藍(lán)海水電站水輪機(jī)主要參數(shù)選擇探討

李 亮

(江西省贛西土木工程勘測(cè)設(shè)計(jì)院，南昌 330000)

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藍(lán)海水電站水輪機(jī)主要參數(shù)選擇探討

李 亮

(江西省贛西土木工程勘測(cè)設(shè)計(jì)院，南昌 330000)

藍(lán)海水電站工程壩址上下游水頭差較大，所以在其水輪機(jī)參數(shù)的選擇方面必須綜合考慮安裝高程、轉(zhuǎn)輪直徑和轉(zhuǎn)速、吸出高度參數(shù)外，影響水輪機(jī)性能的相關(guān)參數(shù)還包括外網(wǎng)跳閘導(dǎo)致水輪機(jī)負(fù)荷瞬間減小而轉(zhuǎn)速瞬間增加的過(guò)速情況，水輪機(jī)的機(jī)械振動(dòng)、電磁振動(dòng)和水力振動(dòng)，水輪機(jī)組軸承溫度，軸承瓦襯剛度及瓦面材質(zhì)的選擇等方面。在進(jìn)行水電站規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，必須通過(guò)對(duì)多種水輪機(jī)選型方案進(jìn)行綜合比選并進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，保證水電站的穩(wěn)定運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的最好發(fā)揮。

水電站；水輪機(jī)；主要參數(shù)；選擇

1 水電站概況

藍(lán)海水電站工程閘壩最大過(guò)流流量為3365m3/s，河床式水電站裝機(jī)2200kW。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252—2000)相關(guān)規(guī)定，本樞紐工程為大(2)型水閘，電站為小(2)型水電站，工程等別為Ⅱ等，其主要建筑物為2級(jí)，上下游防洪建筑物及次要建筑物均為3級(jí)，發(fā)電廠房擋水部分建筑為2級(jí)建筑物，其余部分為5級(jí)建筑物。

藍(lán)海水電站工程壩址上下游水頭差較大，具備開(kāi)發(fā)水電站的條件，電站建成后，可充分利用四級(jí)抬水工程所產(chǎn)生的水電能源，向宜春電網(wǎng)提供廉價(jià)、清潔的電能，有利于緩解電力供需矛盾，促進(jìn)宜春市的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。本電站是抬水樞紐工程的一個(gè)組成部分，其規(guī)模的選定必須服從抬水工程開(kāi)發(fā)宗旨且與主體工程規(guī)模一致。

本電站上游無(wú)調(diào)節(jié)水庫(kù)，不具備調(diào)峰的條件，故本電站在電力系統(tǒng)中基本擔(dān)任基荷運(yùn)行。根據(jù)電站裝機(jī)容量的比選，從徑流及水頭指標(biāo)來(lái)看，電站裝機(jī)容量宜選擇2200kw，為日調(diào)節(jié)水電站，電站多年平均發(fā)電量1100萬(wàn)kW·h。

2 水輪機(jī)主要參數(shù)選擇

2.1 水輪機(jī)選型原則

在水電站水輪機(jī)組其他參數(shù)(如水頭、裝機(jī)容量等)確定之后，必須進(jìn)行水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)好壞與水電站施工、投資及經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的發(fā)揮有直接關(guān)系，要求水輪機(jī)選型必須在設(shè)計(jì)水頭和流量變化范圍內(nèi)進(jìn)行，并保證選型完成后能得到最佳的動(dòng)力效益及機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定可靠、抗汽蝕等性能。

藍(lán)海水電站初擬裝機(jī)2200kW，根據(jù)運(yùn)行水頭和引用流量，選擇4臺(tái)GD008—WZ—180型軸伸貫流式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)型號(hào)SFW550—32/2150。電站的廠用電出線兩回，分接于I段，II段母線，當(dāng)一回?cái)嚯姇r(shí)，另一回可自控(或手動(dòng))投入，當(dāng)電站不發(fā)電時(shí)，由主變倒送供電。

2.2 水輪機(jī)選型主要參數(shù)選擇

根據(jù)水文水能計(jì)算成果，結(jié)合水工建筑物的布置情況，電站所能獲取的水頭變化范圍在2.1-4.5m之間，加權(quán)平均水頭為4.1m，引用流量73.5m3/s，在該水頭段及流量參數(shù)下，能適應(yīng)這些參數(shù)的機(jī)組有軸流式機(jī)組與貫流式機(jī)組，分別選擇GD008-WZ-180(φ=21°)型軸伸貫流式機(jī)組與ZDJP475a-LH-200型軸流式機(jī)組兩種水輪發(fā)電機(jī)組方案進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。確定彭家坊水電站裝機(jī)為4×550kW方案。根據(jù)運(yùn)行水頭和引用流量，選擇4套GD008-WZ-180(φ=21°)型軸伸貫流式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)型號(hào)SFW550-32/2150，其額定出力為598kW，額定水頭為4.1m，額定流量為16.86m3/s，額定轉(zhuǎn)速為187.5r/min。

2.2.1 水輪機(jī)安裝高程計(jì)算

水輪機(jī)安裝高程的最大可能取值[1]的計(jì)算為：

▽△安=▽尾+H吸-D/2

(1)

式中：▽安為水輪機(jī)安裝高程，m；△尾為發(fā)電尾水位的設(shè)計(jì)最低值，m；令▽尾=73.40m；H吸為水輪機(jī)吸出高度，根據(jù)廠家提供資料H吸=1.2m；D為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑，取D=1.80m；則最大安裝高程▽安=△尾+H吸-D/2=73.40+1.2-1.80/2=73.7m。水輪機(jī)設(shè)計(jì)安裝高程取73.0m，經(jīng)廠家復(fù)核，該安裝高程是適宜的。

2.2.2 水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑

在進(jìn)行水輪機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇確定時(shí)，轉(zhuǎn)輪直徑是核心要素[2]，因其取值的高低直接決定水輪機(jī)的性能好壞，通俗來(lái)講，轉(zhuǎn)輪的型式?jīng)Q定著水輪機(jī)型式，且直接影響水輪機(jī)出力水平和最可能適用的水頭以及廠房尺寸與構(gòu)造，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑DI通過(guò)下式計(jì)算：

(2)

式中：N為水輪機(jī)額定出力最大值，且N=N電/η電，N電為水輪機(jī)組中發(fā)電機(jī)額定功率，kW，η電為發(fā)電機(jī)效率，其取值在95%-98%；H為水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭，m；QI為水輪機(jī)綜合特性曲線高效區(qū)的單位流量值，m3/s；η為水輪機(jī)原型效率，其原型效率最大值ηmax=ηMmax+△η，(ηMmax為模型最大效率，△η為原型效率修整系數(shù))。

2.2.3 水輪機(jī)轉(zhuǎn)速

確定水輪機(jī)轉(zhuǎn)速必須結(jié)合具體工況，將水輪機(jī)與所適配發(fā)電機(jī)直接進(jìn)行連接，為保證適配性能的一致性，必須保證其與發(fā)電機(jī)組額定轉(zhuǎn)速保持一致，且轉(zhuǎn)速n通過(guò)下式計(jì)算：

(3)

式中：n10為原型水輪機(jī)單位轉(zhuǎn)速的最佳值，r/min，其取值須對(duì)模型最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速值進(jìn)行修訂而求得；Hs為水電站設(shè)計(jì)水頭，m。

在計(jì)算出水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑與轉(zhuǎn)速后必須進(jìn)行取值的檢驗(yàn)，完全符合上述選型原則后方可采用。具體過(guò)程為首先結(jié)合所求得的轉(zhuǎn)輪直徑與轉(zhuǎn)速，按照與原模型相匹配原理，分別求得水頭最大和最小兩種工況下的單位轉(zhuǎn)速，并代入模型對(duì)應(yīng)求出電站出力最大值與最小值情況下的流量，利用這四個(gè)量便可通過(guò)繪制模型綜合特性曲線進(jìn)而得出水輪機(jī)可能的工作范圍，如果該范圍內(nèi)存在高效率區(qū)，則表明參數(shù)取值完全合理，否則應(yīng)改變參數(shù)取值重復(fù)進(jìn)行上述驗(yàn)算，直到理想結(jié)果出現(xiàn)為止[3]。具體見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)外水輪機(jī)轉(zhuǎn)速及其余主要參數(shù)的取值

注：比速系數(shù)K=nHr0.5。

2.2.4 水輪機(jī)吸出高度

(4)

式中：kσ為水輪機(jī)吸出過(guò)程中汽蝕安全系數(shù)，取值為1.15-1.25；σ為汽蝕系數(shù)，通過(guò)水輪機(jī)模型試驗(yàn)測(cè)得，且σ越大則水輪機(jī)內(nèi)動(dòng)力真空體積越大，汽蝕產(chǎn)生的概率較大，機(jī)組安裝高程會(huì)降低，增加水電站基礎(chǔ)開(kāi)挖的困難度。

2.3 藍(lán)海水電站水輪機(jī)主要參數(shù)

經(jīng)過(guò)上述各個(gè)參數(shù)類型的優(yōu)化設(shè)計(jì)并結(jié)合水電站招投標(biāo)協(xié)議要求與模型設(shè)計(jì)規(guī)劃情況，最終確定藍(lán)海水電站水輪機(jī)主要參數(shù)取值見(jiàn)表2。

表2 藍(lán)海水電站水輪機(jī)主要參數(shù)

3 結(jié) 論

水電站水輪機(jī)組參數(shù)的選擇對(duì)水電站能否正常運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益能否發(fā)揮關(guān)系重大，除了本文所研究的安裝高程、轉(zhuǎn)輪直徑和轉(zhuǎn)速、吸出高度參數(shù)外，影響水輪機(jī)性能的相關(guān)參數(shù)還包括外網(wǎng)跳閘導(dǎo)致水輪機(jī)負(fù)荷瞬間減小而轉(zhuǎn)速瞬間增加的過(guò)速情況，水輪機(jī)的機(jī)械振動(dòng)、電磁振動(dòng)和水力振動(dòng)，水輪機(jī)組軸承溫度，軸承瓦襯剛度及瓦面材質(zhì)的選擇等方面，總之在進(jìn)行水電站規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，必須通過(guò)對(duì)多種水輪機(jī)選型方案進(jìn)行綜合比選并進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，保證水電站的穩(wěn)定運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益的最好發(fā)揮。

[1]代朝科.水電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)中主要參數(shù)的確定[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2015(08)：72-73，108.

[2]馬彩萍，宋建英.積石峽水電站水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)選擇[J].水力發(fā)電，2011，37(11)：40-42.

[3]苑連軍，劉慧鳳，田樹(shù)棠.黃河拉西瓦水電站水輪機(jī)主要參數(shù)選擇設(shè)計(jì)[J].西北水電，2009(02)：49-52.

1007-7596(2017)04-0095-03

2017-03-06

李亮(1981-)，男，山東桓臺(tái)人，工程師，從事小型水電站泵站機(jī)電設(shè)計(jì)工作。

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