北美水電站水輪機選型采用的新工具

[加拿大]詹姆士.L.戈登 約翰.P.克里斯滕森

余 林 譯自美刊《水電評論》2009年第 9期

對于某一壩址的水電站,其最優(yōu)初步設計要求細致地評估水輪機技術、發(fā)電設備的費用和電站各種配置的經(jīng)驗費用數(shù)據(jù)。計算機程序 HydroHelp1是有助于水電工程開發(fā)商選擇水輪機與電站廠房最佳組合設計的評估工具。該程序?qū)⒈匾姆治龉ぞ?、最新技術信息和經(jīng)驗費用數(shù)據(jù)組合在一起,使用戶能進行水電站的初步設計。這只是一個初步設計,應校核并擴展成最終設計。

該程序是在加拿大自然資源部的礦物和能源技術中心的支持下開發(fā)出來的,這是一家加拿大的能源、科學和技術研究機構。HydroHelp1可在互聯(lián)網(wǎng)上免費獲得,網(wǎng)址為 www.hydrohelp.ca。

1 作 用

現(xiàn)在有許多不同類型的水輪機,從臥軸低水頭小型燈泡式機組到大型高水頭沖擊式機組。例如,對于小到中等流量(5～320m3/s)和水頭(3～444 m)組合的可能壩址,有28種水輪機型號可供選擇?？s減規(guī)格后,仍然可有幾種型號的選擇范圍。例如,對于220m水頭和5 m3/s的流量,可選用 9種類型的水輪機。由于適用的水輪機類型很多,因此為一處具體壩址選擇最優(yōu)水輪機就成為一個具有一定難度的過程。

水輪機出力大于1 MW時,HydroHelp1程序可在選型過程中提供幫助。程序使用的所有算法都基于吉姆?戈登(Jim Gordon)所寫論文中包含的數(shù)據(jù)。

1.1 水輪機初選

HydroHelp1程序占用2 M內(nèi)存在微軟 Excel2003上運行。用戶完成程序時,可得到的打印輸出長達 4頁,外加一可選的封面。

程序要求用戶輸入13個描述水輪機需求的參數(shù)。這些參數(shù)或者從現(xiàn)場條件已知,或者由程序用戶選擇(例如期望的機組臺數(shù),發(fā)電機功率因素和物價上漲率)。這13個輸入?yún)?shù)是滿足初選水輪機所提供的單獨關于設備費用的信息。為了更為直觀地說明,輸入的參數(shù)和數(shù)據(jù)是:

(1)最大水頭時,蓄水池水位為 405.0m;

(2)低水頭時,蓄水池水位為 404.0m;

(3)引水管道水頭損耗的百分比為2.5;

(4)正常尾水位為 380.0m;

(5)洪水尾水位為 398.0m;

(6)電站設計流量為 80.0m3/s;

(7)所需機組為2臺;

(8)夏季水溫為15℃;

(9)輸電系統(tǒng)頻率為50Hz;

(10)發(fā)電機功率因素為 0.90;

(11)最大允許變速箱功率為2 MW;

(12)發(fā)電機品質(zhì)(實用型或工業(yè)型)為工業(yè)型;

(13)2008年后的物價上漲率為1.01。

上述實例中,應注意洪水尾水位的大幅提高。提供上述參數(shù)及數(shù)據(jù),旨在舉例說明這種洪水位對設備選型的影響。

為了幫助程序用戶,程序中的幾個注釋單元可為數(shù)據(jù)輸入提供幫助。例如,對變速箱的注釋是“增速器功率可達約13 MW左右。但是,超過 4 MW左右時,其使用是有爭議的,超過10MW時,不應考慮使用變速箱。降低變速箱容量到水輪機輸出功率之下,看其對費用的影響。”與發(fā)電機品質(zhì)有關的注釋可以指導用戶為壩址選取出力小于10MW的工業(yè)型發(fā)電機。有了這些注釋單元,就無需用戶手冊了。

HydroHelp1使用上述數(shù)據(jù)在程序中詳細計算各種水輪機的運行范圍,然后程序根據(jù)機組臺數(shù)、水輪機容量、轉速、轉輪大小、水頭和流量等進行校核,以確定每種水輪機在運行范圍內(nèi)是否合適。程序會舍棄不適于具體壩址的水輪機。例如,如果壩址的水輪機少于 3臺,程序不會選擇一臺定槳式機組,因為小流量時這種機組的轉輪效率低,所以需要輸入機組數(shù)量。如果上游水位變化很大,程序也會舍棄定槳式機組。

依據(jù)計算結果,程序提供適用的水輪機類型清單,并提供水 -電網(wǎng)的發(fā)電機組費用估算。

HydroHelp1包含一個子程序,根據(jù)引水管道的長度、毛水頭、電站運行容量因數(shù)和設計標準——實用型(損耗小)或工業(yè)型(損耗多)來估算可能的最優(yōu)水頭損耗。用戶可選擇程序推薦的水頭損耗或任何其他損耗,作為引水管道水頭損耗百分比的輸入量。

程序還可為選定的水輪機計算一些基本參數(shù),例如轉速、所需的廠房起重機起吊能力和發(fā)電機組容量。將程序為其推薦的反擊式水輪機機型(臥式機坑或小型燈泡轉槳式水輪機組)及沖擊式水輪機機型(如果無適用的沖擊式水輪機,則選擇反擊式水輪機)所計算出的一些基本參數(shù)列于表1。起重機的起吊能力是根據(jù)起吊臥式機組的轉子和定子的能力,對立式機組則只需根據(jù)起吊轉子的能力來計算。

表1 推薦的水輪機機型

表1中所列出的數(shù)據(jù)說明了特定流量和水頭所適用的水輪機選型范圍。在該實例中,HydroHelp1顯示了適用的水輪機清單,包括臥式小型燈泡轉槳水輪機、臥式“S”型轉槳水輪機和立式“Saxo”軸流轉槳水輪機(S型機組的流道形似字母“S”,Saxo水輪機的流道類似薩克斯管)。如果用戶不愿選用程序選擇的特定水輪機,那么可以在程序選定的水輪機機型旁插入一個零來取消選擇,然后程序會根據(jù)費用返回到下一個最合適的水輪機。

由 HydroHelp1提供的水輪機費用只可視為一個估算,極易受程序未分析的情況所影響。例如,制造商也許已有一個為另一壩址設計的合適的水輪機設計方案。這樣就可以降低供應水輪機的費用,因為所有的設計工作已經(jīng)完成。為此,程序提供了所有的適用水輪機的相關費用,允許用戶考慮作為替代方案。程序根據(jù)歐洲產(chǎn)的水 -電網(wǎng)的發(fā)電機組提供設備費用。預計亞洲產(chǎn)設備可降低費用。

水電設備的費用估算算法需要每年更新,因為是用高于一般費用通脹率來計算最新設備費用的。從2006年年中到2008年11月,設備費用大約上漲了 40%～60%。這是因為材料的大幅漲價、不斷增加的運輸費用、全世界對水輪機的大量需求和水電設備制造商數(shù)量的持續(xù)減少。

1.2 利用相關數(shù)據(jù)精選機型

在具體壩址上修建的廠房外形和費用取決于水輪機的機型。水頭低于 30m時,適用的水輪機很多,這點尤其重要。例如,洪水期間壩址將遭遇尾水大幅上漲,在這種情況下,可使用立式或臥式機組。但是,對于臥式水輪機來說,為了承受高水位,可能需要大量額外的混凝土來加固廠房。更好、更經(jīng)濟的方案應該是選取立式水輪機,而這將需要更高更窄的廠房結構。這種廠房結構占地面積較小,因此將減少所需的混凝土數(shù)量,從而降低費用。

HydroHelp1的特點是根據(jù)修建廠房的費用來選擇水輪機的機型。這樣就要求輸入一些其他數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)很容易從隨意的現(xiàn)場檢查和與可靠承包商的討論中獲得:

(1)覆蓋層開挖的費用,＄/m3;

(2)巖石開挖的費用,＄/m3;

(3)混凝土的費用,＄/m3;

(4)墻壁和屋頂?shù)馁M用,＄/m2;

(5)上部鋼結構的費用,＄/t;

(6)發(fā)電廠房巖石平均高程值,m;

(7)廠房覆蓋層的平均深度,m。

利用這些數(shù)據(jù),程序即可以計算出廠房的基本大小和費用(參見表2)。程序假定廠房是建造在堅固的巖石(大約為水輪機層)上,如果巖石低于該層,計算結果就會出現(xiàn)一負值,用戶可以同時看到一警告注釋,從而使廠房遠離巖石高程之上。

表2 精選的水輪機機型

2 工具的精度

為了驗證 HydroHelp1的精度,作者對比了大約15項水電工程的實際資料,并對結果進行測試。在所有情況下,測試結果證明了程序所推薦的水輪機選型是適宜的。

程序原本設計是提供給小水電開發(fā)商使用,但也可用于大型工程。加拿大 95MW的高瀑布電站工程,業(yè)主為博勒菲可再生電力有限公司(Brook field Renewable Power Inc.),該工程就是HydroHelp1測試結果與已有信息對比的實例(見表3)。對比是根據(jù)機組額定流量112 cm3/s、額定水頭44.8 m、尾水位高程216.5 m的情況進行的。

表3 HydroHelp1的輸出數(shù)據(jù)與加拿大高瀑布電站實際數(shù)據(jù)的對比

3 動態(tài)工具

到2009年 6月底,在美國、加拿大和世界范圍內(nèi),已有600多位用戶下載運用了 HydroHelp1程序。

鼓勵程序用戶向 HydroHelp1開發(fā)者提供有關程序和費用資料的反饋。反饋將用于進一步改善和更新費用的算法。

計劃于2010年完成下一次的程序更新,修正小機組的性能包絡線,以反映科研創(chuàng)新的新進展。