紅毛洞電站水輪發電機組優選設計

唐仕紅

(貴州畢節市勘測設計研究院，貴州 畢節551700)

1 工程概況

紅毛洞水電站位于貴州省務川縣豐樂鎮茶坪村境內，地處烏江一級支流洪渡河上游河段，屬洪渡河水電梯級開發規劃的第四級，上游接冉渡灘水電站，下游為沙壩水電站。電站為壩后式，主要功能是發電。

2 工程基本參數

2.1 水庫水位

正常蓄水位664.00 m，上游校核洪水位(P =0.2%)657.52 m，上游設計洪水位(P = 2% )664.00 m，死水位662.00 m。

2.2 廠房水位

廠房校核洪水位(P =1%)631.74 m，廠房設計洪水位(P =2%)629.70 m，正常尾水位615.00 m，設計尾水位400.08 m。

2.3 凈水頭

最大凈水頭47.9 m，最小凈水頭33.5 m，加權凈水頭46.7 m，額定凈水頭45.0 m。

2.4 電站水文、水能參數

總庫容2 650萬m3，興利庫容250萬m3，調節性能為日調節，保證出力(80%)2 700 kW，多年平均發電量7 030萬kW·h，利用小時數3 515 h/a，發電引用流量21.72 m3/s

3 水輪機機型選擇

3.1 確定轉輪型號

本電站設計水頭H =41 m，根據《中小型軸流式混流式水輪機轉輪系列型譜(JB/T6310—92)》、《中小型軸流式混流式水輪機轉輪系列型譜(2002 補充)》以及目前各廠家開發的新轉輪，結合本站水能參數和設備廠家推薦可選機型有HLA703、HLA551C、HLF13、HLA551等幾種模型轉輪［1］。

3.2 水輪機計算選擇

各轉輪的機型選擇計算比較見表1，由于本電站水庫有不完全年調節，因此在選型時考慮在設計水頭發額定出力時機組效率最高，也保證機組在最大水頭及最小水頭發額定出力時機組在高效區運行。

表1 機型選擇比較表

根據選型計算和轉輪綜合特性曲線分析，HLA551C 轉輪要優于其他轉輪，因此本次設計推薦HLA551C—LJ—172 機型。

3.3 運轉特性曲線

對可行的3個方案列表計算后繪制運轉特性曲線，采用面積法進行分析，并參考水輪機運轉特性曲線評價方法進行復核后認為HLA551C 型轉輪仍是最優的。

4 發電機選擇

根據水輪機計算的有關參數及發電機容量后，選定2 臺10 MW懸式水輪發電機，出口電壓等級推薦10.5 kV的電壓等級，功率因數按0.85 選取，型號SF10—22/3400;額定電壓10.5 kV;功率因素0.85滯后;額定轉速333.3(r/min);飛逸轉速600(r/min);額定效率96(%);GD2 (t. m2)240;立軸懸式;俯視順時針旋轉;絕緣等級F/ F;微機勵磁;密閉空冷;機械制動;水噴霧滅火;中性點通過避雷器接地［2］。

本電站確定水輪機安裝高程的設計尾水位，是按一臺水輪機50%的額定流量形成的尾水位來確定，考慮一定安全余量后選擇中心安裝高程612.20 m。

5 水輪機的附屬設備

水輪機的附屬設備包括4個部分:

5.1 調速系統

為滿足機組運行的要求，每臺機組配備1 臺先進的自動化程度高的微機調速器。微機調速器型號GKT—7500—16。

5.2 水輪機進水蝶閥

本電站為混合式電站，為“一洞兩機”供水方式，水輪機進口處設置1 臺進水閥，進水閥型式為液控蝶閥，型號2600HD741H—8C。

5.3 勵磁裝置

采用SLW—2(PLC 微機)勵磁裝置。

5.4 起重機

本站最大起吊重量為發電機轉子連軸總重量55 t，蝶閥最大起吊重量30t(由主鉤起吊)，吊具重約2t，根據該重量選擇起重機主鉤最大起吊重量75t。選擇副鉤最大起吊重量20t，根據廠房布置選擇跨度12.0 m，型號QD75/20t［3］。

6 調保計算

本電站的調保計算采用河海大學的《水電站水力－機械過渡過程仿真計算通用軟件》進行分析計算。計算時采用本站選擇的水輪機HLA551C 的轉輪特性數據庫［4］。

圖1 HLA551c—LJ—172 水輪機運轉特性曲線(配SF10—18/4000 發電機)

6.1 計算任務

4 項計算任務為:

1)上、下游正常高水位:2 臺機同時甩負荷:2 ×10MW→0。

2)上、下游最高洪水位:2 臺機同時甩負荷:2 ×10MW→0。

3)上游死水位、下游最低水位:2 臺機同時甩負荷:2 ×10MW→0。

4)額定水頭下2 臺機同時甩負荷:2×10MW→0。

6.2 計算要求

計算蝸殼進口壓力，最大值＜72.15 m，相對值＜50%。

計算機組最大速率上升值，相對值＜60%。

計算尾水管內的最大真空度≤8 m水柱。

6.3 計算結果

進水口中心高程為652.30 m，主壓力鋼管長71.70 m，內徑2.60 m;鋼管相應糙率0.014，鋼管壁厚0.014 m。

本電站的調保計算采用河海大學的《水電站水力—機械過渡過程仿真計算通用軟件》進行分析計算。計算時采用本站選擇的水輪機HLA551C 的轉輪特性數據庫。

7 結 語

在壓力引水管長度相同的情況下，設計對主壓力引水隧洞及鋼管管直2.60 m進行過渡過程大波動計算。計算成果如下:

1)機組一段直線關閉，關機時間4 s，機組GD2 =240 t. m2。

2)機組最大轉速上升值45.30%，蝸殼最大壓力64.56 m，最低尾水管壓力－5.416 m，滿足大波動計算要求。

在小型水電站設計中，水輪機選擇具有十分重要的地位，通過對水輪發電機組的優選設計可以提高機組效率和減小土建投資，并提高電站經濟指標，使得電站指標更加經濟合理。

［1］季盛林，劉國柱. 水輪機［M］. 北京:水利電力出版社，1980.

［2］湖北省水利勘測設計院.小型水電站機電設計手冊［M］.北京:水利電力出版社，1985.

［3］《中國水力發電工程》編審委員會.中國水力發電工程機電卷［M］. 北京:中國電力出版社，2000.

［4］鄭源，張強.水電站動力設備［M］. 北京:中國水利水電出版社，2003.