藍海水電站水輪機主要參數(shù)選擇探討

李 亮

(江西省贛西土木工程勘測設計院，南昌 330000)

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藍海水電站水輪機主要參數(shù)選擇探討

李 亮

(江西省贛西土木工程勘測設計院，南昌 330000)

藍海水電站工程壩址上下游水頭差較大，所以在其水輪機參數(shù)的選擇方面必須綜合考慮安裝高程、轉輪直徑和轉速、吸出高度參數(shù)外，影響水輪機性能的相關參數(shù)還包括外網(wǎng)跳閘導致水輪機負荷瞬間減小而轉速瞬間增加的過速情況，水輪機的機械振動、電磁振動和水力振動，水輪機組軸承溫度，軸承瓦襯剛度及瓦面材質的選擇等方面。在進行水電站規(guī)劃設計時，必須通過對多種水輪機選型方案進行綜合比選并進行設計實驗，保證水電站的穩(wěn)定運行及經濟效益與社會效益的最好發(fā)揮。

水電站；水輪機；主要參數(shù)；選擇

1 水電站概況

藍海水電站工程閘壩最大過流流量為3365m3/s，河床式水電站裝機2200kW。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標準》(SL252—2000)相關規(guī)定，本樞紐工程為大(2)型水閘，電站為小(2)型水電站，工程等別為Ⅱ等，其主要建筑物為2級，上下游防洪建筑物及次要建筑物均為3級，發(fā)電廠房擋水部分建筑為2級建筑物，其余部分為5級建筑物。

藍海水電站工程壩址上下游水頭差較大，具備開發(fā)水電站的條件，電站建成后，可充分利用四級抬水工程所產生的水電能源，向宜春電網(wǎng)提供廉價、清潔的電能，有利于緩解電力供需矛盾，促進宜春市的經濟發(fā)展。本電站是抬水樞紐工程的一個組成部分，其規(guī)模的選定必須服從抬水工程開發(fā)宗旨且與主體工程規(guī)模一致。

本電站上游無調節(jié)水庫，不具備調峰的條件，故本電站在電力系統(tǒng)中基本擔任基荷運行。根據(jù)電站裝機容量的比選，從徑流及水頭指標來看，電站裝機容量宜選擇2200kw，為日調節(jié)水電站，電站多年平均發(fā)電量1100萬kW·h。

2 水輪機主要參數(shù)選擇

2.1 水輪機選型原則

在水電站水輪機組其他參數(shù)(如水頭、裝機容量等)確定之后，必須進行水輪機的選型設計，其設計好壞與水電站施工、投資及經濟效益與社會效益的發(fā)揮有直接關系，要求水輪機選型必須在設計水頭和流量變化范圍內進行，并保證選型完成后能得到最佳的動力效益及機組運行的穩(wěn)定可靠、抗汽蝕等性能。

藍海水電站初擬裝機2200kW，根據(jù)運行水頭和引用流量，選擇4臺GD008—WZ—180型軸伸貫流式水輪機發(fā)電機組，發(fā)電機型號SFW550—32/2150。電站的廠用電出線兩回，分接于I段，II段母線，當一回斷電時，另一回可自控(或手動)投入，當電站不發(fā)電時，由主變倒送供電。

2.2 水輪機選型主要參數(shù)選擇

根據(jù)水文水能計算成果，結合水工建筑物的布置情況，電站所能獲取的水頭變化范圍在2.1-4.5m之間，加權平均水頭為4.1m，引用流量73.5m3/s，在該水頭段及流量參數(shù)下，能適應這些參數(shù)的機組有軸流式機組與貫流式機組，分別選擇GD008-WZ-180(φ=21°)型軸伸貫流式機組與ZDJP475a-LH-200型軸流式機組兩種水輪發(fā)電機組方案進行了技術經濟比較。確定彭家坊水電站裝機為4×550kW方案。根據(jù)運行水頭和引用流量，選擇4套GD008-WZ-180(φ=21°)型軸伸貫流式水輪機發(fā)電機組，發(fā)電機型號SFW550-32/2150，其額定出力為598kW，額定水頭為4.1m，額定流量為16.86m3/s，額定轉速為187.5r/min。

2.2.1 水輪機安裝高程計算

水輪機安裝高程的最大可能取值[1]的計算為：

▽△安=▽尾+H吸-D/2

(1)

式中：▽安為水輪機安裝高程，m；△尾為發(fā)電尾水位的設計最低值，m；令▽尾=73.40m；H吸為水輪機吸出高度，根據(jù)廠家提供資料H吸=1.2m；D為水輪機轉輪直徑，取D=1.80m；則最大安裝高程▽安=△尾+H吸-D/2=73.40+1.2-1.80/2=73.7m。水輪機設計安裝高程取73.0m，經廠家復核，該安裝高程是適宜的。

2.2.2 水輪機轉輪直徑

在進行水輪機設計參數(shù)的選擇確定時，轉輪直徑是核心要素[2]，因其取值的高低直接決定水輪機的性能好壞，通俗來講，轉輪的型式決定著水輪機型式，且直接影響水輪機出力水平和最可能適用的水頭以及廠房尺寸與構造，水輪機轉輪直徑DI通過下式計算：

(2)

式中：N為水輪機額定出力最大值，且N=N電/η電，N電為水輪機組中發(fā)電機額定功率，kW，η電為發(fā)電機效率，其取值在95%-98%；H為水輪機設計水頭，m；QI為水輪機綜合特性曲線高效區(qū)的單位流量值，m3/s；η為水輪機原型效率，其原型效率最大值ηmax=ηMmax+△η，(ηMmax為模型最大效率，△η為原型效率修整系數(shù))。

2.2.3 水輪機轉速

確定水輪機轉速必須結合具體工況，將水輪機與所適配發(fā)電機直接進行連接，為保證適配性能的一致性，必須保證其與發(fā)電機組額定轉速保持一致，且轉速n通過下式計算：

(3)

式中：n10為原型水輪機單位轉速的最佳值，r/min，其取值須對模型最優(yōu)單位轉速值進行修訂而求得；Hs為水電站設計水頭，m。

在計算出水輪機轉輪直徑與轉速后必須進行取值的檢驗，完全符合上述選型原則后方可采用。具體過程為首先結合所求得的轉輪直徑與轉速，按照與原模型相匹配原理，分別求得水頭最大和最小兩種工況下的單位轉速，并代入模型對應求出電站出力最大值與最小值情況下的流量，利用這四個量便可通過繪制模型綜合特性曲線進而得出水輪機可能的工作范圍，如果該范圍內存在高效率區(qū)，則表明參數(shù)取值完全合理，否則應改變參數(shù)取值重復進行上述驗算，直到理想結果出現(xiàn)為止[3]。具體見表1。

表1 國內外水輪機轉速及其余主要參數(shù)的取值

注：比速系數(shù)K=nHr0.5。

2.2.4 水輪機吸出高度

(4)

式中：kσ為水輪機吸出過程中汽蝕安全系數(shù)，取值為1.15-1.25；σ為汽蝕系數(shù)，通過水輪機模型試驗測得，且σ越大則水輪機內動力真空體積越大，汽蝕產生的概率較大，機組安裝高程會降低，增加水電站基礎開挖的困難度。

2.3 藍海水電站水輪機主要參數(shù)

經過上述各個參數(shù)類型的優(yōu)化設計并結合水電站招投標協(xié)議要求與模型設計規(guī)劃情況，最終確定藍海水電站水輪機主要參數(shù)取值見表2。

表2 藍海水電站水輪機主要參數(shù)

3 結 論

水電站水輪機組參數(shù)的選擇對水電站能否正常運行及經濟社會效益能否發(fā)揮關系重大，除了本文所研究的安裝高程、轉輪直徑和轉速、吸出高度參數(shù)外，影響水輪機性能的相關參數(shù)還包括外網(wǎng)跳閘導致水輪機負荷瞬間減小而轉速瞬間增加的過速情況，水輪機的機械振動、電磁振動和水力振動，水輪機組軸承溫度，軸承瓦襯剛度及瓦面材質的選擇等方面，總之在進行水電站規(guī)劃設計時，必須通過對多種水輪機選型方案進行綜合比選并進行設計實驗，保證水電站的穩(wěn)定運行及經濟效益與社會效益的最好發(fā)揮。

[1]代朝科.水電站水輪機選型設計中主要參數(shù)的確定[J].水利規(guī)劃與設計，2015(08)：72-73，108.

[2]馬彩萍，宋建英.積石峽水電站水輪發(fā)電機組參數(shù)選擇[J].水力發(fā)電，2011，37(11)：40-42.

[3]苑連軍，劉慧鳳，田樹棠.黃河拉西瓦水電站水輪機主要參數(shù)選擇設計[J].西北水電，2009(02)：49-52.

1007-7596(2017)04-0095-03

2017-03-06

李亮(1981-)，男，山東桓臺人，工程師，從事小型水電站泵站機電設計工作。

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