老撾會(huì)蘭龐雅水電站機(jī)組選型設(shè)計(jì)

伍 曉 芳, 黃 玉 虎

(廣西電力工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院，廣西 南寧 530023)

0 電站概況

老撾Houay Lamphan Gnai(會(huì)蘭龐雅)水電站位于老撾南部的Bolaven高原的Houay Lamphan Gnai(會(huì)蘭龐雅)河流上。電站采用引水式，上游工程總控制流域面積約237 km2。水庫(kù)正常蓄水位820 m，死水位795 m，最大庫(kù)容1.41億m3，有效庫(kù)容1.22億m3。攔河壩壩型為粘土心墻堆石壩，最大壩高75 m，右岸設(shè)溢洪道，孔凈寬10 m。引水隧道位于右岸，采用一洞二機(jī)布置，隧洞長(zhǎng)約6.5 km，洞徑2.4m。引流隧洞共5條，總長(zhǎng)約5.0 km，洞涇為2 m～3 m。地面發(fā)電廠房位于Sekong省，裝機(jī)容量88 MW，裝2臺(tái)機(jī)組。

電站屬于老撾國(guó)家電力公司(EDL)南方電網(wǎng)，目前該電網(wǎng)最高電壓等級(jí)為115 kV。

老撾會(huì)蘭龐雅水電站為EPC合同建造項(xiàng)目，業(yè)主單位為老撾國(guó)家電力公司，總承包單位為中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第二工程公司，工程于2010年11月8日正式開(kāi)工。

1 電站基本設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)特征水位

正常蓄水位 820 m

死水位 795 m

最大庫(kù)容 1.41億m3

有效庫(kù)容 1.22億m3

(2)尾水位

最高尾水位 202.77 m

(3)流量多年平均流量 11.9 m3/s

(4)電站特征水頭

最大水頭 613.0 m

額定水頭 529.0m

最小水頭 514.3 m

(7)水文氣象

多年平均氣溫 26.8 ℃

極端最高氣溫 41.2 ℃

極端最低氣溫 5.5 ℃

多年平均相對(duì)濕度 86%

2 水輪機(jī)及其附屬設(shè)備選擇

2.1 機(jī)組機(jī)型和臺(tái)數(shù)選擇

雖然本電站水頭范圍在514.3～613 m，屬于混流式機(jī)組與沖擊式機(jī)組均可適用的水頭段，但是本電站額定流量Q=9.69 m3/s，相對(duì)較小，而且由于其引水系統(tǒng)很長(zhǎng)，引水管徑相對(duì)較小，引水系統(tǒng)流速相對(duì)較大，為了保證在機(jī)組甩負(fù)荷過(guò)程中減少水錘，增大系統(tǒng)穩(wěn)定性，考慮選用水斗式機(jī)型。

水斗式水輪機(jī)用于高水頭電站，雖然它的最高效率低于混流式水輪機(jī)，但其對(duì)負(fù)荷的適應(yīng)性較強(qiáng)，在25%～100%額定負(fù)荷范圍內(nèi)運(yùn)行時(shí)，可根據(jù)出力變化自動(dòng)切換噴嘴數(shù)，效率較高，機(jī)組穩(wěn)定、運(yùn)行區(qū)域?qū)拸V，設(shè)計(jì)制造和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)均很成熟，轉(zhuǎn)輪壽命也不斷延長(zhǎng)，因此在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。

(1)轉(zhuǎn)輪比較

本電站初步設(shè)計(jì)中，采用目前國(guó)內(nèi)較先進(jìn)的沖擊式轉(zhuǎn)輪模型A237和A475進(jìn)行了比選，參數(shù)如表2-1所示。

表2-1 A237和A475轉(zhuǎn)輪模型參數(shù)比較表

從參數(shù)表可以看出，A475轉(zhuǎn)輪適用水頭較高且效率比A237略高。A237轉(zhuǎn)輪的最大優(yōu)點(diǎn)是分水刃外徑較大，每個(gè)水斗能截取較多射流，因此整個(gè)轉(zhuǎn)輪所需水斗數(shù)較少，水斗根部強(qiáng)度較好。而A475轉(zhuǎn)輪具有以下特點(diǎn)：

1)轉(zhuǎn)輪水斗背部無(wú)肋筋，水的流道暢通阻力小，因此，具有較高效率；

2) 水斗對(duì)輪輻的傾角較小，分水刃和切水刃較低，可降低應(yīng)力和減輕水斗重量；

3)轉(zhuǎn)輪采用輕斗和強(qiáng)輪輻結(jié)構(gòu)，可避免由交變應(yīng)力產(chǎn)生共振和應(yīng)力集中；

4)水斗具有圓形淺斗狀，水力半徑大，具有良好的抗磨損和抗氣蝕能力。

綜合考慮上述，采用A475轉(zhuǎn)輪進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(2)噴嘴數(shù)選擇

A475轉(zhuǎn)輪有4、6噴嘴模型數(shù)據(jù)，本電站水斗式水輪機(jī)的噴嘴數(shù)可以選4或6，以2臺(tái)單機(jī)容量44MW的裝機(jī)方案進(jìn)行了噴嘴數(shù)的分析比較，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3-3。

表3-3 4噴嘴與6噴嘴方案機(jī)組參數(shù)比較表

從上表可見(jiàn)，不同噴嘴數(shù)方案的廠房尺寸及廠房各層高程相差不大，主廠房土建工程量相差甚微。因此噴嘴數(shù)的選擇主要從機(jī)組及其附屬設(shè)備的結(jié)構(gòu)、造價(jià)、運(yùn)行維護(hù)的方便等因素來(lái)考慮。從機(jī)組造價(jià)方面講， 6噴嘴方案機(jī)組轉(zhuǎn)速高，發(fā)電機(jī)造價(jià)相對(duì)便宜，但盡管水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑稍小，而由于噴嘴數(shù)多，水輪機(jī)折向器裝配、噴嘴噴針裝配、配水環(huán)管裝配等結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，水輪機(jī)總體造價(jià)反而較高；從調(diào)速器及其油壓裝置方面講，6噴嘴方案的調(diào)速器由于調(diào)節(jié)對(duì)象多，內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格也相對(duì)較高；從油、氣、水等輔助系統(tǒng)設(shè)備投資上講，兩個(gè)方案的投資均差不多相同，因此從一次性投資角度比較，6噴嘴數(shù)方案的高于4噴嘴方案。

從機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行角度講，為了保證機(jī)組的穩(wěn)定性，水斗式水輪機(jī)機(jī)組的運(yùn)行范圍應(yīng)控制在(25%～100%)額定出力范圍內(nèi)。一般說(shuō)來(lái)，水輪機(jī)噴嘴數(shù)多，對(duì)于機(jī)組的功率調(diào)整而言可能更便利。但是根據(jù)對(duì)本電站機(jī)組水頭出力加權(quán)因子計(jì)算得知，本電站機(jī)組在各種水頭下不大于50%額定出力運(yùn)行的總加權(quán)因子很低，約1.3%，即各水頭段下，50%以下流量的工況運(yùn)行的概率很小，4噴嘴完全可以滿足機(jī)組出力(對(duì)應(yīng)流量)調(diào)節(jié)的要求，因此選擇6噴嘴方案沒(méi)有優(yōu)勢(shì)；而且從電站建成后的水輪機(jī)及調(diào)速系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)上講，4噴嘴方案由于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，維護(hù)工作量少，具有相對(duì)優(yōu)勢(shì)。

綜合上述比較，在電站基本設(shè)計(jì)報(bào)告階段推薦了4噴嘴方案。最終預(yù)估水輪機(jī)主要參數(shù)如下。

2.2 初選水輪機(jī)主要參數(shù)

水輪機(jī)型號(hào) CJA475-L-210/4X17.7

水輪機(jī)額定出力NT 45.36 MW

額定轉(zhuǎn)速n 428.6 r/min

額定流量Qr 9.69 m3/s

3 發(fā)電機(jī)參數(shù)初選

根據(jù)電站機(jī)組設(shè)計(jì)出力和上述水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)所確定的轉(zhuǎn)速，如果按照正常設(shè)計(jì)計(jì)算，得到的發(fā)電機(jī)初步參數(shù)為：

型號(hào): SF44-24/()

型式: 立式

額定容量: 48.89 MVA

額定功率N: 44 MW

額定轉(zhuǎn)速n: 428.6 r/min

電壓等級(jí): 10.5 kV

額定頻率: 50 Hz

額定電流: 2 688 A

功率因數(shù) (lag): 0.9

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子外徑： 3 510 mm

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高度： 1 700 m

轉(zhuǎn)子重量： 108 t

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2: 580 t·m2

4 電站調(diào)節(jié)保證計(jì)算和機(jī)組參數(shù)調(diào)整

4.1 調(diào)節(jié)保證初步計(jì)算

電站負(fù)荷變化或因事故全甩負(fù)荷時(shí)，將會(huì)引起輸水系統(tǒng)中水壓、機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化，本電站引水管道總長(zhǎng)約6.5 km，調(diào)壓井后的壓力引水管道長(zhǎng)約1 621 m，直徑為2.0 m，然后分岔引至二臺(tái)機(jī)組，分岔管直徑為1.4 m。由于管線長(zhǎng)，管內(nèi)流速較大，有壓管段引水系統(tǒng)水流慣性常數(shù)Tw值較大，各種工況下均大于4.0。由于項(xiàng)目的特殊性質(zhì)，在施工設(shè)計(jì)階段，引水系統(tǒng)的洞涇增大受限。

按照機(jī)組初步選型計(jì)算，機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量約GD2 580 t·m2，按照Ta與機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2之間的換算公式：Ta=(n.n.GD2/365.N)，機(jī)組時(shí)間常數(shù)Ta約為6.6，, Ta/Tw=6.6/4.0=1.65。而根據(jù)相關(guān)規(guī)范，為了滿足機(jī)組容量小幅度調(diào)節(jié)時(shí)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算的穩(wěn)定性，系統(tǒng)水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw與機(jī)組時(shí)間常數(shù)Ta之間存在一個(gè)比例關(guān)系，即Ta/Tw的比值在2.5～3之間。因此上述機(jī)組參數(shù)選型計(jì)算得到的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量將保證不了機(jī)組甩負(fù)荷過(guò)渡過(guò)程的穩(wěn)定性。

為了滿足保證機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)的穩(wěn)定性，根據(jù)選用的轉(zhuǎn)輪的特性曲線，對(duì)本電站不同上庫(kù)水位、不同的GD2及機(jī)組甩不同負(fù)荷的情況，使用一定的兩段折線針閥關(guān)閉規(guī)律和折向板動(dòng)作規(guī)律進(jìn)行了電站小波動(dòng)過(guò)渡過(guò)程計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量取580 t·m2時(shí)，電站穩(wěn)定性較差，出力改變后，機(jī)組轉(zhuǎn)速最終擺動(dòng)幅度在10%左右，而轉(zhuǎn)動(dòng)慣量加大到850 t·m2后，系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

4.2 機(jī)組參數(shù)調(diào)整

綜合考慮上述各個(gè)方面，為了滿足機(jī)組調(diào)節(jié)保證計(jì)算，即保證機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)的穩(wěn)定性，必須對(duì)機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量進(jìn)行調(diào)整。由于水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，則調(diào)整轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的關(guān)鍵在于調(diào)整發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，最后經(jīng)過(guò)項(xiàng)目機(jī)組制造廠家的設(shè)計(jì)計(jì)算，調(diào)整得到的發(fā)電機(jī)部分結(jié)構(gòu)參數(shù)修改為如下：

轉(zhuǎn)子外徑： 4 048 mm

轉(zhuǎn)子高度： 1 450 mm

轉(zhuǎn)子重量： 112 t

轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2: 850 t·m2

6 結(jié) 論

本項(xiàng)目沖擊式機(jī)組水輪機(jī)噴嘴數(shù)，除了關(guān)注常規(guī)的水輪機(jī)選型條件外，還充分考慮項(xiàng)目所在地的實(shí)際水能水文情況，分析電站水庫(kù)徑流及出力分布情況，最終選擇少的噴嘴數(shù)量，簡(jiǎn)化了水輪機(jī)機(jī)構(gòu)和附屬設(shè)備，降低造價(jià)，也方便了運(yùn)行。

本電站為國(guó)外EPC項(xiàng)目，項(xiàng)目國(guó)外業(yè)主在招標(biāo)時(shí)已經(jīng)有初步的總體布置方案，水庫(kù)、大壩、引水系統(tǒng)和廠房位置都基本確定。項(xiàng)目投標(biāo)過(guò)程中為了增強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力量，對(duì)于比較小的引水系統(tǒng)洞涇維持了原招標(biāo)設(shè)計(jì)參數(shù)，導(dǎo)致本電站Ta/Tw比值偏大，按照常規(guī)設(shè)計(jì)的機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量難以滿足機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)水力過(guò)渡過(guò)程的穩(wěn)定，因此不得不對(duì)發(fā)電機(jī)的形體進(jìn)行必要的改進(jìn)，經(jīng)過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)的水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最終可以滿足機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)穩(wěn)定性需要。但是，需要說(shuō)明的是，類似于本項(xiàng)目的發(fā)電機(jī)形體的改變，不僅會(huì)影響廠房設(shè)計(jì)尺寸，也往往會(huì)使得一些已經(jīng)系列化的發(fā)電機(jī)組成本提高，這是國(guó)內(nèi)企業(yè)在進(jìn)行國(guó)外EPC投標(biāo)設(shè)計(jì)時(shí)要高度重視的。

本電站沖擊式水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)、發(fā)電機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對(duì)于類似長(zhǎng)引水系統(tǒng)沖擊式機(jī)組電站國(guó)內(nèi)外EPC項(xiàng)目的投標(biāo)報(bào)價(jià)、施工設(shè)計(jì)有一定的參考意義。