冗各水電站水輪機(jī)選型分析

葛 曦，張 華，黃正財(cái)，楊 超，張建勛

(1.貴州省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，貴州 貴陽 550002；2.貴州省農(nóng)村水電及電氣化發(fā)展局，貴州 貴陽 550002)

1 概述

冗各水電站位于貴州省黔南布依族苗族自治州羅甸縣逢亭鎮(zhèn)冗各鄉(xiāng)，是蒙江流域的第8級電站，該水電站位于蒙江干流上，其上游梯級為雙河口水電站，下游梯級為石門坎水電站，壩址以上流域集水面積5158km2。電站距羅甸縣城約30km，距貴陽市約165km。

電站在正常蓄水位495m時的有效庫容3440萬m3，裝機(jī)容量為3×30MW，冗各水電站最大水頭50.29m，最小水頭44.31m，水庫具有周調(diào)節(jié)性能。本電站建成后，在系統(tǒng)中主要擔(dān)任峰荷、調(diào)頻作用。

主要建筑物包括混凝土重力壩、泄洪建筑物、隧洞引水建筑物、右岸布置三洞三管三機(jī)地下式廠房等。

電站于2016年6月建成首臺機(jī)發(fā)電，設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 電站參數(shù)表

2 水輪機(jī)選型分析

2.1 額定水頭選擇

額定水頭Hr的選擇涉及到水能利用、機(jī)組設(shè)備投資、水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行、土建投資等多種因素。本電站水頭機(jī)率統(tǒng)計(jì)成果見表2。

表2 水頭機(jī)率統(tǒng)計(jì)表

從表2可以看出，冗各水電站在電能加權(quán)平均水頭至最大水頭間運(yùn)行頻率占的比例較大，大約為60.42%，因此額定水頭初步擬定在加權(quán)平均水頭附近較合理。從機(jī)組出力受阻情況來看，額定水頭越高，受阻容量越大，本電站是水庫調(diào)節(jié)性能較差(周調(diào)節(jié))的中低水頭電站，它的最小水頭往往由于下游水位的壅高出現(xiàn)在洪水期。如果額定水頭選得過高，將會出現(xiàn)洪水期有流量但水頭受阻，在枯水期有水頭而流量不足，造成全年發(fā)不足額定容量的情況，這時額定水頭就應(yīng)該選得低一些，盡量靠近最低水頭。加之本電站的水頭變幅(5.94m)較小，因此額定水頭選為45.5m。

表3 模型轉(zhuǎn)輪基本參數(shù)表

2.2 水輪機(jī)型式選擇

冗各電站的水頭運(yùn)行范圍在44.34～50.28m，水頭變幅為5.94m，此水頭段適合的水輪機(jī)型式主要為混流式。由于電站單機(jī)容量較小，在招投標(biāo)過程中，本類型電站主要都是中小型生產(chǎn)企業(yè)參與投標(biāo)，考慮到生產(chǎn)企業(yè)的實(shí)力和對轉(zhuǎn)輪的開發(fā)、運(yùn)用程度，我們在轉(zhuǎn)輪選型時既要考慮轉(zhuǎn)輪的先進(jìn)性，又要考慮轉(zhuǎn)輪的成熟性，所選水輪機(jī)有大量成功運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)，機(jī)組參數(shù)較優(yōu)，在確保電站發(fā)電效益的同時又能保證電站安全可靠地運(yùn)行。

在70m左右水頭段，中小型水電站國內(nèi)常用的優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪有A551、A551c、A616、A904a等，其模型參數(shù)見表3。從表3可以看出，最優(yōu)工況HLA551c的單位轉(zhuǎn)速最高，單位流量最大，HLA904a的效率最高。

針對表3中4個轉(zhuǎn)輪，選型計(jì)算比較如下：

(1)A551轉(zhuǎn)輪：初選工況點(diǎn)Q1′=1.2m3/s，n1′=83r/min，Q=73.72m3/s，D1=3.02m。n=200r/min，在水頭運(yùn)行范圍，計(jì)算得n1′=85.1～90.74r/min。因A551轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)運(yùn)行范圍為77～86r/min，在本電站水頭運(yùn)行范圍內(nèi)已偏離了A551轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)運(yùn)行區(qū)域。

(2)A551c轉(zhuǎn)輪：初選工況點(diǎn)Q1′=1.3m3/s，n1′=85r/min，Q=73.33m3/s。D1=2.9m。n=200r/min，在水頭運(yùn)行范圍，計(jì)算得n1′=81.7～87.2r/min。因A551c轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)運(yùn)行范圍為79～88r/min，在本電站水頭運(yùn)行范圍內(nèi)A551c轉(zhuǎn)輪完全滿足要求。

(3)A616轉(zhuǎn)輪：初選工況點(diǎn)Q1′=1.15m3/s，n1′=82r/min，Q=74.11m3/s。D1=3.09m。n=200r/min∶n1′=87.14～92.87r/min。因A616轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)運(yùn)行范圍為75～85r/min，在本電站水頭運(yùn)行范圍內(nèi)偏離了A616轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)運(yùn)行區(qū)域。

(4)A904a轉(zhuǎn)輪：初選工況點(diǎn)Q1′=1.08m3/s，n1′=81r/min，Q=73.33m3/s。D1=3.18m。n=200r/min，在水頭運(yùn)行范圍，計(jì)算得n1′=89.68～95.33r/min。因A904a轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)運(yùn)行范圍為72～83r/min，在本電站水頭運(yùn)行范圍內(nèi)偏離了A904a轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)運(yùn)行區(qū)域。

通過以上同水頭段的轉(zhuǎn)輪的選型分析：冗各電站采用HLA551c-LJ- 288是最合理的，運(yùn)行工況最優(yōu)，其運(yùn)行范圍如圖1所示。

圖1 HLA551C- 35.2模型綜合特性曲線(真機(jī)D1=2.88m，n=200r/min)

從圖1可看出，運(yùn)行范圍涵蓋了大部分高效率區(qū)，機(jī)組選型留有余量，提高功率因數(shù)到0.95能連續(xù)長期安全運(yùn)行)，因此我們考慮了在水頭H=48.43m以上有11.2%的超發(fā)空間，此時功率因數(shù)提高到0.95，(在最大水頭，功率因數(shù)提高到1的時候，可超發(fā)17%，在圖1中用虛線框表示)，這樣在夏季豐水期，用電高峰期，能盡可能地多發(fā)電。

冗各水電站的設(shè)計(jì)尾水位為445.170m，推薦的水輪機(jī)吸出高度Hs≥-0.32m。為不影響總體樞紐布置，并留足安全余量(地下式廠房，工程量影響不大)，最終取吸出高度Hs=-4.43m(k=2)，固定導(dǎo)葉高度為2.52m。因此，確定水輪機(jī)的安裝高程為442.00m。

2.3 水輪機(jī)結(jié)構(gòu)型式確定

機(jī)組采用立軸布置，軸系為三支點(diǎn)懸式形式，支撐在發(fā)電機(jī)的推力軸承上。軸系由水輪機(jī)主軸、發(fā)電機(jī)主軸、轉(zhuǎn)子支架等組成。

水輪機(jī)進(jìn)、排水方式：采用包角為345°的金屬蝸殼進(jìn)水，進(jìn)水方向與廠房x-x軸線垂直，排水為彎肘形，其直錐段和肘管段為金屬里襯，水機(jī)與發(fā)電機(jī)為直連型式。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，滿足機(jī)組性能，選用優(yōu)質(zhì)材料，以先進(jìn)工藝確保各項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)構(gòu)維修方便。水輪機(jī)保證在不拆發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子和水輪機(jī)主軸的情況下，可更換和檢修水導(dǎo)軸承、主軸密封及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)中的傳動件，同時，水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)所有零件均能通過電機(jī)定子及機(jī)坑內(nèi)徑。

2.3.1 轉(zhuǎn)輪與主軸

轉(zhuǎn)輪為鑄焊結(jié)構(gòu)，采用ZG00Cr13Ni5Mo，AOD精煉組焊而成，葉片數(shù)為13，數(shù)控加工成型。轉(zhuǎn)輪上冠止漏形式采用階梯式密封結(jié)構(gòu)，密封后設(shè)有葉片泵，葉片泵起到減小軸向水推力和二次密封作用，經(jīng)過葉片泵的有壓水由鋼管排至機(jī)組排水管上；轉(zhuǎn)輪下環(huán)設(shè)有間隙式密封結(jié)構(gòu)。

主軸采用優(yōu)質(zhì)鍛鋼20SiMn材料制作，主軸為帶外法蘭中空結(jié)構(gòu)形式，作為尾水補(bǔ)氣通道，主軸上法蘭與電機(jī)主軸采用精配螺栓聯(lián)接和傳遞扭矩，下端與轉(zhuǎn)輪采用螺栓聯(lián)接，靠磨擦傳遞扭矩，上下法蘭均為止口定位。機(jī)組軸系剛度安全裕度為大于1.25倍飛逸轉(zhuǎn)速。

2.3.2 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)部分

導(dǎo)水機(jī)構(gòu)采用內(nèi)調(diào)節(jié)式，導(dǎo)葉數(shù)為24只，導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)為3支點(diǎn)，導(dǎo)葉支承軸套采用自潤滑鋼背復(fù)合材料。導(dǎo)葉選用ZG06Cr13Ni4Mo材料，數(shù)控加工成型。導(dǎo)葉立面間隙為金屬硬接觸密封，端面密封采用間隙金屬密封。在額定水頭下，新裝導(dǎo)葉總漏水量不大余3‰額定流量。導(dǎo)葉具有自關(guān)閉趨勢的水力矩特性。導(dǎo)葉開口設(shè)計(jì)時，能滿足電站各個工況下要求的開口，其最大開口留有一定裕量。

導(dǎo)葉臂與導(dǎo)葉套筒上設(shè)有導(dǎo)葉限位裝置，導(dǎo)葉中軸頸密封采用YX形密封，為防止泥沙進(jìn)入下軸頸設(shè)有YX形密封圈以減小對下軸頸的磨損。

頂蓋上設(shè)有壓力排水管道及自流排水孔，同時設(shè)置備用補(bǔ)氣管口。

頂蓋采用整體結(jié)構(gòu)，其過流面設(shè)有一定厚度用不銹鋼耐磨材料制作的護(hù)板及止漏護(hù)環(huán)，與轉(zhuǎn)輪材質(zhì)有一定硬度差值。頂蓋為鋼板焊接結(jié)構(gòu)。

導(dǎo)葉傳動機(jī)構(gòu)采用叉頭可調(diào)式結(jié)構(gòu)。導(dǎo)葉臂上裝有導(dǎo)葉限位擋銷，當(dāng)剪斷銷被剪斷時，限位銷能夠限制導(dǎo)葉的偏擺。

控制環(huán)采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，控制環(huán)的底面裝有環(huán)向?qū)к壘哂凶詽櫥阅艿目鼓K，抗磨塊采用螺釘連接，可更換。

底環(huán)采用整體結(jié)構(gòu)，用螺栓與座環(huán)聯(lián)接。在底環(huán)過流面上設(shè)有不銹鋼材料制作的護(hù)板，與轉(zhuǎn)輪下環(huán)處設(shè)不銹鋼止漏環(huán)。

2.3.3 油軸承

采用稀油潤滑油浸式分塊瓦軸承。軸瓦采用8塊分塊瓦材料為：2SnSb11Cu6錫基軸承合金，軸領(lǐng)下部開有成一定角度徑向的通油孔。當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時，此孔起著油泵作用。將經(jīng)過冷卻器冷卻后的潤滑油輸送到軸瓦及軸承體空腔內(nèi)，工作后的熱油經(jīng)軸承體上部油孔和頂部流向冷卻器，形成油循環(huán)。

2.3.4 主軸密封

主軸密封采用先進(jìn)的不接觸間隙式泵板工作密封和空氣圍帶式停機(jī)密封兩部分組成。該密封安全、可靠，在電站已得到成功應(yīng)用。

3 機(jī)組試運(yùn)行情況驗(yàn)證

2016年6月23～26日，冗各水電站進(jìn)行了3#機(jī)72h試運(yùn)行，根據(jù)電站機(jī)組72h試運(yùn)行結(jié)果，機(jī)組的振動、擺度、軸承溫度等均較理想，由于電站蓄水未達(dá)到水庫正常蓄水位，電站尾水河道尚有棄渣未清理，因此電站在47m水頭以下運(yùn)行占一年72.3%的時段，全年有64.7%的時段運(yùn)行在機(jī)組額定出力的45%以下(即≤13.5MW)，低于混流式機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行范圍。根據(jù)電站運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在機(jī)組投入商業(yè)運(yùn)行以來，機(jī)組各軸承、空冷器、定子繞組和定子鐵芯的最高溫度見表4，機(jī)組各部位的最大振擺度見表5。

表4 機(jī)組各部溫度最大值 單位：℃

表5 機(jī)組各部振擺度最大值

從上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，機(jī)組各部溫升達(dá)到規(guī)范要求，除個別數(shù)據(jù)略高規(guī)范值外，大部分振擺度值基本達(dá)到規(guī)范要求。說明機(jī)組在合理的運(yùn)行條件下，是能夠穩(wěn)定運(yùn)行的，是經(jīng)得住運(yùn)行檢驗(yàn)的，冗各水電站的水輪機(jī)選擇HLA551c-LJ- 288是合適的。

4 結(jié)語

在中小水電的設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)更注重轉(zhuǎn)輪的成熟性，不能一味追求更高的性能指標(biāo)，以便于招標(biāo)階段更好更快地采購到滿足電站實(shí)際運(yùn)行的轉(zhuǎn)輪為前提。在招標(biāo)階段，應(yīng)對機(jī)組主要部件的結(jié)構(gòu)型式、材質(zhì)進(jìn)行約定，如轉(zhuǎn)輪、主軸、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、軸承等。即有利于控制設(shè)備質(zhì)量，又有利于投標(biāo)方在同一個起跑線上報(bào)價。從運(yùn)行情況反饋可以看出，冗各水電站的水輪機(jī)選型是合適的，是滿足電站實(shí)際運(yùn)行需要的，但是在一些電站投入商業(yè)運(yùn)行初期，為了追求更大的利益，往往在不具備安全穩(wěn)定運(yùn)行條件的前提下提前發(fā)電，我們應(yīng)該合理分析，以避免這種情況對機(jī)組造成損壞，消除安全隱患。

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