引水式水電站水力機械選型設計

魏 勃 陽

(大唐雅安電力開發有限公司,四川 雅安 625500)

1 工程概況

天全鍋浪蹺水電站為混合式開發,壩址位于兩河口下游約700 m處,廠址位于下游約11 km處的傍海腔,與在建的腳基坪電站銜接。電站裝機3×70 MW,年發電量7.7855億kW·h,年利用小時數3 707 h,水庫正常蓄水位1 280.00 m,總庫容1.84億m3,具有年調節能力[1]。

2 主要機械設備選擇

2.1 額定水頭的確定

鍋浪蹺電站為高壩大庫引水式電站,電站最大水頭289.81 m,最小水頭215.20 m,年加權平均水頭263.45 m,汛期加權平均水頭263.43 m。在考慮到減少受阻出力,同時兼顧水輪機最大水頭機組的穩定運行,額定水頭與年加權平均水頭比值宜控制在0.95～1倍之間,經配合動能專業后綜合比較確定額定水頭為250 m。

2.2 機組臺數的確定

本電站裝機210 MW,在電網中所占比重不大,單機容量對系統影響不大,對裝設兩臺和三臺機組兩方案按HLD358B水輪機計算進行比較,機組臺數比較見表1。

比較結果表明,3臺機組方案比2臺機組方案多年平均電量增加469萬kW·h,投資亦相應增加1 167萬元,補充單位電能投資為2.49元/kW·h,低于2臺機方案(3.81元/kW·h),說明3臺機方案比較合理。在參與系統調度和梯級電站聯合運行方面,2臺機組也顯得不夠靈活。本電站為龍頭水庫電站,下游幾個梯級電站均為3臺機組。經技術經濟綜合比較,確定裝機3臺,單機容量70 MW。

2.3 水輪機及附屬設備

2.3.1 機型選擇

本電站運行水頭215.2～289.81 m,屬中高水頭電站,適于裝設混流式水輪機。近年來,隨著高水頭電站的大力開發,國內制造廠已經擁有一批較優秀的混流式水輪機轉輪。模型水輪機參數比較見表2。

表2 模型水輪機參數比較表

由于混流式水輪機在適應水頭變幅、運行穩定性等方面的特殊性,在250 m以上水頭段的轉輪參數水平往往有較大差異,因此,有必要根據各型水輪機模型特性曲線計算出原型水輪機主要參數(表3),并結合本電站具體情況進行深入的機型比較。

表3 原型水輪機主要參數比較表

通過原型水輪機參數比較,A550轉輪由于單位參數較高,轉輪直徑小,轉速高,轉輪出口圓周速度大(正常參數水平值35～42 m/s之間),水輪機效率不算低,但空化系數大,導致廠房開挖深,不合適。A351轉輪應用水頭較高,真機轉速為375 r/min,轉輪直徑相比最大,主機設備投資相對最大。A520與D358B兩個轉輪對應的原型水輪機轉速相同,A520為長短葉片轉輪,經過近年來其他電站的運行,轉輪運行穩定性和抗空蝕能力均表現優秀,用于本電站A520轉輪開挖深度較大,轉輪D358B轉輪其額定點效率高,運行范圍較優。

東芝水電設備公司和安德里茨水電以及東風電機廠也針對本電站作了初步的選型(裝機為3臺80 MW方案,額定水頭255 m),由于資料不夠詳盡,這些方案僅作參考,制造廠建議方案見表4。

表4 制造廠建議方案

D358B轉輪是東方電機公司為瓦屋山電站(2×130 MW、水頭227～301 m、額定水頭253 m)開發的轉輪,經水輪機模型試驗驗證及該電站實際運行的情況,該轉輪在諸多方面均體現出先進性。因此,經綜合技術和經濟比較結果,決定以D358B轉輪為模板開展設計工作。

2.3.2 額定轉速的確定

效率、空化性能和運行穩定性是水輪機的三大重要指標,在確定原型水輪機參數時必須充分考慮。鍋浪蹺電站Hmax/Hr為1.158,水頭變幅不算大,而D358B轉輪也采用了具有負傾角的“X”葉片,能適應水頭變幅大的條件,但水輪機參數也不宜選得過高,以盡量避免由于穩定性所導致的振動和裂紋等問題;另一方面,泥沙磨蝕和水流速度關系密切,對混流式水輪機主要以轉輪出口圓周速度U2反映過機流速,而U2與轉速成正比,因此,合理選擇水輪機轉速以減輕泥沙磨蝕的影響。由于鍋浪翹水庫修建后的50年內出庫泥沙幾乎為零,水流可視為清水出庫。機組在清水中運行,根據上面比較結果,D358B轉輪推薦采用428.6 r/min方案。

2.3.3 原型水輪機參數的確定

根據D358B轉輪模型綜合特性曲線[2],初步確定原型水輪機參數如下:

水輪機型號 HLD358B-LJ-235

額定出力N71.8 MW

轉輪直徑D12.35 m

額定轉速ne428.6 r/min

額定流量Qe31.5 m3/s

額定效率η93.5%

額定點單位流量Q1′ 0.361 m3/s

額定點比轉速ns115.5 m·kW

額定點比速系數K1 826

額定點臨界空化系數σs0.04

水輪機吸出高度Hs-7.1 m

2.3.4 水輪機主要附屬設備

2.3.4.1 進水閥型式及參數

本電站為一管三機的引水系統,每臺水輪機前均應裝設進水閥。《水力發電廠機電設計規范》DL/T 5186-2004中規定:最大水頭在250 m及以上的水電廠宜選用球閥。

蝸殼進口斷面直徑為1 847 mm,選擇球閥直徑為1 850 mm。

球閥型號 QF299-WY-185

公稱直徑 1.85 m

承受的最大靜水頭 299 m

設計壓力 4.0 MPa

額定工作油壓 6.3 MPa

配套油壓裝置 HYZ-2.5-6.3

2.3.4.2 調速器及油壓裝置的型式和參數

調速系統壓力等級為6.3 MPa,經估算,接力器總容積約0.035 m3,主配直徑d計算值約為0.04 m。為穩妥起見,參照主配規格,將主配壓閥直徑確定為80 mm。油壓裝置壓油罐總容積按經驗公式估算約0.7 m3左右,考慮到系統油滲漏以及在事故低油壓下操作接力器三個全行程的要求,將壓力油罐總容積偏大確定為1.6 m3。水輪發電機組采購以后將根據機組有關參數較精確地計算出調速器及油壓裝置的容量。

2.4 安裝高程的確定

利用公式Hs=10.0-Δ/900-KσH,K取1.6,電站利用HLD358B模型轉輪空蝕結果查得各工況的空化系數。各特征水頭下的吸出高度計算值見表5。

表5 吸出高度計算值

安裝高程計算公式:▽安=▽W+Hs,考慮最不利工況并留適當余量,本電站安裝高程確定為981.20 m。

2.5 調節保證初步計算

根據《水力發電廠機電設計技術規范》DL/T 5186-2004,蝸殼最大壓力升高率宜小于30%;機組最大轉速升高率宜小于60%。

本電站采用一管三機有壓引水方式,引水系統由引水隧洞、調壓室、壓力鋼管等組成。調壓室后壓力鋼管主管全長約690.0 m,內徑5.0 m;距離最長的1號機支管長約90.8 m,內徑1.85 m。水輪機過水系統的水流慣性時間常數Tw=1.543 s<4 s,機組慣性時間常數Ta=9.8 s>4 s,比值Tw/Ta=0.16<0.4。

機組轉動慣量GD2按1 400 t-m2,按不同的關機時間,計算蝸殼壓力升高值和機組速率上升值,不同關機時間調保計算見表6、7。

表6 不同關機時間調保計算表(水庫正常蓄水位1 280.00 m)

表7 不同關機時間調保計算表(水庫校核洪水位1 282.30 m)

計算表明:機組轉動慣量取GD2=1 400 t-m2,調速器采用一段關閉,導葉關閉時間取8～9 s,正常蓄水位及校核洪水位下三臺機組甩全負荷時,最大速率上升值βmax=55.52%;最大壓力升高值ζmax=25.942%;尾水管進口最大真空度-1.61 m。以上計算值均滿足規范要求。

考慮讓調節保證計算留有一定富裕,目前設計階段建議:機組關機時間采用8秒直線關閉,要求廠家滿足[GD2]大于1 400 t-m2。水庫正常蓄水位1 280.00 m、水庫校核洪水位1 282.30 m,3臺機組全部丟棄負荷,相對額定轉速升高52.28%、53.29%,小于允許最大轉速上升率60%;壓力升高25.94%、24.86%,小于允許最大壓力上限值381 m,尾水管進口壓力大于-8.0 m,滿足水電站機電設計技術規范要求。

3 水力機械輔助設備

3.1 主廠房起重設備

主廠房吊運最重件為發電機轉子帶軸,約重165 t。選用200t/50t/10t單小車橋式起重機一臺。額定起重量為200 t,跨度為17.5 m;起升高度為主鉤22.0 m、副鉤24 m;起升速度為主鉤0.5～1.5 m/min(變頻)、副鉤2.0～5.0 m/min,運行速度為大車8.0～20.0 m/min、小車1.0～10.0 m/min(變頻),電動葫蘆運行速度為20 m/min。

3.2 技術供、排水系統

3.2.1 技術供水系統

電站技術供水對象主要是發電機空冷器、各軸承油冷卻器、深井泵潤滑水等。頂蓋水雖然是極清潔的水源,且不消耗廠用電,但由于頂蓋取水的水壓和水量存在不穩定性,頂蓋水作為備用水源,待機組采購后再和制造廠商探討頂蓋取水的可行性。為提高供水系統的可靠性,每臺機組均為單元供水。根據經驗公式估算并參考相近容量機組的用水量,本電站一臺機組總的用水量約為500 m3/h。結合廠家資料,每臺機組初選兩臺DFG250-315/4/75型離心泵,額定流量550 m3/h,揚程32 m,電機功率為75 kW;每臺水泵出口對應設置一臺全自動濾水器。

3.2.2 排水系統

排水系統包括檢修排水和滲漏排水,兩系統分開設置[4]。

3.2.2.1 檢修排水

電站為高水頭混流式機組電站,尾水流道體積不大,且因機組安裝高程較低,若用集水井間接排水方式,其檢修集水井時承受的水壓較大,因此,檢修排水考慮采用直接排水方式。檢修排水量主要包括流道積水和尾水閘門漏水。據估算,一臺機組流道積水量約為320 m3,進水口閘門及尾水閘門漏水量210 m3/h。初選兩臺200WFB-AD1型自吸泵,一主一備。水泵額定流量280 m3/h,額定揚程30 m,配套電機功率為55 kW。可確保在較短時間內排出流道水以及在單泵工作時足以排干閘門漏水。排流道積水時,手動開啟兩臺水泵同時工作,積水排空后切換到自動運行方式排除閘門漏水,根據尾水管液位控制水泵啟停。

3.2.2.2 滲漏排水

滲漏排水主要包括廠房水工建筑物滲漏水、設備排污水以及管路、閥門漏水等,通過排水管或地漏等引入滲漏集水井。參考同類型電站經驗,滲漏集水井有效容積約為85 m3。初選三臺250QJ200-26型深井潛水泵,兩主一備。水泵額定流量200 m3/h,額定揚程26 m配套電機功率為20 kW。水泵工作采用自動運行方式,根據集水井液位控制水泵啟停。

3.2.2.3 集水井清淤

選用一臺65WQ25-28-4型移動式潛水排污泵,臨時從滲漏集水井進人孔中投入。

3.3 壓縮空氣系統

3.3.1 中壓氣系統

中壓壓縮空氣供調速器油壓裝置和球閥油壓裝置的壓力油罐充氣和補氣用,供氣壓力為6.3 MPa,設置兩臺中壓空壓機,一主一備。經估算,每臺空壓機所需的生產率約0.683 m3/min。選用兩臺15T2XB15/70型空壓機,額定排氣量0.85 m3/min,最大排氣壓力7.0 MPa;并配置兩只1.5 m3的貯氣罐。當地氣候濕度大,在空壓機與氣罐間配置一臺冷干機,型號為1RAD-60/1 000。

3.3.2 低壓氣系統

低壓壓縮空氣主要供機組制動、主軸密封圍帶充氣以及風動工具和吹掃用氣等。根據電氣主接線方案,制動用氣按一臺機制動考慮,按估算的用氣量,選用兩臺UP5-22-8型低壓空壓機,一主一備,額定排氣量3.34 m3/min,排氣壓力0.85 MPa。設置兩只6 m3的貯氣罐,額定壓力1.0 MPa。當地氣候濕度大,在空壓機與氣罐間配置一臺冷干機,型號為1R65RC。

3.4 油系統

3.4.1 透平油系統

透平油系統供進水閥、調速系統用油及機組各軸承潤滑用油。經估算一臺機組設備總的用油量約13 m3,加上管網充油量,則所需的凈油罐容積約14.3 m3。參考油罐規格并考慮適當的裕量分別設置一個15 m3的凈油罐和一個15 m3的運行油罐。油處理設備選用兩臺2CY-5/3.3-1型齒輪油泵,一臺LY-100型壓力濾油機,一臺ZJCQ-6型透平油過濾機。

3.4.2 絕緣油系統

絕緣油系統主要供變壓器用油。考慮到本河段梯級電站開發建設,因此,鍋浪蹺電站不單獨設置絕緣油系統,僅在第一次注油時,在變壓器旁設置一真空濾油機自循環濾油。

3.5 水力監測系統

電站全廠性監測設有上下游水位、電站毛水頭、攔污柵壓差及進口檢修門壓差測量。機組段監測設有頂蓋壓力、蝸殼進口壓力、尾水管進口壓力真空、水輪機工作水頭的測量;機組振動、擺度監測等項目[5]。

3.6 壓力鋼管檢修蝶閥

為滿足壓力鋼管檢修的需要,根據水工布置的要求,在調壓井后設置一檢修蝶閥。壓力鋼管直徑為5 m,選用1臺直徑5 m的雙密封液控蝶閥,蝶閥工作壓力為0.94 MPa,設計壓力為1.2 MPa。配套蝶閥液壓站采用高壓皮囊式結構,不需要補充壓縮空氣。

3.7 機修設備和油化驗設備

天全河流域鍋浪蹺和干溪坡電站以及下游幾級電站均由大唐公司開發,因此,機修設備和油務中心應統籌考慮,可設在天全縣城或距離縣城不遠的地方。鍋浪蹺電站不單獨設置機修設備和油化驗設備,但仍有必要配置一些常用的修配工具。

4 水力機械設備布置

電站機組為豎軸布置,主廠房為地面式廠房,根據水輪發電機組的流道尺寸,兼顧調速器、油壓裝置和球閥的布置,機組間距為12 m。

廠房寬度考慮發電機定子、轉子、發電機上機架、轉輪、球閥的吊運以及上、下游所必須的維護通道,機組X軸線距上游邊墻的距離為11.0 m,距下游邊墻的距離為6.5 m。

安裝場位于主廠房的右側(面向上游),與進廠公路相連。為能滿足一臺機組擴大性大修的要求,安裝場長15.0 m,寬17.5 m,安裝和檢修時場內可放置水輪機轉輪、發電機上機架、發電機轉子、水輪機頂蓋等部件。安裝場與發電機層間高程(▽991.70)。

發電機層地面至起重機軌道頂部的高度為12.2 m,滿足發電機吊運轉子的要求。

主廠房共分3層,發電機層(▽991.70)、水輪機層(▽983.70)、球閥層(▽978.00)。

調速器布置在發電機層機組的2象限;供水泵及過濾設備及滲漏排水泵布置在廠房下游尾水平臺上的水泵廊道;空壓機室和透平油庫及油處理設備布置在水輪機層安裝間下面的輔機間;檢修排水泵布置在球閥層2號機與3號機組之間。

5 結 語

水力機械選型關系到水電站工程投資、安全運行、動能指標及經濟效益等重大問題,正確地進行水力機械選擇是水電站設計中的主要任務之一。結合鍋浪蹺水電站的具體情況,對相關的水力機械設備進行了認真的選型和設計。水電站進行試運行后,所有設備工作正常,其各項指標均滿足設計要求。水力機械設備作為水電站的核心部分,其選型計算是否合理對整個工程有著巨大影響,也會影響配套設施、廠房設計等幾乎所有工作,所以,作為技術人員,應當給予高度重視,為水電站以后的順利運行打下良好基礎。