在實(shí)際工程中水輪機(jī)選型的優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫宇

(四川江源工程咨詢有限公司，四川成都 610041)

在實(shí)際工程中水輪機(jī)選型的優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫宇

(四川江源工程咨詢有限公司，四川成都 610041)

在裝機(jī)規(guī)模確定的情況下，要充分利用該河段流量發(fā)電，應(yīng)優(yōu)先選擇在高效率區(qū)流量變幅范圍大的轉(zhuǎn)輪，且設(shè)計(jì)工況點(diǎn)位置選擇在單位流量較大的高效率區(qū)，以適應(yīng)引用流量的變化。

水輪機(jī);選型優(yōu)化設(shè)計(jì);基本方法;實(shí)例

1 水輪機(jī)在電站中的重要性

水輪機(jī)是水電站中最主要動力設(shè)備，影響電站的投資、制造、運(yùn)輸、安裝、安全運(yùn)行及經(jīng)濟(jì)效益。水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)是水電站設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要工作。它不僅包括水輪機(jī)型號的選擇和有關(guān)參數(shù)的確定，還應(yīng)認(rèn)真分析與選型設(shè)計(jì)有關(guān)的各種因素。因此，在選型設(shè)計(jì)過程中應(yīng)廣泛征集水工、機(jī)電和施工等多方面的意見，列出可能的待選方案，進(jìn)行各方案之間的動能經(jīng)濟(jì)比較和綜合分析，以力求選出技術(shù)上先進(jìn)可靠、經(jīng)濟(jì)上合理的水輪機(jī)。

然而，水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)過程中，水輪機(jī)型號的選擇和轉(zhuǎn)輪直徑大小的確定則是重中之重，直接影響工程質(zhì)量、生產(chǎn)運(yùn)行和發(fā)電效益。本文將以實(shí)際工程為例，利用水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線，闡述在不同運(yùn)行條件的水電站中，水輪機(jī)選型的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2 水輪機(jī)選型優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本方法

這里以反擊式水輪機(jī)選型為例加以說明。根據(jù)水輪機(jī)安裝形式和設(shè)計(jì)水頭，計(jì)算比轉(zhuǎn)速ns，備選出適合該ns的一系列轉(zhuǎn)輪(包括一些高效率低汽蝕新型轉(zhuǎn)輪)。從單位流量計(jì)算公式，

在轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線中，設(shè)計(jì)工況點(diǎn)都應(yīng)選在高效率區(qū)范圍內(nèi)。然而，除了軸流定槳式轉(zhuǎn)輪外，其他類型轉(zhuǎn)輪運(yùn)行的高效率區(qū)范圍較廣，設(shè)計(jì)工況點(diǎn)在高效區(qū)的位置將具有很大選擇范圍。其工況點(diǎn)位置應(yīng)根據(jù)電站類型、運(yùn)行方式和水文情況來確定。

3 水輪機(jī)選型優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)例

3．1 無調(diào)節(jié)性電站水輪機(jī)選型優(yōu)化設(shè)計(jì)

四川理縣米亞羅水電站(已運(yùn)營)是引水式電站，總裝機(jī)15MW，單機(jī)5MW，無調(diào)節(jié)性，發(fā)電接入四川省電網(wǎng)。設(shè)計(jì)水頭121．0m，最大水頭142．20m，最小水頭119．40m，加權(quán)平均水頭132．30m，單機(jī)額定流量4．93m3/s。

表1 平水年徑流量計(jì)算表

計(jì)算得161．8，在型譜中選擇符合的轉(zhuǎn)輪，經(jīng)比較HLA520轉(zhuǎn)輪最優(yōu)效率點(diǎn)單位流量較大且汽蝕系數(shù)較低，綜合特性曲線見圖1。設(shè)計(jì)工況點(diǎn)，初步選擇在最優(yōu)效率點(diǎn)附近，由公式:

對于立式混流式計(jì)算比轉(zhuǎn)速公式:

圖1 A520轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線

計(jì)算得轉(zhuǎn)輪直徑D1和轉(zhuǎn)速n分別為1．312 m和553r/min。轉(zhuǎn)輪取設(shè)計(jì)直徑1．3m，轉(zhuǎn)速取同步轉(zhuǎn)速500r/min，設(shè)計(jì)工況下，對應(yīng)的單位流量Q'1和單位轉(zhuǎn)速n'1為0．265L/s和59．1 r/min，水輪機(jī)效率η(為方便比較，真機(jī)效率修正忽略不計(jì)，下同)為92．2%。

在枯水期時，單臺機(jī)組發(fā)電，工作水頭達(dá)最大水頭142．2m，單位轉(zhuǎn)速n'1為54．5r/min，從綜合特性曲線可得，能穩(wěn)定發(fā)電的最小單位流量Q'1為0．175L/s，其對應(yīng)的發(fā)電流量為3．52m3/s。從表1可看出，最枯三個月中，50%保證流量為3．40m3/s，小于能發(fā)電的流量3．52 m3/s。而本電站地處山區(qū)，無調(diào)節(jié)能力，枯水期中的一個半月將不能發(fā)電，只能棄流。按45天棄流量計(jì)算，將損失電量約270萬度，按四川省分時電價政策測算，發(fā)電收益減少約4%。

盡可能利用枯水期水量發(fā)電，可縮小轉(zhuǎn)輪直徑，讓設(shè)計(jì)工況點(diǎn)在特性曲線上向出力限制線靠近。本例中，轉(zhuǎn)輪直徑D1可取1．15m，計(jì)算轉(zhuǎn)速n為624r/min，取同步轉(zhuǎn)速600r/min，設(shè)計(jì)工況下，對應(yīng)的單位流量和單位轉(zhuǎn)速為0．338L/s和62．7r/min，水輪機(jī)效率η為91．1%，仍處于高效區(qū)。同理，當(dāng)在枯水期時，單臺機(jī)組發(fā)電，工作水頭達(dá)最大水頭142．2m，單位轉(zhuǎn)速為57．9r/min，從綜合特性曲線可得，能穩(wěn)定發(fā)電的最小流量為2．60m3/s，整個枯水期幾乎都能正常發(fā)電，雖然在平水期效率比原方案少1．1%，減少發(fā)電量95萬千瓦時，但枯期增加的電量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于此，提高了發(fā)電收益。

3．2 具有調(diào)節(jié)性電站水輪機(jī)選型優(yōu)化設(shè)計(jì)

四川臥龍熊貓水電站(已運(yùn)營)亦屬引水式電站，總裝機(jī)24MW，單機(jī)12MW，日調(diào)節(jié)，發(fā)電接入四川省電網(wǎng)。設(shè)計(jì)水頭90m，最大水頭103．78m，最小水頭88．36m，加權(quán)平均水頭97．8 m，單機(jī)額定流量15．3m3/s。適合本段水頭系列的轉(zhuǎn)輪較多，HLA630和HLD06A可作為備選。HLA630具有效率高，最優(yōu)工況單位流量較大，汽蝕系數(shù)較低等特點(diǎn)(轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線見圖2)，但本轉(zhuǎn)輪在流量變化上適應(yīng)性較弱，高效率區(qū)的流量變幅范圍較小。HLD06A轉(zhuǎn)輪雖然在流量變幅方向具有較寬的高效區(qū)(轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線見圖3)，但和HLA630相比，在同等效率下，單位流量較小，同等出力情況下，轉(zhuǎn)輪直徑將更大。

圖2 HLA630轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線

圖3 HLD06A轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線

由于本例電站具有日調(diào)節(jié)庫容，單臺機(jī)組在 設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，流量變幅小。HLD06A雖然具有適應(yīng)大范圍的流量變幅的特性，但在本例中卻發(fā)揮不了作用，而轉(zhuǎn)輪HLA630正符合這樣的運(yùn)行工況，其設(shè)計(jì)工況點(diǎn)在綜合特性曲線上的位置，應(yīng)選擇在最優(yōu)工況點(diǎn)附近。在最優(yōu)工況下，計(jì)算得轉(zhuǎn)輪直徑D1為1．451m，轉(zhuǎn)輪取設(shè)計(jì)直徑1．4 m，計(jì)算轉(zhuǎn)速為508r/min，取同步轉(zhuǎn)速500r/min。設(shè)計(jì)工況下，對應(yīng)的單位流量Q'1為0．827L/s，單位轉(zhuǎn)速n'1為73．8r/min，水輪機(jī)效率η為94．0%。

在枯水期時，本電站具有日調(diào)節(jié)庫容，在一天中用電低谷時段蓄水，高峰時段發(fā)電。單臺機(jī)組可帶負(fù)荷85%～105%，滿足日調(diào)節(jié)要求，機(jī)組基本不需要低負(fù)荷運(yùn)行，發(fā)電引用流量變化幅度小，本電站選擇HLA630轉(zhuǎn)輪是合適的。

4 結(jié)語

從以上的實(shí)例對比可以看出，它們均采用混流式水輪機(jī)，設(shè)計(jì)水頭分別121m和90m，水頭也相差不大，但各自所采用的水輪機(jī)和在其綜合特性曲線上運(yùn)行工況點(diǎn)的選擇，有很大的區(qū)別。米亞羅水電站取水口所處河段河床比降大，徑流年內(nèi)很不均勻，無調(diào)節(jié)庫容。在裝機(jī)規(guī)模確定的情況下，要充分利用該河段流量發(fā)電，應(yīng)優(yōu)先選擇在高效率區(qū)流量變幅范圍大的轉(zhuǎn)輪，且設(shè)計(jì)工況點(diǎn)位置選擇在單位流量較大的高效率區(qū)，以適應(yīng)引用流量的變化。熊貓水電站取水口所處河段河床比降較小，徑流年內(nèi)也不均勻，但具有日調(diào)節(jié)庫容。應(yīng)選擇具有較大單位流量的轉(zhuǎn)輪，以縮小發(fā)電機(jī)組尺寸，節(jié)約設(shè)備購置費(fèi)用;設(shè)計(jì)工況點(diǎn)選擇在最優(yōu)效率點(diǎn)附近，充分利用水輪機(jī)效率。

(責(zé)任編輯:卓政昌)

三峽新能源CCER項(xiàng)目首批減排量成功備案

1月14日，由三峽新能源負(fù)責(zé)開發(fā)管理的烏蘭察布市商都大腦包風(fēng)電場天潤4．95萬千瓦風(fēng)電項(xiàng)目和國水投資集團(tuán)調(diào)兵山泉眼溝風(fēng)電場新建工程項(xiàng)目產(chǎn)生的201106噸減排量在國家發(fā)改委成功備案。恰逢當(dāng)日國家溫室氣體自愿減排交易注冊登記系統(tǒng)正式上線運(yùn)行，標(biāo)志著全國CCER“備案－簽發(fā)－交易”的全流程均已打通。截至目前，在國家發(fā)改委獲得減排量備案的項(xiàng)目共有26個，其中9個風(fēng)電項(xiàng)目。下一步，三峽新能源將繼續(xù)把握時機(jī)，努力推進(jìn)已經(jīng)或即將獲減排量備案項(xiàng)目的CCER銷售工作，以獲取減排收益，改善項(xiàng)目盈利能力，同時積極推進(jìn)其他風(fēng)電、光伏發(fā)電項(xiàng)目的CCER備案工作。

水規(guī)總院召開《四川省武都引水工程蓬溪船山灌區(qū)可行性研究報告》審查會

2015年1月14日至16日，水規(guī)總院在北京召開會議，對《四川省武都引水工程蓬溪船山灌區(qū)可行性研究報告》進(jìn)行了審查。四川省武都引水工程蓬溪船山灌區(qū)主要位于四川省遂寧市蓬溪縣、船山區(qū)境內(nèi)，是《嘉陵江流域綜合規(guī)劃報告》及四川省人民政府批復(fù)的《四川省涪江流域規(guī)劃報告》確定由涪江引水灌溉并納入武都引水工程的灌區(qū)工程。《四川省武都引水工程蓬溪船山灌區(qū)項(xiàng)目建議書》業(yè)經(jīng)國家發(fā)展和改革委批復(fù)(發(fā)改農(nóng)經(jīng)［2014］1250號)。工程開發(fā)任務(wù)為農(nóng)業(yè)灌溉、城鄉(xiāng)生活及工業(yè)供水等綜合利用，灌區(qū)設(shè)計(jì)灌溉面積94．70萬畝，其中新增灌溉面積63．39萬畝，改善灌溉面積31．31萬畝。

成都院編著的《水利水電工程英漢圖文辭典(水工卷)》出版

2015年1月，成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司(以下簡稱“成都院”)組織編著的《水利水電工程英漢圖文辭典(水工卷)》由中國水利水電出版社正式出版、全國首發(fā)5000冊。經(jīng)過廣泛收集詞條、權(quán)威論證，該辭典收錄詞條約3000個，下設(shè):釋義、音標(biāo)、英文例句(含中文釋義)、常用搭配、專業(yè)詞匯的中文定義等實(shí)用條目;同時收錄了約300張成都院設(shè)計(jì)的水電工程CAD圖、三維圖和工程實(shí)照等。近年來，我國水利水電設(shè)計(jì)和施工企業(yè)的工作范疇逐漸向海外擴(kuò)展。電建集團(tuán)旗下百余家設(shè)計(jì)施工企業(yè)在轉(zhuǎn)型過程中或多或少面臨著專業(yè)英語"不專業(yè)"的困擾。成都院作為目前我國規(guī)模最大、技術(shù)實(shí)力最強(qiáng)的水電站綜合勘測設(shè)計(jì)企業(yè)之一，國內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)豐富，主動承擔(dān)起編著這套實(shí)用性高、專業(yè)性強(qiáng)的英漢圖文辭典的任務(wù)。

TK73;N945．15

B

1001-2184(2015)01-0109-04

孫 宇(1981-)，男，四川內(nèi)江人，大學(xué)本科，工程師，主要從事水利水電動力工程工作，現(xiàn)就職于四川江源工程咨詢有限公司．

2015-01-06