黃河龍口水利樞紐水力機(jī)械設(shè)計(jì)

馬韌韜 鄭淑華 高普新

龍口水利樞紐工程的主要任務(wù)是對(duì)上游萬家寨水電站調(diào)峰流量進(jìn)行反調(diào)節(jié),使黃河萬家寨水電站—天橋水電站區(qū)間不斷流,并參與晉、蒙兩電網(wǎng)調(diào)峰發(fā)電。

龍口水電站型式為河床式,左岸布置電站廠房,右岸布置大壩的泄流建筑物,裝機(jī)容量420mW,多年平均發(fā)電量13.02×108kW?h,年利用小時(shí)數(shù)3100 h。為了實(shí)現(xiàn)龍口水庫對(duì)萬家寨電站調(diào)峰流量的完全反調(diào)節(jié),龍口水電站裝設(shè)4臺(tái)100mW大機(jī)組用于晉蒙電網(wǎng)調(diào)峰,另裝設(shè)1臺(tái)20mW小機(jī)組用于非調(diào)峰期向河道泄放基流,小機(jī)組參與基荷運(yùn)行。

水輪機(jī)最大工作凈水頭36.1m(小機(jī)組36.7 m),加權(quán)平均水頭33.2m,最小凈水頭23.6m,額定水頭31m。

1 水庫調(diào)節(jié)特性和運(yùn)用方式

龍口水庫非汛期為季調(diào)節(jié)、汛期為日調(diào)節(jié)。水庫采用“蓄清排渾”運(yùn)用方式。

7～9月為汛期,水庫在死水位888.0m至汛限水位893.0m之間運(yùn)行,其中8、9兩個(gè)月為排沙期,水庫在低水位作日調(diào)節(jié)運(yùn)行。水輪機(jī)在凈水頭23.6～30m、過機(jī)平均含沙量11.47～19.29 kg/m3的含沙水流條件下運(yùn)行。即水輪發(fā)電機(jī)組將在高含沙量、低水頭、部分負(fù)荷工況下運(yùn)行。排沙時(shí)庫水位由死水位888.0m降至排沙水位885.0m,水輪機(jī)停止運(yùn)行。

10月份是汛期的后期,在保證發(fā)電要求條件下水庫自893.0m水位開始蓄水,10月中旬庫水位蓄到894.0m。從11月初至翌年6月下旬水庫水位保持在正常蓄水位898.0m,相應(yīng)的凈水頭約為35～36m,歷時(shí)7個(gè)多月,此時(shí)為“蓄清”期,水輪機(jī)基本在清水條件下運(yùn)行。

6月下旬庫水位由正常蓄水位898.0m降至汛限水位893.0m,迎接汛期。

2 水輪機(jī)

2.1 初步設(shè)計(jì)階段水輪機(jī)參數(shù)

水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K是反映所選擇水輪機(jī)的能量指標(biāo)和制造水平的重要參數(shù)。對(duì)于多泥沙電站,選擇水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速時(shí)必須考慮泥沙對(duì)轉(zhuǎn)輪的磨蝕破壞作用,為此,初設(shè)階段提出龍口水電站大機(jī)組水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速ns=360～420m?kW,比速系數(shù)K=2004～2338,在此比轉(zhuǎn)速的基礎(chǔ)上,按照國內(nèi)廠家的制造水平及發(fā)展趨勢(shì),進(jìn)行了水輪機(jī)參數(shù)預(yù)測(cè)。初設(shè)階段初步確定的大、小機(jī)組水輪機(jī)參數(shù)如下:

水輪機(jī)參數(shù)名稱 1#～4#水輪機(jī) 5#水輪機(jī)水輪機(jī)型號(hào) ZZ410-LH-710 HLA551yy-LJ-330轉(zhuǎn)輪直徑D1/m 7.13.3額定轉(zhuǎn)速 nr/(r?min-1) 93.8136.4額定水頭Hr/m 3131額定流量 Qr/(m3?s-1) 36672.9額定出力Nr/MW 102.520.62最高效率 ηtmax/% 94.094.2額定工況點(diǎn)效率 ηtr/% 9293額定工況點(diǎn) σm ≤0.4 —最大出力Ntmax/MW 112.5 —吸出高度Hs/m -7.2 +2.64額定點(diǎn)比轉(zhuǎn)速ns/(m?kW)410267

2.2 最終的水輪機(jī)參數(shù)

2006年3月開始機(jī)組招標(biāo)、評(píng)標(biāo),經(jīng)專家評(píng)審、合同談判,最后確定由天津阿爾斯通水電設(shè)備有限公司承擔(dān)1#～4#水輪發(fā)電機(jī)組(大機(jī)組)的成套供貨,由南平南電水電設(shè)備制造有限公司承擔(dān)5#水輪發(fā)電機(jī)組(小機(jī)組)的成套供貨。根據(jù)龍口水電站的運(yùn)行條件,天阿公司研制開發(fā)了新轉(zhuǎn)輪,轉(zhuǎn)輪為6葉片,輪轂比為0.45。最終的大、小機(jī)組水輪機(jī)參數(shù)如下:

供貨商 天津阿爾斯通公司南平南電水電設(shè)備公司水輪機(jī)型號(hào) ZZ6K069A0-LH-710 HLA904a-LJ-330臺(tái)數(shù) 41

轉(zhuǎn)輪直徑/m 7.13.3最大水頭/m 36.136.3最小水頭/m 23.623.6額定水頭/m 3131額定出力/MW 102.520.619額定轉(zhuǎn)速/(r?min-1) 93.75136.4額定流量/(m3?s-1) 357.5673.62額定效率/% 94.4992.1最高效率/% 95.2695.52最大出力/MW 112.75 —吸出高度/m -7.2 +1.0比轉(zhuǎn)速/(m?kW) 410219.5飛逸轉(zhuǎn)速/(r?min-1) 260(非協(xié)聯(lián)) 264

技施設(shè)計(jì)階段,根據(jù)制造廠提供資料及廠房布置要求,確定1#～4#水輪機(jī)吸出高度Hs為-7.2m,安裝高程為857.00m,尾水管底板高程為837.47 m;確定5#水輪機(jī)吸出高度Hs為+1.0m,安裝高程為860.60m。

3 調(diào)速系統(tǒng)及防飛逸措施

1#～4#水輪機(jī)調(diào)速器為WDST-100型微機(jī)雙調(diào)電液調(diào)速器,主配壓閥直徑100mm,壓力等級(jí)6.3 MPa;5#水輪機(jī)調(diào)速器為WDT-80型微機(jī)單調(diào)電液調(diào)速器,主配壓閥直徑80mm,壓力等級(jí)6.3 MPa。

電站進(jìn)水口不設(shè)快速門,僅設(shè)事故門。機(jī)組防飛逸措施主要采用事故配壓閥及純機(jī)械過速保護(hù)裝置。當(dāng)機(jī)組甩負(fù)荷,而調(diào)速系統(tǒng)主配拒動(dòng)不能關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu),當(dāng)收到主配拒動(dòng)信號(hào)且轉(zhuǎn)速升高到115%額定轉(zhuǎn)速,或者機(jī)組電氣過速達(dá)到140%額定轉(zhuǎn)速,這兩種情況下,事故電磁閥均動(dòng)作,使事故配壓閥接通壓力油,主接力器迅速關(guān)閉,緊急停機(jī),從而防止機(jī)組飛逸;當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升到150%額定轉(zhuǎn)速時(shí),機(jī)械過速保護(hù)裝置動(dòng)作,使機(jī)械油路暢通,直接把壓力油通過事故配壓閥引入導(dǎo)葉接力器的關(guān)閉腔使導(dǎo)葉迅速關(guān)閉,緊急停機(jī),起到對(duì)水輪機(jī)過速保護(hù)的作用,防止轉(zhuǎn)速過度升高造成對(duì)機(jī)組的損害。

此外,大機(jī)組采用動(dòng)作靈活補(bǔ)氣量大的真空破壞閥作為防止抬機(jī)的主要措施,其次在調(diào)速系統(tǒng)中導(dǎo)水葉采用分段關(guān)閉裝置,有效地防止機(jī)組甩負(fù)荷過程中的抬機(jī)。

4 輔助設(shè)備系統(tǒng)

4.1 主廠房起重設(shè)備

主廠房共安裝4臺(tái)100mW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組和1臺(tái)20mW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。根據(jù)水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范(DL/T5186—2004)中的4.4.2條文說明,本電站宜采用1臺(tái)主起重機(jī),另裝1臺(tái)起重量小的副起重機(jī),以提高機(jī)動(dòng)性,加快安裝、檢修進(jìn)度。

主起重機(jī)主鉤起重量根據(jù)起吊大機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連軸及起吊工具的重量計(jì)算,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量約440 t,起吊工具(平衡梁)質(zhì)量約15 t,轉(zhuǎn)子連軸+起吊工具質(zhì)量為455 t。副起重機(jī)主鉤起重量根據(jù)起吊小機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子連軸的重量計(jì)算,轉(zhuǎn)子連軸+起吊工具質(zhì)量為120 t+5 t=125 t。

根據(jù)主廠房安裝、檢修需要,通過經(jīng)濟(jì)比較,選擇了1臺(tái)起重量為2×250 t的雙小車起重機(jī)和1臺(tái)起重量為150 t的單小車起重機(jī)。因大、小機(jī)組都在一個(gè)主廠房內(nèi)布置,且發(fā)電機(jī)層同高,所以,主、副起重機(jī)跨度均為25m,且共軌使用。

4.2 技術(shù)供水系統(tǒng)

本電站為多泥沙水電站,根據(jù)各用水部位對(duì)水質(zhì)、水壓的不同要求,按非汛期機(jī)組冷卻器供水、汛期機(jī)組冷卻器供水、主軸密封供水三部分設(shè)計(jì)。

非汛期機(jī)組冷卻器供水采用自流供水方式。由各臺(tái)機(jī)組蝸殼取水,通過技術(shù)供水總管并聯(lián),水源互為備用。為了防止泥沙污物沉積在機(jī)組冷卻器及管路中,機(jī)組各冷卻器供水采用正、反向供水方式,定時(shí)切換。每臺(tái)機(jī)組設(shè)2臺(tái)自動(dòng)清污濾水器,2臺(tái)濾水器互為備用,可在線自動(dòng)排污。

汛期機(jī)組冷卻器供水采用尾水冷卻器冷卻、水泵加壓的清水密閉循環(huán)冷卻供水方案。機(jī)組冷卻水的循環(huán)路徑是:循環(huán)水池→水泵→尾水冷卻器→機(jī)組各冷卻器→循環(huán)水池,該方案通過尾水冷卻器交換熱量。根據(jù)萬家寨水電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),發(fā)電初期泥沙不會(huì)淤積到庫前,過機(jī)含沙量較少,汛期完全可以從水輪機(jī)蝸殼取水,所以近期不安裝尾水冷卻器,將來視過機(jī)泥沙含量情況再安裝。

主軸密封供水及深井泵潤滑供水主水源引自電站左岸平洞的清水池,清水池的水來自兩口地下深井。備用水源采用機(jī)組蝸殼取水。

4.3 排水系統(tǒng)

電站檢修排水包括4臺(tái)大機(jī)組檢修排水、1臺(tái)小機(jī)組檢修排水和排沙鋼管檢修排水,所有檢修排水均采用排水廊道和集水井相結(jié)合的間接排水方式。大機(jī)組檢修排水時(shí)蝸殼內(nèi)的積水通過蝸殼排水閥排入尾水管,然后通過2個(gè)尾水管排水閥排入檢修排水廊道及集水井;排沙鋼管檢修時(shí)的內(nèi)部積水由排水閥直接排入檢修排水廊道及集水井。集水井內(nèi)安裝3臺(tái)防泥沙型立式長軸泵,將水排至下游尾水。集水井清污采用1臺(tái)移動(dòng)式潛水排污泵(全廠集水井清污共用),檢修排水廊道清污采用壓縮空氣吹掃或水沖洗。

廠房及1#～10#壩段滲漏排水主要包括排除水輪機(jī)頂蓋漏水、部分輔助設(shè)備及管路排水、發(fā)電機(jī)消防排水、廠房水輪機(jī)層、出線層排水溝排水、1#～10#壩段壩基壩體滲漏水排水等。廠房滲漏排水采用滲漏排水廊道和集水井的排水方式,各部分滲漏水匯集到排水廊道和集水井,安裝3臺(tái)立式長軸泵,2臺(tái)工作,1臺(tái)備用,將滲漏水排至下游尾水。

在主廠房副安裝場(chǎng)下部設(shè)置一滲漏集水井,匯集11#～19#壩段壩基、壩體滲漏水。安裝3臺(tái)立式長軸泵,2臺(tái)工作,1臺(tái)備用,將滲漏水排至下游尾水。滲漏集水井清污采用移動(dòng)式潛水排污泵。

在靠主廠房左岸下游灌漿排水廊道末端,設(shè)置一滲漏集水井,安裝3臺(tái)潛水排污泵,2臺(tái)工作,1臺(tái)備用,將電站下游灌漿排水廊道滲漏水排至下游尾水。

消力池排水主要是減輕消力池底部的揚(yáng)壓力,消力池滲漏水匯至消力池排水廊道,在消力池右邊墻設(shè)集水井,安裝3臺(tái)潛水排污泵,2臺(tái)工作,1臺(tái)備用,將水排至下游尾水。

4.4 壓縮空氣系統(tǒng)

壓縮空氣系統(tǒng)包括中壓壓縮空氣系統(tǒng)和低壓壓縮空氣系統(tǒng)。

中壓壓縮空氣系統(tǒng)主要用于4臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組和1臺(tái)混流式機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)壓力油罐供氣。額定工作壓力為6.3 MPa,均采用一級(jí)壓力供氣方式。本系統(tǒng)設(shè)置3臺(tái)空氣壓縮機(jī)、2個(gè)中壓儲(chǔ)氣罐,額定壓力為8mPa。

低壓壓縮空氣系統(tǒng)主要用于機(jī)組的制動(dòng)用氣以及水輪機(jī)檢修密封、吹掃和風(fēng)動(dòng)工具用氣。本系統(tǒng)設(shè)置3臺(tái)低壓空壓機(jī)、2個(gè)制動(dòng)用儲(chǔ)氣罐和1個(gè)檢修用儲(chǔ)氣罐,額定壓力為0.8MPa。

4.5 油系統(tǒng)

油系統(tǒng)包括透平油系統(tǒng)和絕緣油系統(tǒng)。透平油系統(tǒng)主要用于機(jī)組潤滑和調(diào)速系統(tǒng)操作用油,透平油牌號(hào)為LTSA46汽輪機(jī)油;絕緣油系統(tǒng)用于主變壓器油,絕緣油牌號(hào)為25#。

本電站透平油和絕緣油系統(tǒng)分別設(shè)置油庫及油處理室,用于接受新油、油的貯存、油凈化處理、用油設(shè)備的充排油,所有油處理設(shè)備均為移動(dòng)式,可在油處理室、機(jī)旁(變壓器旁)進(jìn)行濾油。

因?yàn)橹髯儔浩饕话愠渑庞烷g隔時(shí)間較長,所以沒有設(shè)置永久固定的充排油管,油庫及油處理室距離主變壓器較近,采用軟管連接充排油或者采用移動(dòng)式加油車補(bǔ)充油。

（4）管理。小湖泊精養(yǎng)小龍蝦，由于放養(yǎng)密度大，僅依靠天然生物餌料不能滿足魚類、小龍蝦類生長的需要，因此應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行投飼施肥。在日常的管理工作中，要重點(diǎn)做好以下幾點(diǎn)工作：一是改善水域條件，提高水體肥力，方法是可以通過人工施肥來提高湖泊水體肥力，常用的是無機(jī)肥料，每畝面積可施用尿素1.5～2.5kg，碳酸氫銨2.0～3.0kg，效果很好；二是抓好魚種配套、苗種放養(yǎng)、投飼施肥、防逃防病、合理捕撈等技術(shù)措施。

4.6 水力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

本電站設(shè)置了全廠性監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和機(jī)組段監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

全廠性監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有上游水位、下游水位、1#～5#機(jī)攔污柵后水位,均采用投入式水位計(jì)測(cè)量。根據(jù)監(jiān)測(cè)的上游水位、下游水位,可以計(jì)算出電站毛水頭,根據(jù)監(jiān)測(cè)的上游水位、攔污柵后水位,可以計(jì)算出攔污柵前、后差壓。全廠性量測(cè)項(xiàng)目在全廠水力量測(cè)盤上集中顯示。

機(jī)組段監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有水輪機(jī)流量、蝸殼進(jìn)口壓力、尾水管出口壓力、蝸殼末端壓力、頂蓋真空壓力、尾水管進(jìn)口真空壓力、尾水管壓力脈動(dòng)、機(jī)組振動(dòng)、擺度、水輪機(jī)軸位移。在發(fā)電機(jī)層上游側(cè)設(shè)置狀態(tài)監(jiān)測(cè)盤,盤面上設(shè)有機(jī)組段監(jiān)測(cè)值的數(shù)字式顯示頭。

5 水力機(jī)械廠房布置

本電站廠房布置為河床式,主廠房發(fā)電機(jī)層左右端為主、副安裝場(chǎng)。主廠房的尺寸主要由大機(jī)組控制,為了運(yùn)行維護(hù)管理方便,也為了廠房美觀,小機(jī)組各層高程與大機(jī)組一致。水力機(jī)械輔助設(shè)備布置在主、副安裝場(chǎng)下部和尾水管上部房間內(nèi)。

大機(jī)組為軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組,經(jīng)對(duì)發(fā)電機(jī)風(fēng)罩、蝸殼、尾水管最大外形尺寸的計(jì)算比較,機(jī)組段長度主要受尾水管尺寸控制?？紤]機(jī)組附屬設(shè)備及主要通道,吊物孔及樓梯等的布置,蝸殼、尾水管混凝土保護(hù)層厚度及中墩厚度,確定機(jī)組段長度為30m。小機(jī)組為混流式機(jī)組,機(jī)組段長度主要受蝸殼外形尺寸控制,確定機(jī)組段長度為15m。

廠房上游側(cè)寬度受大機(jī)組發(fā)電機(jī)風(fēng)罩控制,下游側(cè)寬度受大機(jī)組蝸殼尺寸控制。考慮到設(shè)備管道布置及通道等要求,確定廠房上游側(cè)凈寬12m,下游側(cè)凈寬13 m,總寬度為25m,橋機(jī)跨度為25m。

本電站設(shè)有主、副兩個(gè)安裝場(chǎng),主安裝場(chǎng)位于廠房左端,緊鄰1#機(jī)組;副安裝場(chǎng)位于廠房右端,緊鄰5#機(jī)組。根據(jù)1臺(tái)大機(jī)組擴(kuò)大性大修要求,在安裝場(chǎng)需放置機(jī)組六大件:發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)上機(jī)架、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、水輪機(jī)頂蓋、水輪機(jī)支持蓋、推力軸承支架。根據(jù)各部件尺寸,確定主安裝場(chǎng)長度為40m,布置發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)上機(jī)架、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、水輪機(jī)支持蓋;副安裝場(chǎng)長度為12m,布置水輪機(jī)頂蓋、推力軸承支架。

大機(jī)組安裝高程為857.00m(導(dǎo)葉中心線),尾水管底板高程為837.47 m。水輪機(jī)層地面高程由安裝高程、蝸殼進(jìn)口斷面高度和蝸殼上部混凝土厚度等綜合確定,根據(jù)水工結(jié)構(gòu)布置要求,電站的水輪機(jī)層地面高程為864.80m。根據(jù)水力機(jī)械、電氣設(shè)備等布置需要,設(shè)發(fā)電機(jī)出線層,地面高程為868.60m。根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組的尺寸、水輪機(jī)機(jī)坑進(jìn)人門高度、廠外地面高程等,確定發(fā)電機(jī)層地面高程為872.90m。橋機(jī)軌道頂高程按起吊轉(zhuǎn)輪帶軸高度加支持蓋高度約為15m、吊具總高度為1m確定,總高度為16m,并留有一定的安全距離,確定軌頂高程為889.80m。

發(fā)電機(jī)層第Ⅰ象限布置油壓裝置和調(diào)速器機(jī)械柜;主安裝場(chǎng)及每臺(tái)機(jī)組均設(shè)有吊物孔;每臺(tái)機(jī)組下游側(cè)設(shè)樓梯,可通向出線層、水輪機(jī)層、下游側(cè)副廠房、蝸殼進(jìn)人廊道、尾水管進(jìn)人廊道及盤型閥操作廊道;主、副安裝場(chǎng)均設(shè)有上橋機(jī)的爬梯;主安裝場(chǎng)上游布置工具間和起重工具室。

出線層機(jī)墩外第Ⅰ象限布置事故配壓閥。貫通全廠的消防水供水管、供氣管、供排油管分別靠上游墻布置。

水輪機(jī)層的機(jī)墩外布置發(fā)電機(jī)空冷器、機(jī)組各個(gè)軸承油槽的供排水閥門及管路,推力軸承高壓油減載裝置;上游側(cè)第Ⅰ象限布置濾水器;第Ⅲ象限布置空氣冷卻器總排水閥組;第Ⅳ象限布置測(cè)量儀表盤及其它測(cè)量儀表,制動(dòng)和頂轉(zhuǎn)子閥組等。貫通全廠的主軸密封供水管及供水閥組分別靠上游墻布置。

6 結(jié) 語

龍口水電站水力機(jī)械設(shè)計(jì)根據(jù)其運(yùn)行要求和本工程的特點(diǎn)進(jìn)行,工程竣工后是否能夠充分反映設(shè)計(jì)思想,發(fā)揮應(yīng)有的效益,一方面要依賴于設(shè)備供貨廠家按照設(shè)計(jì)要求供貨,施工單位的精心施工,監(jiān)理單位的貫徹監(jiān)督,另一方面也要求運(yùn)行單位按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行運(yùn)行及維護(hù)。設(shè)計(jì)、制造、施工、監(jiān)理、運(yùn)行等各方的密切配合,通力合作,才能為業(yè)主打造一個(gè)優(yōu)質(zhì)工程。