老撾會蘭龐雅水電站機組選型設計

伍 曉 芳, 黃 玉 虎

(廣西電力工業勘察設計研究院，廣西 南寧 530023)

0 電站概況

老撾Houay Lamphan Gnai(會蘭龐雅)水電站位于老撾南部的Bolaven高原的Houay Lamphan Gnai(會蘭龐雅)河流上。電站采用引水式，上游工程總控制流域面積約237 km2。水庫正常蓄水位820 m，死水位795 m，最大庫容1.41億m3，有效庫容1.22億m3。攔河壩壩型為粘土心墻堆石壩，最大壩高75 m，右岸設溢洪道，孔凈寬10 m。引水隧道位于右岸，采用一洞二機布置，隧洞長約6.5 km，洞徑2.4m。引流隧洞共5條，總長約5.0 km，洞涇為2 m～3 m。地面發電廠房位于Sekong省，裝機容量88 MW，裝2臺機組。

電站屬于老撾國家電力公司(EDL)南方電網，目前該電網最高電壓等級為115 kV。

老撾會蘭龐雅水電站為EPC合同建造項目，業主單位為老撾國家電力公司，總承包單位為中國葛洲壩集團第二工程公司，工程于2010年11月8日正式開工。

1 電站基本設計參數

(1)特征水位

正常蓄水位 820 m

死水位 795 m

最大庫容 1.41億m3

有效庫容 1.22億m3

(2)尾水位

最高尾水位 202.77 m

(3)流量多年平均流量 11.9 m3/s

(4)電站特征水頭

最大水頭 613.0 m

額定水頭 529.0m

最小水頭 514.3 m

(7)水文氣象

多年平均氣溫 26.8 ℃

極端最高氣溫 41.2 ℃

極端最低氣溫 5.5 ℃

多年平均相對濕度 86%

2 水輪機及其附屬設備選擇

2.1 機組機型和臺數選擇

雖然本電站水頭范圍在514.3～613 m，屬于混流式機組與沖擊式機組均可適用的水頭段，但是本電站額定流量Q=9.69 m3/s，相對較小，而且由于其引水系統很長，引水管徑相對較小，引水系統流速相對較大，為了保證在機組甩負荷過程中減少水錘，增大系統穩定性，考慮選用水斗式機型。

水斗式水輪機用于高水頭電站，雖然它的最高效率低于混流式水輪機，但其對負荷的適應性較強，在25%～100%額定負荷范圍內運行時，可根據出力變化自動切換噴嘴數，效率較高，機組穩定、運行區域寬廣，設計制造和運行經驗均很成熟，轉輪壽命也不斷延長，因此在國內外得到了廣泛的應用。

(1)轉輪比較

本電站初步設計中，采用目前國內較先進的沖擊式轉輪模型A237和A475進行了比選，參數如表2-1所示。

表2-1 A237和A475轉輪模型參數比較表

從參數表可以看出，A475轉輪適用水頭較高且效率比A237略高。A237轉輪的最大優點是分水刃外徑較大，每個水斗能截取較多射流，因此整個轉輪所需水斗數較少，水斗根部強度較好。而A475轉輪具有以下特點：

1)轉輪水斗背部無肋筋，水的流道暢通阻力小，因此，具有較高效率；

2) 水斗對輪輻的傾角較小，分水刃和切水刃較低，可降低應力和減輕水斗重量；

3)轉輪采用輕斗和強輪輻結構，可避免由交變應力產生共振和應力集中；

4)水斗具有圓形淺斗狀，水力半徑大，具有良好的抗磨損和抗氣蝕能力。

綜合考慮上述，采用A475轉輪進行設計。

(2)噴嘴數選擇

A475轉輪有4、6噴嘴模型數據，本電站水斗式水輪機的噴嘴數可以選4或6，以2臺單機容量44MW的裝機方案進行了噴嘴數的分析比較，計算結果見表3-3。

表3-3 4噴嘴與6噴嘴方案機組參數比較表

從上表可見，不同噴嘴數方案的廠房尺寸及廠房各層高程相差不大，主廠房土建工程量相差甚微。因此噴嘴數的選擇主要從機組及其附屬設備的結構、造價、運行維護的方便等因素來考慮。從機組造價方面講， 6噴嘴方案機組轉速高，發電機造價相對便宜，但盡管水輪機轉輪直徑稍小，而由于噴嘴數多，水輪機折向器裝配、噴嘴噴針裝配、配水環管裝配等結構更復雜，水輪機總體造價反而較高；從調速器及其油壓裝置方面講，6噴嘴方案的調速器由于調節對象多，內部系統結構復雜，價格也相對較高；從油、氣、水等輔助系統設備投資上講，兩個方案的投資均差不多相同，因此從一次性投資角度比較，6噴嘴數方案的高于4噴嘴方案。

從機組穩定運行角度講，為了保證機組的穩定性，水斗式水輪機機組的運行范圍應控制在(25%～100%)額定出力范圍內。一般說來，水輪機噴嘴數多，對于機組的功率調整而言可能更便利。但是根據對本電站機組水頭出力加權因子計算得知，本電站機組在各種水頭下不大于50%額定出力運行的總加權因子很低，約1.3%，即各水頭段下，50%以下流量的工況運行的概率很小，4噴嘴完全可以滿足機組出力(對應流量)調節的要求，因此選擇6噴嘴方案沒有優勢；而且從電站建成后的水輪機及調速系統設備的運行維護上講，4噴嘴方案由于結構相對簡單，維護工作量少，具有相對優勢。

綜合上述比較，在電站基本設計報告階段推薦了4噴嘴方案。最終預估水輪機主要參數如下。

2.2 初選水輪機主要參數

水輪機型號 CJA475-L-210/4X17.7

水輪機額定出力NT 45.36 MW

額定轉速n 428.6 r/min

額定流量Qr 9.69 m3/s

3 發電機參數初選

根據電站機組設計出力和上述水輪機選型設計所確定的轉速，如果按照正常設計計算，得到的發電機初步參數為：

型號: SF44-24/()

型式: 立式

額定容量: 48.89 MVA

額定功率N: 44 MW

額定轉速n: 428.6 r/min

電壓等級: 10.5 kV

額定頻率: 50 Hz

額定電流: 2 688 A

功率因數 (lag): 0.9

發電機轉子外徑： 3 510 mm

發電機轉子高度： 1 700 m

轉子重量： 108 t

轉動慣量GD2: 580 t·m2

4 電站調節保證計算和機組參數調整

4.1 調節保證初步計算

電站負荷變化或因事故全甩負荷時，將會引起輸水系統中水壓、機組轉速的變化，本電站引水管道總長約6.5 km，調壓井后的壓力引水管道長約1 621 m，直徑為2.0 m，然后分岔引至二臺機組，分岔管直徑為1.4 m。由于管線長，管內流速較大，有壓管段引水系統水流慣性常數Tw值較大，各種工況下均大于4.0。由于項目的特殊性質，在施工設計階段，引水系統的洞涇增大受限。

按照機組初步選型計算，機組的轉動慣量約GD2 580 t·m2，按照Ta與機組轉動慣量GD2之間的換算公式：Ta=(n.n.GD2/365.N)，機組時間常數Ta約為6.6，, Ta/Tw=6.6/4.0=1.65。而根據相關規范，為了滿足機組容量小幅度調節時過渡過程計算的穩定性，系統水流慣性時間常數Tw與機組時間常數Ta之間存在一個比例關系，即Ta/Tw的比值在2.5～3之間。因此上述機組參數選型計算得到的轉動慣量將保證不了機組甩負荷過渡過程的穩定性。

為了滿足保證機組甩負荷時的穩定性，根據選用的轉輪的特性曲線，對本電站不同上庫水位、不同的GD2及機組甩不同負荷的情況，使用一定的兩段折線針閥關閉規律和折向板動作規律進行了電站小波動過渡過程計算。計算結果表明，機組轉動慣量取580 t·m2時，電站穩定性較差，出力改變后，機組轉速最終擺動幅度在10%左右，而轉動慣量加大到850 t·m2后，系統穩定性較好。

4.2 機組參數調整

綜合考慮上述各個方面，為了滿足機組調節保證計算，即保證機組甩負荷時的穩定性，必須對機組的轉動慣量進行調整。由于水輪機轉動部分轉動慣量小，則調整轉動慣量的關鍵在于調整發電機的結構參數，最后經過項目機組制造廠家的設計計算，調整得到的發電機部分結構參數修改為如下：

轉子外徑： 4 048 mm

轉子高度： 1 450 mm

轉子重量： 112 t

轉動慣量GD2: 850 t·m2

6 結 論

本項目沖擊式機組水輪機噴嘴數，除了關注常規的水輪機選型條件外，還充分考慮項目所在地的實際水能水文情況，分析電站水庫徑流及出力分布情況，最終選擇少的噴嘴數量，簡化了水輪機機構和附屬設備，降低造價，也方便了運行。

本電站為國外EPC項目，項目國外業主在招標時已經有初步的總體布置方案，水庫、大壩、引水系統和廠房位置都基本確定。項目投標過程中為了增強競爭力量，對于比較小的引水系統洞涇維持了原招標設計參數，導致本電站Ta/Tw比值偏大，按照常規設計的機組轉動慣量難以滿足機組甩負荷時水力過渡過程的穩定，因此不得不對發電機的形體進行必要的改進，經過改進設計的水輪發電機組的轉動慣量最終可以滿足機組甩負荷時穩定性需要。但是，需要說明的是，類似于本項目的發電機形體的改變，不僅會影響廠房設計尺寸，也往往會使得一些已經系列化的發電機組成本提高，這是國內企業在進行國外EPC投標設計時要高度重視的。

本電站沖擊式水輪機的選型設計、發電機的改進設計經驗對于類似長引水系統沖擊式機組電站國內外EPC項目的投標報價、施工設計有一定的參考意義。