某電站水輪機(jī)選型及過渡過程優(yōu)化分析

夏玉寶

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽 550002)

不同的水電站擁有不同的流量和水頭，每種類型的轉(zhuǎn)輪特性也不一樣，因此，選擇合適的水輪機(jī)型號(hào)對(duì)水電站水能利用效率有重要的影響[1]。水輪機(jī)的選型設(shè)計(jì)主要包括水輪機(jī)型號(hào)的選擇、參數(shù)的確定及其他相關(guān)因素的分析和確定[2]。水電站過渡過程是指引水管段、水輪機(jī)組及尾水管各節(jié)點(diǎn)處的水頭、流量等特征值連續(xù)動(dòng)態(tài)變化的過程。不合理的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律或機(jī)組較大的負(fù)荷變動(dòng)會(huì)在管道內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的振動(dòng)和水錘效應(yīng)，可能會(huì)對(duì)機(jī)組或者運(yùn)行人員產(chǎn)生危害。本電站裝機(jī)包含1250 kW、250 kW兩臺(tái)機(jī)組，本文對(duì)該電站進(jìn)行機(jī)型比選分析，并通過C語言程序平臺(tái)對(duì)不同導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律下的機(jī)組運(yùn)行進(jìn)行模擬計(jì)算，以達(dá)到優(yōu)化電站水輪機(jī)機(jī)型、為電站機(jī)組設(shè)計(jì)提供依據(jù)的目的。

1 研究方法

1.1 額定水頭選擇

水電站額定水頭是水電站發(fā)電機(jī)發(fā)出額定功率時(shí)，水輪機(jī)所需的最小工作水頭。本電站水頭范圍為24.6～42.1 m，加權(quán)平均水頭為40.0 m，水頭出現(xiàn)幾率見表1。根據(jù)國(guó)內(nèi)外數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)規(guī)律：最大水頭與最小水頭比值小于1.5，最大水頭與額定水頭的比值小于1.15，最小水頭與額定水頭的比值大于0.65[3]。本電站水頭變幅為Hmax/Hmin=1.71，水頭變幅較大。結(jié)合表1，水頭在28.0～42.1 m之間出現(xiàn)的概率為98.7%，28.0 m以下出現(xiàn)水頭僅為1.3%，因此本電站舍棄出現(xiàn)概率較低的28.0 m以下水頭。即水頭處于24.6～28.0 m時(shí)，機(jī)組停機(jī)不發(fā)電，經(jīng)過一段時(shí)間水庫蓄水保證水量充足之后再發(fā)電。對(duì)于中、高水頭水輪機(jī)的額定水頭取0.95～1倍加權(quán)平均水頭，即額定水頭在38.0～40.0 m之間取值。結(jié)合表1，38.0 m及以上水頭累計(jì)出現(xiàn)頻率為80.5%，本電站水輪機(jī)額定水頭取38.0 m。

表1 水頭出現(xiàn)頻率排頻表

1.2 水輪機(jī)機(jī)型選擇

本電站水頭范圍為28.0～42.1 m，適合該水頭段的轉(zhuǎn)輪型式有軸流式和混流式。在相同水頭下，軸流式的轉(zhuǎn)速較混流式的高，有利于縮小機(jī)組尺寸，但抗空蝕能力較差，增加了廠房的水下開挖量。軸流式水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪和受油器等部件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，設(shè)備投資和后期維護(hù)工作量較大[4]。經(jīng)咨詢國(guó)內(nèi)相關(guān)水輪機(jī)生產(chǎn)廠家，混流式水輪機(jī)成熟度高于軸流式，應(yīng)用范圍更廣。綜上所述，本電站推薦選擇混流式機(jī)組，臥式布置。

1.3 轉(zhuǎn)輪模型選擇

大機(jī)裝機(jī)為1250 kW，額定流量為3.88 m3/s,額定水頭為38.0 m，水頭范圍為28.0～42.1 m；小機(jī)裝機(jī)為250 kW，額定流量為0.84 m3/s，額定水頭為38.0 m，水頭范圍為28.0～42.1 m。通過以上得知：本電站水頭低，水頭變幅相對(duì)較大，若按照本水頭段來選型，機(jī)組轉(zhuǎn)速較高，不利于機(jī)組穩(wěn)定。所以本電站選擇高水頭段轉(zhuǎn)輪，大機(jī)代表機(jī)型分別為HLA551(方案1)、HLA296(方案2)、HLA702(方案3)模型轉(zhuǎn)輪，小機(jī)分別為HLA551(方案1)、HLA521(方案2)、HL180(方案3)模型轉(zhuǎn)輪。對(duì)以上轉(zhuǎn)輪模型進(jìn)行比較，比較成果見表2～表3。

表2 大機(jī)機(jī)型選擇比較表

表3 小機(jī)機(jī)型選擇比較表

由計(jì)算結(jié)果可知：

(1)大機(jī)組方案1在額定點(diǎn)的水輪機(jī)效率為88.4%，高于方案2和方案3；汽蝕系數(shù)為0.10，小于方案2，轉(zhuǎn)輪抗空蝕性能較好。根據(jù)水輪機(jī)安裝高程計(jì)算公式可知該方案機(jī)組安裝高程較高，有利于減小土建開挖量，減少投資成本，因此推薦方案1(HLA551-WJ-75)為代表機(jī)型。機(jī)組100%出力下，最大水頭對(duì)應(yīng)的模型效率為87.5%，最小水頭對(duì)應(yīng)的模型效率為89.3%。轉(zhuǎn)輪模型曲線如圖1所示。

(2)小機(jī)組方案2和方案3在額定點(diǎn)的水輪機(jī)效率相近，均高于方案1；方案3氣蝕系數(shù)小于方案1和方案2，轉(zhuǎn)輪抗空蝕性能較好。方案1轉(zhuǎn)速較大，造成機(jī)組振動(dòng)過大，不利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行，因此推薦方案3(HL180-WJ-42)為代表機(jī)型。機(jī)組100%出力下，最大水頭對(duì)應(yīng)的模型效率為87.5%，最小水頭對(duì)應(yīng)的模型效率為89.3%。轉(zhuǎn)輪模型曲線如圖2所示。選定機(jī)組的主要參數(shù)見表4。

圖2 HL180-WJ-42型水輪機(jī)模型特性曲線

表4 機(jī)組參數(shù)

2 計(jì)算結(jié)果

在水電站運(yùn)行過程中，當(dāng)水輪機(jī)機(jī)組進(jìn)行甩負(fù)荷過程中，機(jī)組轉(zhuǎn)速會(huì)快速上升，此時(shí)調(diào)速器工作，關(guān)閉導(dǎo)葉又會(huì)引起蝸殼內(nèi)水錘壓力的上升，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升與水錘壓力增大相互制約[5]。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，電站過渡過程中影響最大的因素是導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，因此電站設(shè)計(jì)過程中選擇合適的導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律十分重要[6]。本電站為壩后式電站，發(fā)電用水經(jīng)壓力鋼管接入廠房，壓力鋼管主管直徑1.2 m，長(zhǎng)度約為240 m，支管直徑分別1.0 m、0.6 m，對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度均為12 m。計(jì)算得到本電站主要的引水系統(tǒng)參數(shù)：水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw=2.58 s，引水系統(tǒng)平均流速Va=3.61 m/s，管道特性系數(shù)hw=4.84。

結(jié)合《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL/T 5186—2004)與電站實(shí)際情況，確定計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)：機(jī)組甩額定工況下，最大轉(zhuǎn)速升高率小于60%，蝸殼最大壓力升高率小于55%，尾水管內(nèi)的最大真空度小于8 m水柱。本電站安裝有兩臺(tái)不同容量的機(jī)組，過渡過程計(jì)算較為復(fù)雜。經(jīng)過C平臺(tái)程序模擬計(jì)算，大機(jī)組在最大轉(zhuǎn)速升高率、最大蝸殼壓力升高率和最大真空度均大于小機(jī)組，因此 重點(diǎn)關(guān)注大機(jī)組的過渡過程情況，計(jì)算結(jié)果如表5所示。

表5 大機(jī)組過渡過程計(jì)算表

由表5可知，兩段關(guān)閉對(duì)機(jī)組過渡過程計(jì)算結(jié)果優(yōu)化效果不大，甚至由于關(guān)閥時(shí)間過慢，機(jī)組轉(zhuǎn)速超過限定值。方案1由于導(dǎo)葉關(guān)閉過快，蝸殼壓力升高率超過了限定值；方案3導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間過長(zhǎng)，機(jī)組轉(zhuǎn)速升高率略微超過了限定值。綜上，選定最優(yōu)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律為6 s直線關(guān)閉。

關(guān)閉規(guī)律為6 s直線關(guān)閉時(shí)，機(jī)組甩額定負(fù)荷的最大轉(zhuǎn)速升高率大小機(jī)組分別為56.4%、44.0%；機(jī)組甩負(fù)荷的最大蝸殼壓力升高率大小機(jī)組分別為52.6%、50.0%；尾水管內(nèi)的最大真空度大機(jī)組為5.8 m、小機(jī)組為5.0 m，以上結(jié)果均滿足規(guī)范要求。機(jī)組最大轉(zhuǎn)速與蝸殼最大壓力均出現(xiàn)在導(dǎo)葉完全關(guān)閉之前，約關(guān)閥時(shí)間5 s左右，然后趨于穩(wěn)定。大小機(jī)尾水管最大真空值出現(xiàn)在關(guān)閥后1s左右。

3 結(jié) 論

本電站主要功能是在下放生態(tài)流量時(shí)發(fā)電，豐水期也可以多發(fā)季節(jié)性電量，大小機(jī)組組合對(duì)不同時(shí)期水量的利用率較高。由于水庫水位變幅較大，常規(guī)水輪機(jī)組運(yùn)行很難兼顧整個(gè)水頭段，舍棄部分低水頭段，有利于機(jī)組穩(wěn)定高效率運(yùn)行。當(dāng)電站水頭較低，裝機(jī)容量不大時(shí)，若按照原水頭段來選型，機(jī)組轉(zhuǎn)速較大，不利于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。為降低機(jī)組轉(zhuǎn)速，選擇高水頭段轉(zhuǎn)輪。經(jīng)過比選，大機(jī)組推薦轉(zhuǎn)輪為HLA551-WJ-75，小機(jī)組推薦轉(zhuǎn)輪為HL180-WJ-42。經(jīng)過渡過程計(jì)算分析后得出的最優(yōu)導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律為6 s直線關(guān)閉，此工況下大小機(jī)組甩負(fù)荷轉(zhuǎn)速升高率、最大蝸殼壓力升高率和尾水管內(nèi)的最大真空度均滿足要求。