淺析上廟水電站水力機械設計要點

楊平

（韶關市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 韶關512000）

隨著社會經濟的發展速度不斷提高，我國水電項目獲得了發展契機，小型水電站的水力機械設計過程的不同將導致水資源開發與投資產生不同的影響。許多小型水電站均在針對水力機械的實際應用功能進行優化，以降低運行中出現故障的幾率以及提高電站的運行效率[1]。水電站的機械設備選型對水電站以后的工作情況有著直接影響，因此在前期設計時，必須要充分結合現場條件，遵循經濟實用和可持續性原則。目前，我國在水利工程以及水力機械設計領域中仍存在許多待解決的問題以及一定的提升空間，一般可以根據水電站的實際水文情況和地理條件設計出性能優良且能良好運行的方案。水電站中的水力機械部分主要包括以下幾部分:水輪機發電機組部分、油、汽、水輔助系統部分、電氣部分，本文分別就這幾部分進行分析和探討[2]。

1 上廟水電站工程概況

上廟水電站工程位于廣東省韶關市東南部的翁源縣，位于北江支流的上游地帶，是一座主要以灌溉、供水以及發電調度為目的的綜合性水利工程。該水電站項目的機電專業設計由韶關市水利水電勘測設計咨詢有限公司完成。根據工程布置，上廟水庫壩址上有梯級壩后式電站2 座，屬于多年調節的引水式廠房。

1.1 電站氣候條件：上廟水電站所在的上廟水庫處于北回歸線以北，屬于中亞熱帶季風區，夏季氣溫高且多雨，秋季涼爽干燥。年平均氣溫大約在20.3℃，最高氣溫為39.2℃，最低氣溫-5.1℃，多年平均最高氣溫為33.3℃，多年平均最低氣溫為6℃。年平均日照1856.5 小時，無霜期303 天。多年平均降雨量1869.69mm，最大年降雨量3042mm（1975 年，日歷年），最小年降雨量1024.1mm（1991 年，日歷年），最大日降雨量為225mm（1964 年6 月10 日）。

1.2 水庫水位：上廟水庫無實測水位流量資料，本階段采用曼寧公式計算。在壩址位置及電站廠房處各實測一橫斷面；經分析該段河道比降采用綜合比降J＝21‰；河道糙率根據河道情況選取n＝0.04。根據以上參數采用曼寧公式計算壩址的水位流量關系，計算結果見表1 及表2。

表1 上廟水庫壩址水位流量關系成果表（1956 黃海高程）

表2 上廟水庫廠房處河道水位流量關系成果表（1956 黃海高程）

2 電站基本參數及水輪機型號

根據目前國內水輪機研制單位研制的新轉輪技術資料及生產廠家的生產情況，并結合該水電站項目水能利用原則，對該站機電設備進行技術選型，選定適合該站水頭范圍的水輪機為混流式。因此適合本站水頭段的機組為臥式混流式水輪發電機組，該水頭段合適的機型有：HLA194-WJ-42 和HLS2055-WJ-42等。其模型技術參數通過對轉輪直徑和效率等的比較，以及廠家提供的資料進行核實該水電站工程選用混流式機組。上廟水庫電站為壩后式電站，采用壩后式地面廠房。根據水文水能計算結果，電站基本參數：大壩正常蓄水位268m、設計水頭40m、最大水頭48.5m、最小水頭28m、電站設計流量1.5m3/s、裝機容量2×250kW。

通過計算，并且在模型轉輪綜合特性曲線上，繪制出水輪機各種水頭的特征工況點可看出，HLS2055-WJ-42 機型設計水頭額定工況效率更高運行余量更大，其它性能指標HLS2055-WJ-42 機型也明顯優于HLA194-WJ-42，該機型的工作范圍基本上在各特征水頭工況下都能處于特性曲線的高效率區，可以對該機型選擇的正確性作出肯定。通過以上分析，初步選定的水輪發電機組的具體型號為：HLS2055-WJ-42 混流式水輪機與SFW250-6/740 發電機配套，作為該站主機。其主要技術參數如下：

（1）水輪機：型號HLS2055-WJ-42、轉輪直徑0.42m、額定水頭40m、額定流量0.8m3/S、額定轉速1000r/min、額定點效率88%、額定出力278 kW。

（2）發電機：型號SFW250-6/740、額定功率250kW、額定容量313kVA、額定電壓400V、額定電流451.1A、額定轉速1000r/min、額定效率92.5%、頻率50Hz、功率因數0.8。

3 水力機械設計特點

根據機組安裝尺寸并結合廠區地形，滿足機組間通道要求，廠房內裝有2 臺水輪發電機組，安裝高程220.75m，中間機組段長度亦即機組間距為6.0m；調速器布置水輪機旁靠下游側。為滿足廠房單套水輪發電機組大檢修要求，主廠房總長為18.4m,總寬為7.5m，廠房總高度為7.1m，主廠房內設中控室，中控室前設安裝場。

表3 水力機械主要設備清單

4 輔助水力機械設備系統的設計

上廟水庫電站為壩后式水電站，壓力管為兩機一管，進水管為Q235 材質，進口設置閘門。一般情況下，機組正常開停機和事故停機均由調速器控制。

4.1 調速器：根據以下公式計算調速功：

式中：K=25、Q=0.753m3/s、Hmax=48.5m、D1=0.42m，計算的A=84.96 （kg.m） 因 而 可 選 用 調 速 功 為 300 kg·m 的GYWT-300-16 的高油壓全數字式可編程組合式調速器，它具有高油壓氮氣氣囊式油壓裝置，可免去高壓氣系統，減少部分油壓裝置自動化元件，減少故障率。

4.2 起重設備：根據相關資料顯示，廠內單件最重件為發電機，重約3.5t。上述廠房布置圖，主廠房長度為18.4m，寬度為7.5m，兩臺水輪機組間距6.0m，吊運范圍需滿足廠房內主要設備的基本要求。包括發電機、水輪機、調速器等自安裝場直接起吊后就位。起重機吊鉤最低吊件為水輪機主閥，長約3.6m，加上廠房地面層吊運高度0.6m，共計4.2m。綜上比較，本站選用工作制度為5t 級電動單梁橋式起重機一臺，起重量5t，跨度7.5m，起吊高度4.2m。

4.3 油系統：由于該站裝機容量較小，用油量少，軸承無需外接壓力油，采用人工添加油料，故不設置油系統。

4.4 高壓氣系統：高壓氣系統主要用于為調速器的壓油槽補氣。本站調速器由于采用高油壓氮氣氣囊式油壓裝置，無需設置外部氣源，自成系統，不需另設高壓氣系統。由于本項目裝機容量小，機組設備少，運行期無需低壓氣源，不需設置低壓氣系統。

4.5 水力測量系統：為保證電站安全經濟運行，本站要進行上、下游水位及水輪機蝸殼水壓力、尾水管真空壓力測量。上、下游水位測量，采用UYF-2 型浮子遙測液位發生器2 個，及XBZ-2 型浮子遙測液位受訊器兩個來測量。頂蓋真空壓力、尾水管真空壓力測量，表計Z-150T 由廠家提供。

4.6 技術供水系統及消防供水系統：技術供水主要用于推力和導軸承冷卻器、以及廠區生產、生活用水等。根據本站水頭范圍，每臺機壓力管都設置兩取水口，一個可直接連接消防栓，以滿足發電機和廠房消火用水需要；另外一取水口用于技術供水，從進水口取水后經過濾水器過濾后直接匯集于Φ100 供水鋼管，由Φ50 供水支管分別輸送給各用水對象。水壓力為0.015Mpa～0.02 Mpa。

4.7 排水系統：包括機組檢修排水，廠房滲漏、廠區生產、生活用水排水，機組主軸密封排水和廠區排水。該電站裝機臺數少，容量不大，根據運行經驗，本電站所有排水直接排至尾水流道，不設集水井，無排水設備。廠區排水：在洪水期及非洪水期，廠房的滲漏排水、檢修排水、地面排水均可通過地面排水溝實現自流排水排入尾水流道。廠房防洪：發電機地面高程為220.0m,尾水設計洪水位219.5m,故無需設置防洪墻。

5 結論

上廟水電站在水力機械設備、通風、排水、消防等系統的設計有著自身特有的優勢。在水力機械設備的設計以及選擇方面需根本實際情況而定，合理的選擇水力機械設備不僅能夠保障電站的日常運轉，又能在很大程度上提高水電站的商業效益[3]。水電機械設備的設計與優化是水電工程中兩項重要的技術應用，應作為重點研究對象進行優化以及繼續改進，使水利水電工程技術能夠更安全高效。