張澤太 高普新 楊富超 楊 旭

1 機(jī)組型式選擇

在中國(guó)或電網(wǎng)容量較大的國(guó)家,水電站的容量占電網(wǎng)的容量很小,電站建成后,機(jī)組的并網(wǎng)、運(yùn)行條件很好；即使機(jī)組出現(xiàn)突然甩負(fù)荷時(shí),對(duì)電網(wǎng)的沖擊影響較小,同時(shí)甩負(fù)荷后,機(jī)組也能很快地進(jìn)入穩(wěn)定的狀態(tài)；因此大電網(wǎng)條件下的機(jī)組選型,往往只考慮機(jī)組的能量效率指標(biāo)高、設(shè)備及工程造價(jià)相對(duì)便宜的機(jī)組；如在大電網(wǎng)條件下,像英布魯這樣的低水頭電站 (設(shè)計(jì)水頭16.1 m,水頭范圍16.08～21.33 m,單機(jī)容量為30 MW,4臺(tái)機(jī)組),燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組是首選的機(jī)組。貫流式水電站廠房較立式機(jī)組,具有土建投資省、建設(shè)周期短、節(jié)省工程投資的優(yōu)點(diǎn),也是英布魯水電站樞紐工程投標(biāo)階段重點(diǎn)推薦的機(jī)型。實(shí)際上,由于剛果英布魯水電站是剛果首都電網(wǎng)中惟一一座大型水電站,其建成后幾乎是其獨(dú)立承擔(dān)首都布拉柴維爾及北方重要城市的供電任務(wù)；且電站距負(fù)荷中心較遠(yuǎn),供電的距離約320 km,即英布魯水電站的供電方式是:長(zhǎng)線路孤立電源負(fù)荷的條件。這之前,剛果首都的用電是長(zhǎng)期從鄰國(guó) (剛果金)購(gòu)電40～60 MW。在進(jìn)行重要技術(shù)方案決策中,重點(diǎn)研究孤網(wǎng)條件下燈泡式水輪機(jī)對(duì)本工程的適用性,及燈泡式水輪機(jī)與軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的技術(shù)方案比較問(wèn)題,并進(jìn)行了電網(wǎng)條件下的大、小波動(dòng)的過(guò)渡過(guò)程計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明,如采用燈泡貫流式機(jī)組,由于電網(wǎng)的自調(diào)節(jié)能力小于0,燈泡貫流式機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量G D2值僅為2 200 t?m2,無(wú)論調(diào)速器的參數(shù)如何調(diào)整,機(jī)組在該電網(wǎng)中的穩(wěn)定域小于50%；而采用軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī),盡管電網(wǎng)的自調(diào)節(jié)能力小于0,其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2值可達(dá)到6 600 t?m2,合理調(diào)整調(diào)速器的參數(shù)值,機(jī)組在該電網(wǎng)中的穩(wěn)定域?yàn)?5%～100%；經(jīng)過(guò)詳細(xì)的分析論證,本電站毫無(wú)爭(zhēng)議地選擇立式軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組,并合理地降低機(jī)組的參數(shù) (如:轉(zhuǎn)速、單位流量值等),適當(dāng)加大轉(zhuǎn)輪直徑,提高機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,增加機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。經(jīng)2010年6月至2011年6月機(jī)組的調(diào)試、運(yùn)行的檢驗(yàn),選擇的機(jī)型及參數(shù)是合理的,目前該機(jī)組成功地完成啟動(dòng)、停機(jī)、運(yùn)行、增減負(fù)荷、甩負(fù)荷及獨(dú)立帶首都布拉柴維爾供電的任務(wù),其運(yùn)行穩(wěn)定；截止至2011年6月該電站各臺(tái)機(jī)組的已經(jīng)連續(xù)運(yùn)行10個(gè)月,并簽訂初步驗(yàn)收證書(shū)。

2 水輪機(jī)發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)的選擇

2.1 水輪機(jī)主要技術(shù)參數(shù)選擇

英布魯水電站水輪機(jī)為孤網(wǎng)運(yùn)行,要求水輪機(jī)既要有良好的水力性能,又要具有很高的穩(wěn)定性；同時(shí),電站所在的河流 (萊菲尼河)兩岸為赤道附近的原始森林,水流中腐植質(zhì)較多,水流為弱酸性 (有機(jī)酸pH=4.9～5.3)；當(dāng)?shù)貧夂蜓谉?常年氣溫較高,英布魯水電站為徑流式水電站,河水的水溫較高,實(shí)測(cè)水溫為28～30℃,運(yùn)行初期水中含有一定量的沼氣,水流更容易汽化加劇空化氣蝕。

為此,在水輪機(jī)參數(shù)選擇上,在關(guān)注保持較好效率指標(biāo)的同時(shí),更注意提高水輪機(jī)的空化氣蝕性能及運(yùn)行穩(wěn)定性；并在模型試驗(yàn)臺(tái)實(shí)際測(cè)量模型水輪機(jī)的各項(xiàng)性能參數(shù)指標(biāo),以驗(yàn)證真機(jī)的可能狀態(tài)；為提高水輪機(jī)局部抗氣蝕性能,轉(zhuǎn)輪葉片出口增加了抗氣蝕裙邊,工程措施上,給出合理水輪機(jī)的安裝高度,保證機(jī)組無(wú)氣蝕運(yùn)行。選定的水輪機(jī)參數(shù)如下:

水輪機(jī)型號(hào) ZZ660-LH-550

最大水頭/m 20.36

最小水頭/m 16.08

額定水頭/m 16.10

額定功率/MW 30.77

額定流量/(m3?s-1) 215

額定轉(zhuǎn)速/(r?min-1) 107.1

飛逸轉(zhuǎn)速/(r?min-1) 270

額定比轉(zhuǎn)速/(m?kW) 561.2

額定工況點(diǎn)效率/% 92.5

最高效率/% 93.5

加權(quán)平均效率/% 92.8

安裝高程/m 286.50

2.2 發(fā)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)選擇與決策

發(fā)電機(jī)參數(shù)選擇與確定是本電站又一重要技術(shù)問(wèn)題之一。

(1)為適合孤網(wǎng)長(zhǎng)線路運(yùn)行的要求,要求發(fā)電機(jī)具有很好的運(yùn)行穩(wěn)定性及合理的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值,按照分析計(jì)算機(jī)組 GD2不小于6 600 t?m2。

(2)電站的任務(wù)近期主要是多發(fā)電能擔(dān)任基荷運(yùn)行,遠(yuǎn)期電網(wǎng)容量大了,英布魯機(jī)組可承擔(dān)調(diào)峰運(yùn)行的功能,據(jù)此,發(fā)電機(jī)需具有很好的效率指標(biāo)。

(3)電站的接入系統(tǒng)為:機(jī)組發(fā)出電能通過(guò)自己220 kV的開(kāi)關(guān)站,首先送入78 km處的恩格變電站 (220 kV變電站),再送入260 km處的220 kV迪吉利變電站,最后送入約300 km處的220 kV杰蘭勃變電站,沿途無(wú)用電負(fù)荷,該種送電方式要求機(jī)組具有較強(qiáng)的吸收容性無(wú)功功率的能力；為此,發(fā)電機(jī)參數(shù)選擇上適當(dāng)?shù)亟档蜋C(jī)組的功率因數(shù)值(為cos Φ=0.85),提高其無(wú)功補(bǔ)償能力,最大可連續(xù)吸收無(wú)功能力21 Mvar；正常情況下吸收無(wú)功能力為15～16 Mvar。

(4)考慮英布魯水電站處的最大濕度為98%,發(fā)電機(jī)的定子線棒,轉(zhuǎn)子線圈均采用優(yōu)質(zhì)線棒,提高絕緣耐壓水平,并在國(guó)內(nèi)工廠進(jìn)行線棒的絕緣耐壓抽檢試驗(yàn)。

由于水輪發(fā)電機(jī)組采用以上技術(shù)措施,經(jīng)運(yùn)行檢驗(yàn)這些措施是十分有效和完全必要的。發(fā)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下:

發(fā)電機(jī)型號(hào) SF30-56/7800

額定容量 30MW/35.294MVA

額定電壓/kV 10.5

額定電流/A 1 940.7

額定功率因數(shù) 0.85

額定轉(zhuǎn)速/(r?min-1) 107.1

飛輪力矩/(t?m2) 6 000

機(jī)組旋轉(zhuǎn)方向 俯視順時(shí)針

最大連續(xù)無(wú)功補(bǔ)償能力為/Mvar 21

3 機(jī)組的系統(tǒng)安全保護(hù)措施

由于剛果的電網(wǎng)薄弱,機(jī)組除自身發(fā)電及柴油發(fā)電機(jī)作為保安電源外,無(wú)其它外接電源作為廠用電；所以在全電站失去交流電的情況下,保證機(jī)組安全也是十分關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。

3.1 安全的攔污系統(tǒng)及清污設(shè)備

設(shè)計(jì)上采用提高攔污上的設(shè)計(jì)壓力為6 m,增加其剛度強(qiáng)度,防止其被污物及水推力壓垮；清污設(shè)備采用的懸臂梁及專用機(jī)械手抓斗。在2010年5～6月英布魯電站蓄水初期,漂浮污物堆積如山的情況下,欄污柵及清污設(shè)備發(fā)揮了重要的作用。

3.2 水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的彈簧連桿安全結(jié)構(gòu)

作為機(jī)組從機(jī)械上安全保護(hù)的第2道防線是水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的彈簧連桿安全結(jié)構(gòu)。當(dāng)小的樹(shù)枝或小塊木頭穿過(guò)攔污柵的柵條間隙,或攔污柵局部柵條破壞使之小直徑的樹(shù)干、水草,穿過(guò)攔污柵進(jìn)入固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉或水輪機(jī)流道其它部分,此時(shí)活動(dòng)導(dǎo)葉容易被卡死,導(dǎo)水機(jī)構(gòu)無(wú)法關(guān)閉活動(dòng)導(dǎo)葉,機(jī)組無(wú)法按照機(jī)組LCU的控制要求實(shí)現(xiàn)停機(jī),從而會(huì)引起嚴(yán)重的事故。為解決此問(wèn)題,作為安全措施之一,水輪機(jī)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)采用彈簧連桿安全機(jī)構(gòu),當(dāng)1個(gè)或幾個(gè)活動(dòng)導(dǎo)葉被卡住無(wú)法正常關(guān)閉時(shí),該部分的彈簧機(jī)構(gòu)被拉長(zhǎng),保護(hù)該部分的操作機(jī)構(gòu)不被拉壞,其它導(dǎo)葉在操作機(jī)構(gòu)的作用下可實(shí)現(xiàn)正常關(guān)閉,保障機(jī)組不產(chǎn)生飛逸或長(zhǎng)時(shí)間飛逸；同時(shí)在相鄰導(dǎo)葉關(guān)閉過(guò)程中,流道中的流速、流態(tài)發(fā)生變化,有利于卡在導(dǎo)葉中的異物被水流沖走；最終卡在導(dǎo)葉中的污物機(jī)組停機(jī)后可采用人工清理排除。

3.3 電氣測(cè)量與調(diào)速器、事故配壓閥協(xié)聯(lián)配合

英布魯水電站機(jī)組,從系統(tǒng)設(shè)計(jì)上使調(diào)速器、事故配壓閥、接力器、導(dǎo)水操作機(jī)構(gòu)根據(jù)電氣測(cè)量出轉(zhuǎn)速的變化,制定一套完整、嚴(yán)密的安全系統(tǒng),以保障機(jī)組在可能出現(xiàn)的異常工況下的安全。

機(jī)組在正常運(yùn)行時(shí) (含正常運(yùn)行、啟動(dòng)、停機(jī)、增加或減少負(fù)荷工況),機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)由調(diào)速器與勵(lì)磁裝置的配合去完成。

當(dāng)機(jī)組出現(xiàn)異常狀態(tài)時(shí),機(jī)組的轉(zhuǎn)速升高,機(jī)組的轉(zhuǎn)速達(dá)110%額定轉(zhuǎn)速時(shí),調(diào)速器配壓閥動(dòng)作,通過(guò)接力器、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)停止機(jī)組運(yùn)行。

當(dāng)調(diào)速器出現(xiàn)事故、拒動(dòng)作,無(wú)法實(shí)現(xiàn)關(guān)閉機(jī)組的任務(wù)時(shí),此時(shí)機(jī)組的轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高,至140%額定轉(zhuǎn)速時(shí),液壓系統(tǒng)的事故配壓閥動(dòng)作,直接經(jīng)過(guò)接力器、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)停止機(jī)組運(yùn)行。

當(dāng)調(diào)速器和事故配壓閥均出現(xiàn)事故,均拒動(dòng)時(shí),此時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高、達(dá) 158%額定轉(zhuǎn)速時(shí),機(jī)組LCU直接給進(jìn)口快速閘門 (位于水輪機(jī)進(jìn)口流道上)下達(dá)關(guān)閉指令,快速閘門可實(shí)現(xiàn)2 min(實(shí)際是1.46 min)關(guān)閉,切斷水流而停機(jī)。

3.4 機(jī)組的安全兩段關(guān)閉裝置

英布魯水電站為河床式水電站,引水流道相對(duì)較短；由于水頭低 (設(shè)計(jì)水頭為16.1 m),水輪機(jī)的單機(jī)過(guò)流量較大(水輪機(jī)的額定流量為:215 m3/s),機(jī)組正常停機(jī)和事故停機(jī)過(guò)程中,防反向水推力和防止抬機(jī)是必須解決的問(wèn)題,專題研究計(jì)算成果及工程運(yùn)行實(shí)際經(jīng)驗(yàn)都證明了這一點(diǎn)。為此,除其它措施外,本工程水輪機(jī)導(dǎo)葉的采用兩段關(guān)閉措施是解決此問(wèn)題的關(guān)鍵的、有效的措施之一。

當(dāng)機(jī)組的停機(jī)由調(diào)速器完成時(shí),調(diào)速器液壓操作系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)兩段導(dǎo)葉關(guān)閉的功能:第1段為快速關(guān)閉,關(guān)閉時(shí)間為8 s；第2段為慢關(guān)閉,關(guān)閉時(shí)間為15 s,拐點(diǎn)位置為導(dǎo)葉20%開(kāi)度。槳葉關(guān)閉時(shí)間為40 s。經(jīng)過(guò)計(jì)算,最大壓力上升和轉(zhuǎn)速上升發(fā)生在額定工況下甩全負(fù)荷時(shí),計(jì)算值如下:

蝸殼進(jìn)口最大水壓/kPa 230

最大壓力上升/% 42

最大轉(zhuǎn)速上升/% 41

尾水管最小壓力/kPa 27.7

當(dāng)調(diào)速器拒動(dòng),機(jī)組的關(guān)機(jī)由事故配壓閥及其相關(guān)裝置實(shí)現(xiàn)時(shí),通過(guò)導(dǎo)葉位置信號(hào)及機(jī)組LCU控制指令,使事故配壓閥的兩段關(guān)閉閥組實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)葉的兩段關(guān)閉功能。

3.5 機(jī)械防飛逸裝置

目前,英布魯水電站是剛果布首都惟一的重要的電源點(diǎn),由于該國(guó)家的電力建設(shè)還在剛剛起步階段,無(wú)法像中國(guó)或其它電力發(fā)達(dá)國(guó)家那樣,為水電站運(yùn)行控制提供可靠的交流外接電源 (第2廠用電源)；電廠內(nèi)部的直流控制電源,由于其模塊在高溫高濕度的條件下使用,對(duì)其安全性也有一定的影響；電站的備用保障電源——柴油發(fā)電機(jī)采用自動(dòng)啟動(dòng)方式,但柴油機(jī)的啟動(dòng)需要一定的時(shí)間 (30～120 s)才能完成。為保障機(jī)組安全,本工程設(shè)置了機(jī)械防飛逸安全裝置,該裝置安裝在水輪機(jī)的主軸上,當(dāng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速達(dá)到158%額定轉(zhuǎn)速時(shí),機(jī)械防飛逸的機(jī)械裝置的舌瓣碰擊壓力控制油閥,油閥開(kāi)啟給接力器供油,導(dǎo)水機(jī)構(gòu)關(guān)閉導(dǎo)葉停機(jī),同時(shí)給進(jìn)水口快速門輸出無(wú)源節(jié)點(diǎn)信號(hào),關(guān)閉快速閘門。機(jī)械防飛逸裝置在全廠失去電源的極端情況下,保障了機(jī)組的安全；在英布魯水電站的機(jī)組調(diào)試及11個(gè)月運(yùn)行中,該系統(tǒng)發(fā)揮了重要的作用。

3.6 進(jìn)水快速閘門

快速閘門是作為機(jī)組安全保護(hù)及廠房防止水淹的最后保護(hù)措施。在英布魯水電站所在河流 (萊菲尼河)漂浮物多、電站廠用電保障率低的特殊條件下,電站進(jìn)水口采用快速閘門作為機(jī)組防飛逸、防事故擴(kuò)大、保護(hù)電站廠房安全的最后措施,是十分有效合理的,經(jīng)運(yùn)行檢驗(yàn)該項(xiàng)措施也是十分必要的；可作為成功的經(jīng)驗(yàn)為類似電站采用；在英布魯水電站的初期調(diào)試、試運(yùn)行、運(yùn)行過(guò)程中,快速閘門與其它安全系統(tǒng)配合,很好地保障了機(jī)組及電站廠房的安全。

3.7 安全的測(cè)速系統(tǒng)

測(cè)速系統(tǒng)是水電站機(jī)組運(yùn)行、控制、事故判斷、事故處理、設(shè)備動(dòng)作的重要信息之一。英布魯水電站的機(jī)組采用可靠齒盤測(cè)速裝置作為主要測(cè)速方式,同時(shí)殘壓測(cè)速作為備用的測(cè)速方式；兩種測(cè)速均可以實(shí)現(xiàn)機(jī)組、調(diào)速器、勵(lì)磁裝置、保護(hù)裝置的控制、動(dòng)作、保護(hù)信號(hào)。在兩種測(cè)速方式均失效時(shí),機(jī)械防飛逸裝置承擔(dān)了機(jī)組及電站安全最后保障。

4 結(jié) 語(yǔ)

剛果英布魯水電站4臺(tái)機(jī)組已于2010年6月16日前進(jìn)行了各項(xiàng)試驗(yàn)及完成72 h試運(yùn)行,截止至2011年6月8日,機(jī)組順利地完成30 d的考驗(yàn)運(yùn)行及近10個(gè)月的商業(yè)運(yùn)行；機(jī)組成功地實(shí)現(xiàn)獨(dú)立給首都布拉柴維爾供電,并根據(jù)用電量的變化增減負(fù)荷,機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)。機(jī)組在運(yùn)行中,發(fā)電機(jī)的無(wú)功補(bǔ)償能力穩(wěn)定在15～17 Mvar,機(jī)組在啟動(dòng)或停機(jī)過(guò)程中無(wú)功功率達(dá)18～19 Mvar,在設(shè)計(jì)的預(yù)定范圍內(nèi)。機(jī)組在試驗(yàn)調(diào)試、72 h試運(yùn)行、30 d考驗(yàn)運(yùn)行及商業(yè)運(yùn)行中,機(jī)組的安全保護(hù)系統(tǒng)很好地保證機(jī)組的安全。