烏江沙沱水電站水輪機(jī)選型分析

高 瑜,趙明琴

(1.中國(guó)水電工程顧問集團(tuán)公司,北京 100120;2.中國(guó)水電顧問集團(tuán)貴陽勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,貴州 貴陽 550081)

1 工程概況

沙沱水電站位于貴州省沿河縣城上游約7 km,是烏江干流開發(fā)選定方案中的第九級(jí),屬貴州省"西電東送"第二批開工項(xiàng)目的 "四水工程"之一,于2004年開始籌建.電站建成后,在系統(tǒng)中承擔(dān)調(diào)峰、調(diào)頻、事故及負(fù)荷備用.沙沱水庫(kù)正常蓄水位365.0 m,調(diào)節(jié)庫(kù)容2.87億m3,屬日調(diào)節(jié)水庫(kù).電站裝機(jī)容量4X280 MW,保證出力322.9 MW,年利用小時(shí)數(shù)為4 064 h,水頭運(yùn)行范圍50~74.9 m,多年平均含沙量為0.507 kg/m3.機(jī)組經(jīng)招標(biāo)確定水輪機(jī)由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司供貨,發(fā)電機(jī)由天津阿爾斯通水電設(shè)備有限公司供貨.

2 水輪機(jī)選型

2.1 額定水頭

沙沱水電站正常蓄水位365.0 m,汛期限制水位357.0 m,死水位353.5 m,最大水頭74.9 m,最小水頭50.0 m,額定水頭64.0 m,加權(quán)水頭68.4 m,單機(jī)容量280 MW.沙沱水電站受阻出力多為汛期季節(jié)性電能,在既考慮到減少受阻出力又不過分強(qiáng)調(diào)受阻出力的情況下,兼顧水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行性能的要求,對(duì)額定水頭初擬了61、62.5、64、65.5、67 m 5個(gè)方案進(jìn)行比較,額定水頭比較方案參數(shù)見表1.

隨著額定水頭的逐步提高,電站汛期受阻出力在逐步加大,當(dāng)額定水頭為67 m時(shí),電站受阻容量達(dá)72.86 MW,由此可見,當(dāng)額定水頭提高時(shí),電站汛期的容量效益明顯減少.此外,隨著額定水頭的提高,電站的發(fā)電量在逐步減少,但變化并不大,主要是由于上游構(gòu)皮灘水庫(kù)建成后,沙沱水電站的入庫(kù)流量比較均勻,汛期棄水明顯減少.

貴州電網(wǎng)的調(diào)峰任務(wù)主要由烏江梯級(jí)水電站群來承擔(dān),雖然烏江梯級(jí)有洪家渡、構(gòu)皮灘兩大水庫(kù),但梯級(jí)的年內(nèi)出力分配還是以汛期出力為主,因此,為滿足貴州電網(wǎng)的調(diào)峰需求,烏江梯級(jí)水電站群仍存在一定的棄水調(diào)峰.沙沱水電站本身僅具日調(diào)節(jié)性能,汛期發(fā)電與棄水的矛盾將較突出,由于汛期限制水位為357 m,為保證沙沱水電站在汛期能滿裝機(jī)發(fā)電,經(jīng)計(jì)算,額定水頭不宜高于62.5 m.

表1 額定水頭比較方案

從各方案的受阻容量來看,61、62.5 m額定水頭方案沒有受阻,64 m方案受阻容量為10.04 MW,65.5 m方案受阻容量達(dá)43.33 MW.從貴州電網(wǎng)的負(fù)荷特性和電源結(jié)構(gòu)分析,貴州負(fù)荷的峰谷差并不大,且洪家渡、構(gòu)皮灘等調(diào)峰電源建成后,沙沱水電站應(yīng)以發(fā)電量為主.從電網(wǎng)的電力電量平衡來看,沙沱水電站的汛期的受阻容量均不對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響.但65.5~67 m方案受阻容量占裝機(jī)容量的比重較大,達(dá)15.5%~26%,不宜采用.

2.1.2 額定水頭與運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)系

水輪機(jī)的額定水頭與水輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性有著密切的關(guān)系,經(jīng)對(duì)國(guó)內(nèi)外大型水輪機(jī)運(yùn)行范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì),當(dāng)Hmax/Hmin≤1.6、Hmax/Hr≤1.15時(shí),水輪機(jī)有較好的運(yùn)行穩(wěn)定性.統(tǒng)計(jì)資料表明,國(guó)外有85%的電站,國(guó)內(nèi)有75%的電站Hmax/Hr≤1.15.沙沱水電站額定水頭在64~65.5 m時(shí),Hmax/Hr接近1.15.

從沙沱水電站水輪機(jī)的運(yùn)行工況來看,為兼顧汛期與枯水期的不同運(yùn)行水位,當(dāng)額定水頭為61 m時(shí),水輪機(jī)在汛期的運(yùn)行條件較好,但在枯水期的效率偏低.而當(dāng)額定水頭為65.5 m時(shí),水輪機(jī)在枯水期的運(yùn)行條件較好,但在汛期的效率偏低.當(dāng)額定水頭為64 m時(shí),水輪機(jī)在汛期和枯水期的運(yùn)行條件均較好,均處于高效率區(qū)和穩(wěn)定區(qū)運(yùn)行.因此,從水輪機(jī)的運(yùn)行條件來看,額定水頭選擇64 m較好.

表2 主機(jī)制造廠水輪機(jī)投標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)

2.1.3 經(jīng)濟(jì)比較

BIM技術(shù)的可視化特點(diǎn)在暖通工程設(shè)計(jì)中的作用非常重要，例如，傳統(tǒng)的施工圖只是采用二維方法將各構(gòu)件的數(shù)據(jù)信息標(biāo)在圖紙上，對(duì)其三維效果或安裝效果很難進(jìn)行直觀的表達(dá)。而BIM技術(shù)提供了可視化的思路，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)數(shù)據(jù)信息建立仿真模型，將設(shè)計(jì)效果直觀地展現(xiàn)在人們面前，并且不僅包括構(gòu)件的尺寸數(shù)據(jù)，還可以將不同的構(gòu)件以不同的顏色進(jìn)行標(biāo)示，對(duì)其位置關(guān)系一目了然。另外，BlM技術(shù)的可視化結(jié)果不僅可以用效果圖展示及報(bào)表生成，更重要的是，項(xiàng)目設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)營(yíng)過程中的溝通、討論、決策都在可視化的狀態(tài)下進(jìn)行，大大提高了工作效率。

從以上方案之間的投資效益來看,額定水頭從67 m方案降低到65.5 m方案時(shí),由額定水頭變化帶來的投資變化增加1 632萬元,年發(fā)電量增加2 100萬kW.h,補(bǔ)充單位電能投資為0.78元/kW.h,方案的經(jīng)濟(jì)性比較好;從65.5 m方案降低到64 m方案時(shí),由額定水頭變化帶來的投資變化增加2312萬元,年發(fā)電量增加2 100萬kW.h,補(bǔ)充單位電能投資為1.10元/kW.h,因此,額定水頭64 m比65.5 m經(jīng)濟(jì)合理.額定水頭從64 m再降低到62.5 m時(shí),由于額定水頭變化帶來的投資增加3 488萬元,年發(fā)電量增加700萬kW.h,補(bǔ)充單位電能投資為4.98元/kW.h,在一定的時(shí)期內(nèi),沙沱水電站額定水頭從64.0 m降至62.5 m無盈利能力.

綜合上述分析,沙沱水電站額定水頭64 m方案經(jīng)濟(jì)合理,且水輪機(jī)在汛期和枯水期的均處于高效率區(qū)和穩(wěn)定區(qū)運(yùn)行,此外,64 m方案在汛期的受阻容量?jī)H10.04 MW,對(duì)電網(wǎng)的安全運(yùn)行基本無影響,因此,推薦本電站的額定水頭為64.0 m.

2.2 水輪機(jī)參數(shù)

2.2.1 比轉(zhuǎn)速及比速系數(shù)

比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K是水輪機(jī)的重要特征參數(shù)之一,是衡量水輪機(jī)能量特性、經(jīng)濟(jì)性和先進(jìn)性的一個(gè)綜合性能指標(biāo),同時(shí)亦反映了水輪機(jī)的設(shè)計(jì)制造水平.提高比轉(zhuǎn)速,不僅可以減小機(jī)組尺寸,降低機(jī)組造價(jià),同時(shí)還可以減小主廠房尺寸,降低土建投資,特別是大容量機(jī)組更是如此,因此在可能的條件下,傾向于選擇較高的比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K.但水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速ns的提高受到水輪機(jī)剛度、強(qiáng)度、空化、泥沙磨損、運(yùn)行穩(wěn)定性以及平均效率等方面的制約.近年來國(guó)內(nèi)外諸多高參數(shù)的大型水輪機(jī)陸續(xù)出現(xiàn)了水力不穩(wěn)定和轉(zhuǎn)輪葉片開裂問題,從而引起了業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注.因此,必須根據(jù)電站的具體實(shí)際情況,對(duì)水輪機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行綜合分析,選擇合理的比轉(zhuǎn)速ns和比速系數(shù)K值.大型混流式水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速隨額定水頭的變化曲線如圖1所示.

圖1 大型混流式水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速隨額定水頭的變化關(guān)系曲線

圖1 中曲線ns=2 357/Hr0.538是根據(jù)國(guó)內(nèi)外大量已建大型水電站的參數(shù)做出的統(tǒng)計(jì)回歸曲線.另外一條ns=47 406/(Hr+108.5)曲線是考慮了水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速的新發(fā)展而做出的統(tǒng)計(jì)回歸曲線,位于統(tǒng)計(jì)電站的外包絡(luò)線位置.對(duì)于沙沱水電站ns=2 357/640.538=251.6(m.kW制)或ns=47 406/(64+108.5)=274.8(m.kW制),從圖1可以看出,統(tǒng)計(jì)的比轉(zhuǎn)速范圍大約在250~275(m.kW制)之間,相應(yīng)的比速系數(shù)K=2 000~2 200.從國(guó)內(nèi)該水頭段大型混流式水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)資料,如索風(fēng)營(yíng)、思林、柘溪擴(kuò)機(jī)、鳳灘擴(kuò)機(jī)、彭水等電站比速系數(shù)在2 096~2 265之間.表2為國(guó)內(nèi)幾大主機(jī)制造廠在招標(biāo)階段為本電站水輪機(jī)投標(biāo)情況統(tǒng)計(jì)情況.

經(jīng)綜合分析及各大主機(jī)制造廠家投標(biāo)情況,考慮到本電站具體特點(diǎn),推薦水輪機(jī)比轉(zhuǎn)速為ns=260~280(m.kW制),比速系數(shù)K=2 080~2 240.

2.2.2 單位轉(zhuǎn)速和單位流量的選擇

單位轉(zhuǎn)速的選擇應(yīng)考慮和單位流量進(jìn)行最佳匹配以滿足高效、穩(wěn)定運(yùn)行的要求.選用較高的單位轉(zhuǎn)速,可以提高機(jī)組的轉(zhuǎn)速,從而可以減小發(fā)電機(jī)的尺寸和重量;選用較大的單位流量,可以減小水輪機(jī)的尺寸和重量,這對(duì)于大型水輪發(fā)電機(jī)組有較大的經(jīng)濟(jì)效益.但單位轉(zhuǎn)速和單位流量的提高又受到強(qiáng)度、空化和運(yùn)行穩(wěn)定性等許多條件的限制,而且模型轉(zhuǎn)輪各參數(shù)之間應(yīng)該有合理的匹配關(guān)系,才能獲得較好的綜合性能指標(biāo).

從表2可以看出,除個(gè)別廠家最優(yōu)工況單位轉(zhuǎn)速低于76 r/min,其余廠家最優(yōu)工況單位轉(zhuǎn)速在76~80 r/min之間,限制工況單位流量在1.23~1.3 m3/s之間.從近幾年相同水頭段投產(chǎn)電站如索風(fēng)營(yíng)、思林、柘溪擴(kuò)機(jī)、鳳灘擴(kuò)機(jī)、彭水等電站統(tǒng)計(jì)資料,額定點(diǎn)的單位流量在1.15~1.24 m3/s.

經(jīng)過上述分析,考慮本電站水輪機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn),推薦轉(zhuǎn)輪最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n110范圍為76~80 r/min,限制工況單位流量Q11范圍為1.15~1.25 m3/s.

2.2.3 水輪機(jī)效率

水輪機(jī)效率是評(píng)價(jià)水輪機(jī)能量特性的重要指標(biāo),直接影響電站的發(fā)電效益.從近幾年投產(chǎn)電站如索風(fēng)營(yíng)、思林、柘溪擴(kuò)機(jī)、鳳灘擴(kuò)機(jī)、彭水等電站統(tǒng)計(jì)資料來看,水輪機(jī)真機(jī)最高效率已超過96%,各大主機(jī)制造廠所投標(biāo)的水輪機(jī)原型最高效率均超過95.5%.結(jié)合沙沱水電站具體特點(diǎn),水輪機(jī)真機(jī)最高效率應(yīng)不低于95.5%,模型最高效率不低于94%,真機(jī)額定點(diǎn)效率應(yīng)不低于91.5%,相應(yīng)模型額定點(diǎn)效率應(yīng)不低于89.5%.

2.2.4 水輪機(jī)空化系數(shù)

水輪機(jī)空化性能通常用空化系數(shù)σ來衡量.空化系數(shù)σ的大小關(guān)系到機(jī)組的安裝高程 (電站的開挖深度)、安全穩(wěn)定運(yùn)行、檢修周期和使用壽命.水輪機(jī)研究工作的重點(diǎn)之一,就是在提高水輪機(jī)能量指標(biāo)的同時(shí),降低水輪機(jī)的空化系數(shù),改善空化性能.一般模型空化系數(shù)與比轉(zhuǎn)速正相關(guān),即隨著比轉(zhuǎn)速的提高,空化系數(shù)也呈上升趨勢(shì),也就是說,如果追求過高的能量指標(biāo),免不了要犧牲空化性能,這也是不贊成片面追求過高的能量指標(biāo)的原因之一.從國(guó)內(nèi)外比轉(zhuǎn)速與空化系數(shù)的統(tǒng)計(jì)公式可得出水輪機(jī)的σc為0.106~0.164,各大主機(jī)制造廠家所投標(biāo)的σc為0.1237~0.185,初生空化系數(shù)σi為0.2114~0.252,結(jié)合沙沱水電站具體特點(diǎn),建議電站空化系數(shù)σc在0.13~0.16,σi在0.2~0.25之間選取.

3 水輪機(jī)模型、原型參數(shù)

經(jīng)綜合考慮,沙沱水電站最終選定水輪機(jī)模型參數(shù)為:

(1)水輪機(jī)模型參數(shù).最優(yōu)工況下,單位轉(zhuǎn)速n110=76~80 r/min,單位流量Q110=0.9~1 m3/s,效率Mmax≥94.5%;限制工況下,單位流量Q11=1.15~1.25 m/s,效率η≥89.5%,臨界空化系數(shù)σc=0.13~0.16,初生空化系數(shù)σi=0.2~0.25.

(2)水輪機(jī)原型參數(shù).水輪機(jī)型號(hào)為HLA904c-LJ-710,額定出力Pr=284.3 MW,額定流量Qr=490.27 m3/s,轉(zhuǎn)輪直徑D1=7.1 m,額定轉(zhuǎn)速nr=93.75 r/min,額定工況比轉(zhuǎn)速ns=276.1(m.kW制),比速系數(shù)K=2 208.8,最高效率ηmax=96.03%,額定效率ηr=92.2%,電站空化系數(shù)σp=0.242(即吸出高度-5.83 m,安裝高程285.0 m).

4 結(jié) 語

沙沱水電站采用的HLA904c-LJ-710型水輪機(jī)是在綜合考慮沙沱水電站類型、裝機(jī)容量、水頭、流量等因素后,嚴(yán)格按照國(guó)家設(shè)計(jì)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)要求,借鑒國(guó)內(nèi)外機(jī)組選型經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),經(jīng)過多方案多次比選做出的正確選擇,完全滿足該電站安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行需求.2、3號(hào)機(jī)組自2013年5月并網(wǎng)以來,機(jī)組各項(xiàng)指標(biāo)運(yùn)行正常,滿足規(guī)程規(guī)范的各項(xiàng)要求,說明沙沱水輪機(jī)選型是經(jīng)濟(jì)、合理的.

[1] 水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫組.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè):水力機(jī)械[M].北京:中國(guó)水利電力出版社,1983.

[2] 劉大凱主編.水輪機(jī) [M].3版.北京:中國(guó)水利水電出版社,1997.

[3]DL/T 5186-2004 水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].