下,單位流量Q11=1.15~1.25 m/s,效率η≥89.5%,臨界空化系數σc=0.13~0.16,初生空化系數σi=0.2~0.25.

(2)水輪機原型參數.水輪機型號為HLA904c-LJ-710,額定出力Pr=284.3 MW,額定流量Qr=490.27 m3/s,轉輪直徑D1=7.1 m,額定轉速nr=93.75 r/min,額定工況比轉速ns=276.1(m.kW制),比速系數K=2 208.8,最高效率ηmax=96.03%,額定效率ηr=92.2%,電站空化系數σp=0.242(即吸出高度-5.83 m,安裝高程285.0 m).

4 結 語

沙沱水電站采用的HLA904c-LJ-710型水輪機是在綜合考慮沙沱水電站類型、裝機容量、水頭、流量等因素后,嚴格按照國家設計規范、標準要求,借鑒國內外機組選型經驗數據,經過多方案多次比選做出的正確選擇,完全滿足該電站安全、穩定、經濟運行需求.2、3號機組自2013年5月并網以來,機組各項指標運行正常,滿足規程規范的各項要求,說明沙沱水輪機選型是經濟、合理的.

[1] 水電站機電設計手冊編寫組.水電站機電設計手冊:水力機械[M].北京:中國水利電力出版社,1983.

[2] 劉大凱主編.水輪機 [M].3版.北京:中國水利水電出版社,1997.

[3]DL/T 5186-2004 水力發電廠機電設計規范[S].