范欣柯

摘要： 水電工程具有防洪、灌溉、蓄水、發(fā)電等功能，是關(guān)系國計(jì)民生的基礎(chǔ)設(shè)施。本文結(jié)合某的水電工程，根據(jù)水電站機(jī)組的特點(diǎn)，對兩種機(jī)組選型方案進(jìn)行分析，對水輪機(jī)組進(jìn)行選型。

Abstract： Hydropower projects have the functions of flood control， irrigation， water storage and power generation， and are the infrastructure related to national economy and people's livelihood. In this paper， based on a hydropower project， according to the characteristics of hydropower units， the selection of two types of unit is analyzed for turbine unit selection.

關(guān)鍵詞： 水電工程；機(jī)組；轉(zhuǎn)輪；水頭

Key words： hydropower project；unit；runner；water head

中圖分類號：TV734.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）02-0104-02

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對電力需求不斷增加。國家大力建設(shè)水利工程，水電工程具有發(fā)電、防洪、灌溉等功能，水電站的機(jī)組選型是水電站建設(shè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。水電站的機(jī)組直接關(guān)系到水電站運(yùn)行效率和經(jīng)濟(jì)效益，因此，水電站建設(shè)之前，必須做好充分準(zhǔn)備，了解水電站的特點(diǎn)，選擇合適的機(jī)組，才能確保水電站的投產(chǎn)以后的經(jīng)濟(jì)效益。

1 水電站水輪機(jī)選型內(nèi)容

水輪機(jī)選型主要內(nèi)容有確定水輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量和機(jī)組臺數(shù)、水輪機(jī)型號、水輪機(jī)出力、同步轉(zhuǎn)速、水輪機(jī)最大允許吸出高度和高程、飛逸轉(zhuǎn)速、繪制水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)綜合特性曲線、水輪機(jī)組外形尺寸、重量和價(jià)格，根據(jù)現(xiàn)有的水力資料上確定下年平均發(fā)電量和水頭預(yù)想出力。

1.1 水輪機(jī)組裝機(jī)容量

水電站裝機(jī)容量一般考慮到兩個(gè)因素，一是河流徑流大小以及特性、水庫調(diào)節(jié)性能、水電站利用水頭等，另外則是水電站的供電范圍、電力系統(tǒng)的負(fù)荷發(fā)展規(guī)模等。機(jī)組容量應(yīng)該要滿足最小下泄流量的容量。水電站的裝機(jī)容量公式為：N=gQHη，其中g(shù)表示水電站機(jī)組所在地的重力加速度、Q表示水電站發(fā)電引用流量、H表示水輪機(jī)運(yùn)行水頭、η表示水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的效率。

1.2 水輪機(jī)組數(shù)量

水電站水輪機(jī)組數(shù)量則根據(jù)水電站的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)置。如果水電站的水頭變化幅度小，水電站就設(shè)置在大壩附近或者大壩處就有泄水閘門，則按照最少的機(jī)組臺數(shù)設(shè)置，要就是1組。如果水電站的下泄流量比較大、水頭變化幅度大，機(jī)組運(yùn)行的靈活性比較差，所以選擇臥式機(jī)組，機(jī)組按照2臺設(shè)置。

1.3 額定水頭和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑和轉(zhuǎn)速選擇

水輪機(jī)在水電站整個(gè)水頭運(yùn)行范圍內(nèi)都必須保證恒定的下泄流量，根據(jù)水電站的實(shí)際情況核算流量值。水輪機(jī)按照常規(guī)水電站那樣設(shè)置額定水頭。具體根據(jù)水電站的實(shí)際運(yùn)行水頭變化進(jìn)行選擇。如果水頭變化幅度比較小，那么水電站加權(quán)平均水頭的90%-95%作為額定水頭，選擇水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑和轉(zhuǎn)速，并確定最大水頭和最小水頭流量是否滿足水電站的運(yùn)行流量要求。如果最大、最小水頭下泄流量無法滿足水電站的運(yùn)行要求，那么則適當(dāng)增加導(dǎo)葉開度。機(jī)組對水輪機(jī)的要求比較高，水輪機(jī)組必須在任何工況下，過流量保持恒定并保持不停機(jī)狀態(tài)。所以水輪對機(jī)組在選擇的時(shí)候，要確保機(jī)組的穩(wěn)定性能，確保水輪機(jī)參數(shù)處于最佳效率區(qū)。運(yùn)行水頭變化幅度比較大的水電組，主要從兩個(gè)方面考慮，第一個(gè)是水電組的經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，在水電站高水頭段和低水頭段分別安裝兩個(gè)轉(zhuǎn)輪，水頭頻率出現(xiàn)比較高的水頭段選擇轉(zhuǎn)輪參數(shù)，出現(xiàn)幾率小的水頭段則限制水輪機(jī)的運(yùn)行工況，通過其他泄水方式下泄水電站所需的水流量。另外一個(gè)方面就是從水電站流量、最小水頭的水輪機(jī)出力情況、最小水頭流量，計(jì)算選擇水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑，然后根據(jù)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的直徑、最大水頭以及水電站流量。

2 水輪機(jī)組選型基本原則

水輪機(jī)組選型必須遵循以下原則：第一，水輪機(jī)必須在滿足水電工程出力要求和水電站工作運(yùn)行參數(shù)，選擇合適的尺寸和型號，不會(huì)出現(xiàn)比較大的振動(dòng)和噪音。第二，縮短建設(shè)、安裝周期，選擇設(shè)備的時(shí)候要考慮到水庫初期蓄水低水頭的情況，尤其是一些大的水電站。第三，水電站機(jī)組必須具有良好的適應(yīng)能力，能夠適應(yīng)自然環(huán)境。比如在多沙流于的水電站機(jī)組必須有良好的抗磨性，在腐蝕性比較高的河道水輪機(jī)過流部位防腐蝕性能必須好。第四，水輪機(jī)組結(jié)構(gòu)便于現(xiàn)場安裝。第五，水輪機(jī)組必須符合水電站計(jì)算機(jī)監(jiān)控和無人值守或者少人值守的相關(guān)要求。第六，水輪機(jī)組技術(shù)必須符合現(xiàn)場水電站的水文條件，并適合電力系統(tǒng)布置等要求，從而確保機(jī)組有足夠的運(yùn)行效率。現(xiàn)代水輪機(jī)組選型最高效率必須達(dá)到94%，預(yù)想運(yùn)行效率應(yīng)該達(dá)到88%以上。

3 工程概況

某水電站采用混合開發(fā)模式，電站裝機(jī)容量3×140MW，水庫壩址位于河口下游1.2km，正常蓄水水位是2133m，最低水位為2063m，正常蓄水位以下庫容量為5.346億m3，調(diào)節(jié)庫容量為4.43億m3。

通過計(jì)算得出，該水電站的機(jī)組的裝機(jī)容量：1×5MW，枯水期的年枯期平均出力：4.61MW，最大水頭：133.68m，最小水頭63.68m，額定水頭：115m，全年加權(quán)平均水頭：116.29m，多年平均年發(fā)電量：4230.71萬kW·h，機(jī)組裝年利用小時(shí)數(shù)：7422h。

該水電站水輪機(jī)水頭的變化幅度比較大，按照運(yùn)行要求，最大水頭：133.68m，最小水頭63.68m，額定水頭：115m，水頭變化最大幅度為70m，最大水頭與額定水頭比為：1.162，最大水頭與最小水頭比為2.099。這對水輪機(jī)的穩(wěn)定性非常高，近年來我國水電站投運(yùn)的國內(nèi)外著名制造廠商研制大幅度水輪機(jī)和水泵水輪機(jī)都發(fā)生了不同程度的振動(dòng)和轉(zhuǎn)輪葉片裂紋，有的甚至與廠房建筑物發(fā)生共振，影響到水電站的安全和穩(wěn)定性。所以在選型時(shí)，要確保水輪機(jī)和水泵水輪機(jī)的安全性和穩(wěn)定。endprint

3.1 水輪機(jī)組選型

按照水電站的特點(diǎn)，水庫恒定流量為5.2m3/s，水頭變化從63.8m到133.68m，機(jī)組的出力是水頭的線性函數(shù)。假設(shè)水電站的發(fā)電機(jī)運(yùn)行效率為93%，那么水輪機(jī)組的發(fā)電效率是89%，那么機(jī)組的出力變化則是從2688kW到5644kW，其具體運(yùn)行變化圖如圖1。

發(fā)電機(jī)組的機(jī)組型號為SFW5000-8/2150，機(jī)組功率變化范圍在2688kW-5644kW，根據(jù)上述發(fā)電機(jī)組運(yùn)行效率圖可以看出，發(fā)電機(jī)組40%在額定荷載上，運(yùn)行效率比較高，按照2688/5000=53.76%，發(fā)電機(jī)組最低運(yùn)行效率在53.67%，所以發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行效率比較高。按照這一特點(diǎn)，所以本水電站的機(jī)組的研究重點(diǎn)在于是否能確保水輪發(fā)電機(jī)在較大水頭變化情況下，依然保持運(yùn)行的穩(wěn)定性，是否會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)、汽蝕，影響到水電站的安全，轉(zhuǎn)輪是否能滿足這么大的運(yùn)行區(qū)間，根據(jù)這一情況，設(shè)計(jì)了兩種機(jī)組選型方案。

3.2 水電站水輪機(jī)機(jī)組選擇方案一

按照水電站的庫區(qū)變化情況，從1月份到7月份中旬，水頭變化范圍在63.68m到102m，7月到第二年的1月，水頭變化范圍在102m到133.68m，那么這兩個(gè)水頭段的高水頭選擇HLA575C-WJ-98，低水頭段選擇的型號為HLA788-WJ-83。為了提高水輪機(jī)運(yùn)行效率，對選出的HLA575C-WJ-98的轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了結(jié)構(gòu)處理，從而實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)轉(zhuǎn)輪的互換。

每年7月到HLA575C-WJ-98轉(zhuǎn)輪，第二年1月的時(shí)候，HLA788-WJ-83轉(zhuǎn)輪。更換轉(zhuǎn)輪的時(shí)候，同時(shí)更換尾水接管，其余部件則于原來的水輪機(jī)通用，臥式機(jī)組更換比較方便，只需要半天時(shí)間。這種機(jī)組運(yùn)行方案的優(yōu)點(diǎn)是不需要增加配套費(fèi)用，僅需增加HLA788-WJ-83轉(zhuǎn)輪和配套的尾水管，但是增加了3個(gè)月的發(fā)電時(shí)間，兩個(gè)轉(zhuǎn)輪在最佳區(qū)間運(yùn)行，發(fā)電效率比較高，轉(zhuǎn)輪的汽蝕控制比較好。但是這種運(yùn)行方式的缺點(diǎn)是每年7月份到第二年1月的時(shí)候需要更換水輪機(jī)和尾管，這個(gè)過程中比較復(fù)雜，但是總體方案的經(jīng)濟(jì)性比較高，水輪機(jī)的運(yùn)行效率比較好。但是在實(shí)踐過程中，其實(shí)每年需要更換兩次轉(zhuǎn)輪，所以更換工作比較復(fù)雜。

3.3 第二種水輪機(jī)選型方案

這種方案選擇一個(gè)運(yùn)行范圍比較寬的轉(zhuǎn)輪HLA194-WJ-90，但是考慮到出力限制性的影響，73m水頭以下，轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行效率不高，水頭降低，容易引發(fā)轉(zhuǎn)輪振動(dòng)、汽蝕，水頭越低，則產(chǎn)生的副作用越明顯，這樣容易影響到機(jī)組的運(yùn)行。因此，低于73m的水頭不適宜機(jī)組運(yùn)行。

這種方案不需要拆換轉(zhuǎn)輪，但是水輪機(jī)運(yùn)行效率比較低，水頭低于73m不能運(yùn)行，所以每年損失了3個(gè)月的發(fā)電時(shí)間和發(fā)電量。

3.4 結(jié)論

通過分析對比兩種方案，考慮到機(jī)組運(yùn)行效率，適合選擇第一種方案，高水頭選擇HLA575C-WJ-98，低水頭段選擇的型號為HLA788-WJ-83，這兩個(gè)轉(zhuǎn)輪的穩(wěn)定性好、壓力脈動(dòng)小、更換成本低，只需要更換轉(zhuǎn)輪和尾管即可，不會(huì)增加其他配套費(fèi)用，每年增加3個(gè)月的發(fā)電時(shí)間，經(jīng)濟(jì)效益比較好。

4 結(jié)束語

發(fā)電站機(jī)組選型的時(shí)候，要考慮到水電站的實(shí)際情況，選擇與水電站參數(shù)比較匹配的型號，機(jī)組的運(yùn)行范圍比較廣，所以選型的時(shí)候必須進(jìn)行有效的控制。上述兩個(gè)機(jī)組選型方案在技術(shù)上都是可行的，但是考慮到實(shí)際運(yùn)行成本和經(jīng)濟(jì)效益，使用了第一種運(yùn)行方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]徐立建.土卡河水電站水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)[J].房地產(chǎn)導(dǎo)刊，2015（31）：194.

[2]呂望斌.五郎河二級電站轉(zhuǎn)輪選型探討[J].通訊世界，2014（16）：61-62.

[3]張澤太，高普新，楊富超，等.英布魯水電站水輪發(fā)電機(jī)組選型及研究[J].水利水電工程設(shè)計(jì)，2011，30（4）：46-48.

[4]于暉.內(nèi)蒙朱日和風(fēng)電場風(fēng)資源分析和風(fēng)電機(jī)組選型[J].水利水電工程設(shè)計(jì)，2012，31（4）：7-9.endprint