北美水電站水輪機選型采用的新工具

[加拿大]詹姆士.L.戈登 約翰.P.克里斯滕森

余 林 譯自美刊《水電評論》2009年第 9期

對于某一壩址的水電站,其最優初步設計要求細致地評估水輪機技術、發電設備的費用和電站各種配置的經驗費用數據。計算機程序 HydroHelp1是有助于水電工程開發商選擇水輪機與電站廠房最佳組合設計的評估工具。該程序將必要的分析工具、最新技術信息和經驗費用數據組合在一起,使用戶能進行水電站的初步設計。這只是一個初步設計,應校核并擴展成最終設計。

該程序是在加拿大自然資源部的礦物和能源技術中心的支持下開發出來的,這是一家加拿大的能源、科學和技術研究機構。HydroHelp1可在互聯網上免費獲得,網址為 www.hydrohelp.ca。

1 作 用

現在有許多不同類型的水輪機,從臥軸低水頭小型燈泡式機組到大型高水頭沖擊式機組。例如,對于小到中等流量(5～320m3/s)和水頭(3～444 m)組合的可能壩址,有28種水輪機型號可供選擇。縮減規格后,仍然可有幾種型號的選擇范圍。例如,對于220m水頭和5 m3/s的流量,可選用 9種類型的水輪機。由于適用的水輪機類型很多,因此為一處具體壩址選擇最優水輪機就成為一個具有一定難度的過程。

水輪機出力大于1 MW時,HydroHelp1程序可在選型過程中提供幫助。程序使用的所有算法都基于吉姆?戈登(Jim Gordon)所寫論文中包含的數據。

1.1 水輪機初選

HydroHelp1程序占用2 M內存在微軟 Excel2003上運行。用戶完成程序時,可得到的打印輸出長達 4頁,外加一可選的封面。

程序要求用戶輸入13個描述水輪機需求的參數。這些參數或者從現場條件已知,或者由程序用戶選擇(例如期望的機組臺數,發電機功率因素和物價上漲率)。這13個輸入參數是滿足初選水輪機所提供的單獨關于設備費用的信息。為了更為直觀地說明,輸入的參數和數據是:

(1)最大水頭時,蓄水池水位為 405.0m;

(2)低水頭時,蓄水池水位為 404.0m;

(3)引水管道水頭損耗的百分比為2.5;

(4)正常尾水位為 380.0m;

(5)洪水尾水位為 398.0m;

(6)電站設計流量為 80.0m3/s;

(7)所需機組為2臺;

(8)夏季水溫為15℃;

(9)輸電系統頻率為50Hz;

(10)發電機功率因素為 0.90;

(11)最大允許變速箱功率為2 MW;

(12)發電機品質(實用型或工業型)為工業型;

(13)2008年后的物價上漲率為1.01。

上述實例中,應注意洪水尾水位的大幅提高。提供上述參數及數據,旨在舉例說明這種洪水位對設備選型的影響。

為了幫助程序用戶,程序中的幾個注釋單元可為數據輸入提供幫助。例如,對變速箱的注釋是“增速器功率可達約13 MW左右。但是,超過 4 MW左右時,其使用是有爭議的,超過10MW時,不應考慮使用變速箱。降低變速箱容量到水輪機輸出功率之下,看其對費用的影響。”與發電機品質有關的注釋可以指導用戶為壩址選取出力小于10MW的工業型發電機。有了這些注釋單元,就無需用戶手冊了。

HydroHelp1使用上述數據在程序中詳細計算各種水輪機的運行范圍,然后程序根據機組臺數、水輪機容量、轉速、轉輪大小、水頭和流量等進行校核,以確定每種水輪機在運行范圍內是否合適。程序會舍棄不適于具體壩址的水輪機。例如,如果壩址的水輪機少于 3臺,程序不會選擇一臺定槳式機組,因為小流量時這種機組的轉輪效率低,所以需要輸入機組數量。如果上游水位變化很大,程序也會舍棄定槳式機組。

依據計算結果,程序提供適用的水輪機類型清單,并提供水 -電網的發電機組費用估算。

HydroHelp1包含一個子程序,根據引水管道的長度、毛水頭、電站運行容量因數和設計標準——實用型(損耗小)或工業型(損耗多)來估算可能的最優水頭損耗。用戶可選擇程序推薦的水頭損耗或任何其他損耗,作為引水管道水頭損耗百分比的輸入量。

程序還可為選定的水輪機計算一些基本參數,例如轉速、所需的廠房起重機起吊能力和發電機組容量。將程序為其推薦的反擊式水輪機機型(臥式機坑或小型燈泡轉槳式水輪機組)及沖擊式水輪機機型(如果無適用的沖擊式水輪機,則選擇反擊式水輪機)所計算出的一些基本參數列于表1。起重機的起吊能力是根據起吊臥式機組的轉子和定子的能力,對立式機組則只需根據起吊轉子的能力來計算。

表1 推薦的水輪機機型

表1中所列出的數據說明了特定流量和水頭所適用的水輪機選型范圍。在該實例中,HydroHelp1顯示了適用的水輪機清單,包括臥式小型燈泡轉槳水輪機、臥式“S”型轉槳水輪機和立式“Saxo”軸流轉槳水輪機(S型機組的流道形似字母“S”,Saxo水輪機的流道類似薩克斯管)。如果用戶不愿選用程序選擇的特定水輪機,那么可以在程序選定的水輪機機型旁插入一個零來取消選擇,然后程序會根據費用返回到下一個最合適的水輪機。

由 HydroHelp1提供的水輪機費用只可視為一個估算,極易受程序未分析的情況所影響。例如,制造商也許已有一個為另一壩址設計的合適的水輪機設計方案。這樣就可以降低供應水輪機的費用,因為所有的設計工作已經完成。為此,程序提供了所有的適用水輪機的相關費用,允許用戶考慮作為替代方案。程序根據歐洲產的水 -電網的發電機組提供設備費用。預計亞洲產設備可降低費用。

水電設備的費用估算算法需要每年更新,因為是用高于一般費用通脹率來計算最新設備費用的。從2006年年中到2008年11月,設備費用大約上漲了 40%～60%。這是因為材料的大幅漲價、不斷增加的運輸費用、全世界對水輪機的大量需求和水電設備制造商數量的持續減少。

1.2 利用相關數據精選機型

在具體壩址上修建的廠房外形和費用取決于水輪機的機型。水頭低于 30m時,適用的水輪機很多,這點尤其重要。例如,洪水期間壩址將遭遇尾水大幅上漲,在這種情況下,可使用立式或臥式機組。但是,對于臥式水輪機來說,為了承受高水位,可能需要大量額外的混凝土來加固廠房。更好、更經濟的方案應該是選取立式水輪機,而這將需要更高更窄的廠房結構。這種廠房結構占地面積較小,因此將減少所需的混凝土數量,從而降低費用。

HydroHelp1的特點是根據修建廠房的費用來選擇水輪機的機型。這樣就要求輸入一些其他數據,這些數據很容易從隨意的現場檢查和與可靠承包商的討論中獲得:

(1)覆蓋層開挖的費用,＄/m3;

(2)巖石開挖的費用,＄/m3;

(3)混凝土的費用,＄/m3;

(4)墻壁和屋頂的費用,＄/m2;

(5)上部鋼結構的費用,＄/t;

(6)發電廠房巖石平均高程值,m;

(7)廠房覆蓋層的平均深度,m。

利用這些數據,程序即可以計算出廠房的基本大小和費用(參見表2)。程序假定廠房是建造在堅固的巖石(大約為水輪機層)上,如果巖石低于該層,計算結果就會出現一負值,用戶可以同時看到一警告注釋,從而使廠房遠離巖石高程之上。

表2 精選的水輪機機型

2 工具的精度

為了驗證 HydroHelp1的精度,作者對比了大約15項水電工程的實際資料,并對結果進行測試。在所有情況下,測試結果證明了程序所推薦的水輪機選型是適宜的。

程序原本設計是提供給小水電開發商使用,但也可用于大型工程。加拿大 95MW的高瀑布電站工程,業主為博勒菲可再生電力有限公司(Brook field Renewable Power Inc.),該工程就是HydroHelp1測試結果與已有信息對比的實例(見表3)。對比是根據機組額定流量112 cm3/s、額定水頭44.8 m、尾水位高程216.5 m的情況進行的。

表3 HydroHelp1的輸出數據與加拿大高瀑布電站實際數據的對比

3 動態工具

到2009年 6月底,在美國、加拿大和世界范圍內,已有600多位用戶下載運用了 HydroHelp1程序。

鼓勵程序用戶向 HydroHelp1開發者提供有關程序和費用資料的反饋。反饋將用于進一步改善和更新費用的算法。

計劃于2010年完成下一次的程序更新,修正小機組的性能包絡線,以反映科研創新的新進展。