蘇丹上阿特巴拉水電站調相壓縮氣系統計算

代佰亮

(哈爾濱電氣國際工程有限公司，哈爾濱 150000)

蘇丹上阿特巴拉水電站調相壓縮氣系統計算

代佰亮

(哈爾濱電氣國際工程有限公司，哈爾濱 150000)

蘇丹上阿特巴拉水電站要求機組具備調相運行功能，調相運行需要壓縮空氣將轉輪室內水位下壓，使得轉輪暴露在水面以上轉動。論述了該項目調相壓縮氣系統的計算過程，根據理想氣體狀態方程，結合經濟適用性原則，計算和選定了儲氣罐的容積和空壓機的排氣量。實踐證明,計算結果滿足工程要求，降低了工程投資。

水輪機；調相運行；空壓機

機組的調相運行模式是指機組從電網吸收有功，通過改變機組自身勵磁電流的大小，進而向電網發出無功，用以提高電網功率因數或者調節電網電壓的一種運行模式。對于混流式機組或軸流式機組，其尾水位高于蝸殼水位，因此,當它們作為調相機運行時，電網拖動機組轉動，轉輪會淹沒在水中攪動，這時會消耗大量的有功，并且機組振動會比較大。為了避免這種情況，需要用壓縮氣體將轉輪室和尾水錐管內一定高度的水壓出，使整個轉輪暴露在空氣中轉動[1]。

1 項目情況

蘇丹上阿特巴拉水電項目(Upper Atbara Project)位于蘇丹國境內上阿特巴拉河與塞提河交匯處上游約20 km處，距離蘇丹首都喀土穆約600 km。業主咨詢公司為德國拉美爾咨詢公司(Lahmeyer)，機電包合同采用菲迪克(EPC)交鑰匙條款。合同內容包含4臺軸流轉槳機組、13臺單相變壓器、220千伏GIS、其它輔機設備等的設計、供貨、安裝等。

蘇丹上阿特巴拉項目標書要求提供單獨的調相壓縮氣系統用來提供壓水氣源，系統包含空壓機、儲氣罐、冷干機、控制器等一系列設備。

1.1 主機參數

機組型式 立式雙調節軸流轉槳機組

機組數量 4臺

水輪機額定出力 80 MW

額定凈水頭 34.3 m

轉輪直徑 5.60 m

額定同步轉速 136.36 r/min

發電機額定出力 93 MVA

發電機電壓等級 13.8 kV

發電機功率因數 0.85

1.2 標書技術要求

標書要求4臺機組最多同時有2臺機組投入調相模式運行，調相運行時尾水位取值為海拔EL482.0 m。整個氣系統的設計壓力為4.0 MPa，包含4臺水冷式空壓機，6臺儲氣罐及冷干機等其它輔助設備。系統又分為2個子系統：每2臺空壓機、3臺儲氣罐組成1個子系統用于提供1臺機的氣源，兩個子系統之間用總管相連。

標書對每個子系統的參數有如下規定：

1)3臺氣罐的總氣量應能滿足在不往氣罐補氣的情況下，實現連續兩次對1臺機進行壓水操作并留有20%余量。

2)2臺空壓機總排量應能在2小時之內把3個儲氣罐從大氣壓經過不斷充氣加壓到設計壓力(4.0MPa)。

1.3 修改后的技術參數

詳細設計階段，發現標書的要求有過多余量，本著經濟適用性原則，承包方積極進行優化設計。例如系統壓力為4.0 MPa的情況下，計算得出的儲氣罐體積將很大，難以安裝，由于儲氣罐的體積和系統壓力成反比關系，因此有必要提高系統壓力來減小儲氣罐體積。經綜合考慮，并征得業主和咨詢工程師批準，最終優化設計方案如下：

1)考慮到高于4.0 MPa的常用中壓空壓機出口壓力為7.0 MPa，因此系統設計壓力變更為7.0 MPa。

2)每3臺儲氣罐組成1個子系統不變，由2臺空壓機供1個子系統用氣，變更為首次充氣時，4臺空壓機同時工作供1個子系統用氣；平時運行空壓機三主一備。

3)其它參數及要求不變

2 計算過程

如圖1所示，調相命令開始后，調相供氣管上的供氣閥打開，高壓氣從儲氣罐壓入錐管，壓力平衡后，氣體主要存在于儲氣罐內(設體積為Vg)、管路及連通腔內(設體積為V5)、導葉部分(設體積為V1)、轉輪室部分(設體積為V2)、錐管部分(設體積為V3)，計算時取壓水后尾水錐管內最低水位在轉輪泄水錐以下1 m，則得錐管內最低水位為EL465.3m，設容納這部分氣體的總容積為Vd。總體的計算思路是：首先需要計算出Vd的值，然后計算椎管內空氣壓力Pz，這兩個值代入理想氣體狀態方程，得出壓水前氣體總容積Vg，再根據標書要求換算出單個儲氣罐容積以及空壓機排氣量。

2.1 單個儲氣罐容積計算

根據前期詳細設計圖紙查得水輪機各部件尺寸見表1

圖1 水輪機剖面圖Fig.1 turbine cross-section

表1 水輪機尺寸Table 1 water turbine dimensions m

2.1.1 壓水后尾水管內氣體總容積Vd的計算

4)轉輪室自身體積V4=10.83 m3(哈爾濱電機廠提供)

5)管路和其它連通腔V5=22.87 m3(哈爾濱電機廠提供)

那么Vd=V1+V2+V3-V4+V5+Vg= 220.7+Vg(m3)

2.1.2 尾水管內氣壓計算

現場大氣壓(根據GB/T 15613—2008)[2]：

Pabm= 101 325(1-2.2558·10-5·Z)5.255= 101 325(1-2.2558·10-5·482)5.255= 95 667.9 Pa

式中：Z為海拔高程，根據標書要求取值為EL482.0 m;Pabm為現場氣壓 Pa。

尾水位和錐管內水柱壓差：

Ps=ρ·g·ΔH=997.0×9.784×(482.0-465.3) =162 902.6 Pa

式中：ΔH為尾水位和調相運行時錐管內最低水位高程差,m;ρ為25℃時水的體積質量,kg/m3;g為當地重力加速度,m/s2。

根據連通器原理，椎管內氣壓等于尾水大氣壓加上尾水和錐管水位高差的水壓，那么尾水管內氣壓Pz=Pabm+Ps=95 667.9+162 962.6=258 570.5 Pa，考慮到實際調相時，機組處于小負荷運行狀態，此時錐管上部會出現一定程度的負[3]，計算時可加50 000 Pa予以修正，最后取值為Pz=308 570.5 Pa

2.1.3 儲氣罐容積計算

根據理想氣體狀態方程[4]，壓水前和壓水后存在如下等式：

式中：P1為儲氣罐初始壓力，70×105Pa;P2為調相時尾水管內壓力，值為3.085×105Pa;Vg為壓水前壓縮氣體總容積;Vd為壓水后壓縮氣體總容積。

其中溫度變化可以忽略不計，則T1=T2，代入前面的計算值,可求出Vg= 10.18 m3

又根據標書的要求：3臺氣罐的總氣量應能滿足在不往氣罐補氣的情況下，實現連續兩次對1臺機進行壓水操作并留有20%余量。那么單個氣罐的容積：

為保險起見，最終制造時單個儲氣罐容積選擇為9 m3，共6個氣罐，每3個氣罐組成一組。

2.2 空壓機排氣量計算

整個調相供氣系統設置4臺空壓機，只有首次充氣，所有空壓機同時運行，空壓機總排量應滿足：4臺空壓機同時生產應能在2 h之內把3個儲氣罐從大氣壓達到設計壓力(7.0 MPa)。平時正常運行條件下，4臺空壓機3臺工作，1臺備用。那么每臺空壓機排氣量Qk：

式中：PN為調相壓水系統設計壓力和大氣壓的比值,PN= 70;Qk為空壓機總生產率,m3/min;ΔT為儲氣罐充氣時間,ΔT =120 min;Vg為3個儲氣罐總容積，27 m3。

最后計算得Qk= 3.94 m3/min，實際選型時，還需考慮空壓機的冷卻方式、安裝方式等因素，綜合考慮選擇了生產率為4.7 m3/min,功率75 kW的水冷式空壓機。驗證該選型時空壓機首次充氣時間：

說明首次充氣時，4臺空壓機同時工作，100 min即可充滿3個氣罐，滿足標書要求。

3 結 論

本文提供了一種計算調相壓縮氣系統中儲氣罐容積和空壓機排氣量的思路，并利用該計算來復核了業主標書中技術參數的合理性，發現標書中有不盡合理的地方，通過優化設計合理論證，說服業主接受了承包方的方案，從而降低了承包方的投資。

由于電廠中供給調速器動作的另外一套壓縮氣系統壓力為6.3 MPa，承包方將調相壓縮氣系統壓力由4.0 MPa修改為7.0 Mpa，為日后用調相氣補充調速器中壓系統用氣提供了可能，這樣能充分利用調相空壓機的閑置生產力，而更細致的方案需要在今后結合電廠運行實踐來完成。

[1] 代佰亮.越南宣光水電站調相排氣的研究與實踐[J].電站系統工程,2012,27(4):73-75.Dai Bailiang.Research of Exhausting during Condense Mode of Tuyen Quang Hydro Power Plant[J].Power System Engineering,2012,27(4):73-75.

[2] GB/T 15613-2008.水輪機、蓄能泵和水泵水輪機模型驗收試驗[S].

[3] 高寧，孫俊濤，張超.越南宣光水電站機組壓水調相系統及其試驗淺析[J].西北水電,2009,27(5):61-66.Gao Ning,Sun Juntao,Zhang Chao.Discussion on unit phase modulation pressuring water system and test of Tuyen Quang hydro electric project in Vietnam [J].Northwest Hydropower,2009,27(5):61-66.

[4] 華彤文，陳景祖.普通化學原理[M].北京大學出版社,2005.Hua Tongwen,Chen Jingzu.Principles of General Chemistry[M].Peking University Press,2005.

(編輯 陳銀娥)

Calculation of phase-shifting air compression system in Sudan Upper Atbara hydro power plant

Dai Bailiang

(Harbin Electric International Company Limited,Harbin 150000,China)

The Sudan Upper Atbara hydro power plant requires the unit to be equipped with a phase-shifting operation.That operation requires compressed air to press the runner's internal water level down so that the runner is exposed above the water surface.In this paper,the calculation process of phase-shifting air compression system is discussed and the volume of the gas tank and the displacement of the air compressor are calculated and selected,according to the ideal gas state equation and the principle of economic suitability.Practice has proved that the calculation results meet the engineering requirements and reduce the investment of the project.

water turbine; phase-shifting operation; air compressor

2017-05-17。

代佰亮(1983—)，男，工程師，主要從事電站機務專業相關工作。

TK73

A

2095-6843(2017)04-0362-03