引水式水電站水力機(jī)械選型設(shè)計(jì)

魏 勃 陽(yáng)

(大唐雅安電力開(kāi)發(fā)有限公司,四川 雅安 625500)

1 工程概況

天全鍋浪蹺水電站為混合式開(kāi)發(fā),壩址位于兩河口下游約700 m處,廠址位于下游約11 km處的傍海腔,與在建的腳基坪電站銜接。電站裝機(jī)3×70 MW,年發(fā)電量7.7855億kW·h,年利用小時(shí)數(shù)3 707 h,水庫(kù)正常蓄水位1 280.00 m,總庫(kù)容1.84億m3,具有年調(diào)節(jié)能力[1]。

2 主要機(jī)械設(shè)備選擇

2.1 額定水頭的確定

鍋浪蹺電站為高壩大庫(kù)引水式電站,電站最大水頭289.81 m,最小水頭215.20 m,年加權(quán)平均水頭263.45 m,汛期加權(quán)平均水頭263.43 m。在考慮到減少受阻出力,同時(shí)兼顧水輪機(jī)最大水頭機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行,額定水頭與年加權(quán)平均水頭比值宜控制在0.95～1倍之間,經(jīng)配合動(dòng)能專業(yè)后綜合比較確定額定水頭為250 m。

2.2 機(jī)組臺(tái)數(shù)的確定

本電站裝機(jī)210 MW,在電網(wǎng)中所占比重不大,單機(jī)容量對(duì)系統(tǒng)影響不大,對(duì)裝設(shè)兩臺(tái)和三臺(tái)機(jī)組兩方案按HLD358B水輪機(jī)計(jì)算進(jìn)行比較,機(jī)組臺(tái)數(shù)比較見(jiàn)表1。

比較結(jié)果表明,3臺(tái)機(jī)組方案比2臺(tái)機(jī)組方案多年平均電量增加469萬(wàn)kW·h,投資亦相應(yīng)增加1 167萬(wàn)元,補(bǔ)充單位電能投資為2.49元/kW·h,低于2臺(tái)機(jī)方案(3.81元/kW·h),說(shuō)明3臺(tái)機(jī)方案比較合理。在參與系統(tǒng)調(diào)度和梯級(jí)電站聯(lián)合運(yùn)行方面,2臺(tái)機(jī)組也顯得不夠靈活。本電站為龍頭水庫(kù)電站,下游幾個(gè)梯級(jí)電站均為3臺(tái)機(jī)組。經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合比較,確定裝機(jī)3臺(tái),單機(jī)容量70 MW。

2.3 水輪機(jī)及附屬設(shè)備

2.3.1 機(jī)型選擇

本電站運(yùn)行水頭215.2～289.81 m,屬中高水頭電站,適于裝設(shè)混流式水輪機(jī)。近年來(lái),隨著高水頭電站的大力開(kāi)發(fā),國(guó)內(nèi)制造廠已經(jīng)擁有一批較優(yōu)秀的混流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪。模型水輪機(jī)參數(shù)比較見(jiàn)表2。

表2 模型水輪機(jī)參數(shù)比較表

由于混流式水輪機(jī)在適應(yīng)水頭變幅、運(yùn)行穩(wěn)定性等方面的特殊性,在250 m以上水頭段的轉(zhuǎn)輪參數(shù)水平往往有較大差異,因此,有必要根據(jù)各型水輪機(jī)模型特性曲線計(jì)算出原型水輪機(jī)主要參數(shù)(表3),并結(jié)合本電站具體情況進(jìn)行深入的機(jī)型比較。

表3 原型水輪機(jī)主要參數(shù)比較表

通過(guò)原型水輪機(jī)參數(shù)比較,A550轉(zhuǎn)輪由于單位參數(shù)較高,轉(zhuǎn)輪直徑小,轉(zhuǎn)速高,轉(zhuǎn)輪出口圓周速度大(正常參數(shù)水平值35～42 m/s之間),水輪機(jī)效率不算低,但空化系數(shù)大,導(dǎo)致廠房開(kāi)挖深,不合適。A351轉(zhuǎn)輪應(yīng)用水頭較高,真機(jī)轉(zhuǎn)速為375 r/min,轉(zhuǎn)輪直徑相比最大,主機(jī)設(shè)備投資相對(duì)最大。A520與D358B兩個(gè)轉(zhuǎn)輪對(duì)應(yīng)的原型水輪機(jī)轉(zhuǎn)速相同,A520為長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪,經(jīng)過(guò)近年來(lái)其他電站的運(yùn)行,轉(zhuǎn)輪運(yùn)行穩(wěn)定性和抗空蝕能力均表現(xiàn)優(yōu)秀,用于本電站A520轉(zhuǎn)輪開(kāi)挖深度較大,轉(zhuǎn)輪D358B轉(zhuǎn)輪其額定點(diǎn)效率高,運(yùn)行范圍較優(yōu)。

東芝水電設(shè)備公司和安德里茨水電以及東風(fēng)電機(jī)廠也針對(duì)本電站作了初步的選型(裝機(jī)為3臺(tái)80 MW方案,額定水頭255 m),由于資料不夠詳盡,這些方案僅作參考,制造廠建議方案見(jiàn)表4。

表4 制造廠建議方案

D358B轉(zhuǎn)輪是東方電機(jī)公司為瓦屋山電站(2×130 MW、水頭227～301 m、額定水頭253 m)開(kāi)發(fā)的轉(zhuǎn)輪,經(jīng)水輪機(jī)模型試驗(yàn)驗(yàn)證及該電站實(shí)際運(yùn)行的情況,該轉(zhuǎn)輪在諸多方面均體現(xiàn)出先進(jìn)性。因此,經(jīng)綜合技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較結(jié)果,決定以D358B轉(zhuǎn)輪為模板開(kāi)展設(shè)計(jì)工作。

2.3.2 額定轉(zhuǎn)速的確定

效率、空化性能和運(yùn)行穩(wěn)定性是水輪機(jī)的三大重要指標(biāo),在確定原型水輪機(jī)參數(shù)時(shí)必須充分考慮。鍋浪蹺電站Hmax/Hr為1.158,水頭變幅不算大,而D358B轉(zhuǎn)輪也采用了具有負(fù)傾角的“X”葉片,能適應(yīng)水頭變幅大的條件,但水輪機(jī)參數(shù)也不宜選得過(guò)高,以盡量避免由于穩(wěn)定性所導(dǎo)致的振動(dòng)和裂紋等問(wèn)題;另一方面,泥沙磨蝕和水流速度關(guān)系密切,對(duì)混流式水輪機(jī)主要以轉(zhuǎn)輪出口圓周速度U2反映過(guò)機(jī)流速,而U2與轉(zhuǎn)速成正比,因此,合理選擇水輪機(jī)轉(zhuǎn)速以減輕泥沙磨蝕的影響。由于鍋浪翹水庫(kù)修建后的50年內(nèi)出庫(kù)泥沙幾乎為零,水流可視為清水出庫(kù)。機(jī)組在清水中運(yùn)行,根據(jù)上面比較結(jié)果,D358B轉(zhuǎn)輪推薦采用428.6 r/min方案。

2.3.3 原型水輪機(jī)參數(shù)的確定

根據(jù)D358B轉(zhuǎn)輪模型綜合特性曲線[2],初步確定原型水輪機(jī)參數(shù)如下:

水輪機(jī)型號(hào) HLD358B-LJ-235

額定出力N71.8 MW

轉(zhuǎn)輪直徑D12.35 m

額定轉(zhuǎn)速ne428.6 r/min

額定流量Qe31.5 m3/s

額定效率η93.5%

額定點(diǎn)單位流量Q1′ 0.361 m3/s

額定點(diǎn)比轉(zhuǎn)速ns115.5 m·kW

額定點(diǎn)比速系數(shù)K1 826

額定點(diǎn)臨界空化系數(shù)σs0.04

水輪機(jī)吸出高度Hs-7.1 m

2.3.4 水輪機(jī)主要附屬設(shè)備

2.3.4.1 進(jìn)水閥型式及參數(shù)

本電站為一管三機(jī)的引水系統(tǒng),每臺(tái)水輪機(jī)前均應(yīng)裝設(shè)進(jìn)水閥。《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范》DL/T 5186-2004中規(guī)定:最大水頭在250 m及以上的水電廠宜選用球閥。

蝸殼進(jìn)口斷面直徑為1 847 mm,選擇球閥直徑為1 850 mm。

球閥型號(hào) QF299-WY-185

公稱直徑 1.85 m

承受的最大靜水頭 299 m

設(shè)計(jì)壓力 4.0 MPa

額定工作油壓 6.3 MPa

配套油壓裝置 HYZ-2.5-6.3

2.3.4.2 調(diào)速器及油壓裝置的型式和參數(shù)

調(diào)速系統(tǒng)壓力等級(jí)為6.3 MPa,經(jīng)估算,接力器總?cè)莘e約0.035 m3,主配直徑d計(jì)算值約為0.04 m。為穩(wěn)妥起見(jiàn),參照主配規(guī)格,將主配壓閥直徑確定為80 mm。油壓裝置壓油罐總?cè)莘e按經(jīng)驗(yàn)公式估算約0.7 m3左右,考慮到系統(tǒng)油滲漏以及在事故低油壓下操作接力器三個(gè)全行程的要求,將壓力油罐總?cè)莘e偏大確定為1.6 m3。水輪發(fā)電機(jī)組采購(gòu)以后將根據(jù)機(jī)組有關(guān)參數(shù)較精確地計(jì)算出調(diào)速器及油壓裝置的容量。

2.4 安裝高程的確定

利用公式Hs=10.0-Δ/900-KσH,K取1.6,電站利用HLD358B模型轉(zhuǎn)輪空蝕結(jié)果查得各工況的空化系數(shù)。各特征水頭下的吸出高度計(jì)算值見(jiàn)表5。

表5 吸出高度計(jì)算值

安裝高程計(jì)算公式:▽安=▽W(xué)+Hs,考慮最不利工況并留適當(dāng)余量,本電站安裝高程確定為981.20 m。

2.5 調(diào)節(jié)保證初步計(jì)算

根據(jù)《水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》DL/T 5186-2004,蝸殼最大壓力升高率宜小于30%;機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率宜小于60%。

本電站采用一管三機(jī)有壓引水方式,引水系統(tǒng)由引水隧洞、調(diào)壓室、壓力鋼管等組成。調(diào)壓室后壓力鋼管主管全長(zhǎng)約690.0 m,內(nèi)徑5.0 m;距離最長(zhǎng)的1號(hào)機(jī)支管長(zhǎng)約90.8 m,內(nèi)徑1.85 m。水輪機(jī)過(guò)水系統(tǒng)的水流慣性時(shí)間常數(shù)Tw=1.543 s<4 s,機(jī)組慣性時(shí)間常數(shù)Ta=9.8 s>4 s,比值Tw/Ta=0.16<0.4。

機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量GD2按1 400 t-m2,按不同的關(guān)機(jī)時(shí)間,計(jì)算蝸殼壓力升高值和機(jī)組速率上升值,不同關(guān)機(jī)時(shí)間調(diào)保計(jì)算見(jiàn)表6、7。

表6 不同關(guān)機(jī)時(shí)間調(diào)保計(jì)算表(水庫(kù)正常蓄水位1 280.00 m)

表7 不同關(guān)機(jī)時(shí)間調(diào)保計(jì)算表(水庫(kù)校核洪水位1 282.30 m)

計(jì)算表明:機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量取GD2=1 400 t-m2,調(diào)速器采用一段關(guān)閉,導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間取8～9 s,正常蓄水位及校核洪水位下三臺(tái)機(jī)組甩全負(fù)荷時(shí),最大速率上升值βmax=55.52%;最大壓力升高值ζmax=25.942%;尾水管進(jìn)口最大真空度-1.61 m。以上計(jì)算值均滿足規(guī)范要求。

考慮讓調(diào)節(jié)保證計(jì)算留有一定富裕,目前設(shè)計(jì)階段建議:機(jī)組關(guān)機(jī)時(shí)間采用8秒直線關(guān)閉,要求廠家滿足[GD2]大于1 400 t-m2。水庫(kù)正常蓄水位1 280.00 m、水庫(kù)校核洪水位1 282.30 m,3臺(tái)機(jī)組全部丟棄負(fù)荷,相對(duì)額定轉(zhuǎn)速升高52.28%、53.29%,小于允許最大轉(zhuǎn)速上升率60%;壓力升高25.94%、24.86%,小于允許最大壓力上限值381 m,尾水管進(jìn)口壓力大于-8.0 m,滿足水電站機(jī)電設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范要求。

3 水力機(jī)械輔助設(shè)備

3.1 主廠房起重設(shè)備

主廠房吊運(yùn)最重件為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子帶軸,約重165 t。選用200t/50t/10t單小車橋式起重機(jī)一臺(tái)。額定起重量為200 t,跨度為17.5 m;起升高度為主鉤22.0 m、副鉤24 m;起升速度為主鉤0.5～1.5 m/min(變頻)、副鉤2.0～5.0 m/min,運(yùn)行速度為大車8.0～20.0 m/min、小車1.0～10.0 m/min(變頻),電動(dòng)葫蘆運(yùn)行速度為20 m/min。

3.2 技術(shù)供、排水系統(tǒng)

3.2.1 技術(shù)供水系統(tǒng)

電站技術(shù)供水對(duì)象主要是發(fā)電機(jī)空冷器、各軸承油冷卻器、深井泵潤(rùn)滑水等。頂蓋水雖然是極清潔的水源,且不消耗廠用電,但由于頂蓋取水的水壓和水量存在不穩(wěn)定性,頂蓋水作為備用水源,待機(jī)組采購(gòu)后再和制造廠商探討頂蓋取水的可行性。為提高供水系統(tǒng)的可靠性,每臺(tái)機(jī)組均為單元供水。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算并參考相近容量機(jī)組的用水量,本電站一臺(tái)機(jī)組總的用水量約為500 m3/h。結(jié)合廠家資料,每臺(tái)機(jī)組初選兩臺(tái)DFG250-315/4/75型離心泵,額定流量550 m3/h,揚(yáng)程32 m,電機(jī)功率為75 kW;每臺(tái)水泵出口對(duì)應(yīng)設(shè)置一臺(tái)全自動(dòng)濾水器。

3.2.2 排水系統(tǒng)

排水系統(tǒng)包括檢修排水和滲漏排水,兩系統(tǒng)分開(kāi)設(shè)置[4]。

3.2.2.1 檢修排水

電站為高水頭混流式機(jī)組電站,尾水流道體積不大,且因機(jī)組安裝高程較低,若用集水井間接排水方式,其檢修集水井時(shí)承受的水壓較大,因此,檢修排水考慮采用直接排水方式。檢修排水量主要包括流道積水和尾水閘門(mén)漏水。據(jù)估算,一臺(tái)機(jī)組流道積水量約為320 m3,進(jìn)水口閘門(mén)及尾水閘門(mén)漏水量210 m3/h。初選兩臺(tái)200WFB-AD1型自吸泵,一主一備。水泵額定流量280 m3/h,額定揚(yáng)程30 m,配套電機(jī)功率為55 kW。可確保在較短時(shí)間內(nèi)排出流道水以及在單泵工作時(shí)足以排干閘門(mén)漏水。排流道積水時(shí),手動(dòng)開(kāi)啟兩臺(tái)水泵同時(shí)工作,積水排空后切換到自動(dòng)運(yùn)行方式排除閘門(mén)漏水,根據(jù)尾水管液位控制水泵啟停。

3.2.2.2 滲漏排水

滲漏排水主要包括廠房水工建筑物滲漏水、設(shè)備排污水以及管路、閥門(mén)漏水等,通過(guò)排水管或地漏等引入滲漏集水井。參考同類型電站經(jīng)驗(yàn),滲漏集水井有效容積約為85 m3。初選三臺(tái)250QJ200-26型深井潛水泵,兩主一備。水泵額定流量200 m3/h,額定揚(yáng)程26 m配套電機(jī)功率為20 kW。水泵工作采用自動(dòng)運(yùn)行方式,根據(jù)集水井液位控制水泵啟停。

3.2.2.3 集水井清淤

選用一臺(tái)65WQ25-28-4型移動(dòng)式潛水排污泵,臨時(shí)從滲漏集水井進(jìn)人孔中投入。

3.3 壓縮空氣系統(tǒng)

3.3.1 中壓氣系統(tǒng)

中壓壓縮空氣供調(diào)速器油壓裝置和球閥油壓裝置的壓力油罐充氣和補(bǔ)氣用,供氣壓力為6.3 MPa,設(shè)置兩臺(tái)中壓空壓機(jī),一主一備。經(jīng)估算,每臺(tái)空壓機(jī)所需的生產(chǎn)率約0.683 m3/min。選用兩臺(tái)15T2XB15/70型空壓機(jī),額定排氣量0.85 m3/min,最大排氣壓力7.0 MPa;并配置兩只1.5 m3的貯氣罐。當(dāng)?shù)貧夂驖穸却?在空壓機(jī)與氣罐間配置一臺(tái)冷干機(jī),型號(hào)為1RAD-60/1 000。

3.3.2 低壓氣系統(tǒng)

低壓壓縮空氣主要供機(jī)組制動(dòng)、主軸密封圍帶充氣以及風(fēng)動(dòng)工具和吹掃用氣等。根據(jù)電氣主接線方案,制動(dòng)用氣按一臺(tái)機(jī)制動(dòng)考慮,按估算的用氣量,選用兩臺(tái)UP5-22-8型低壓空壓機(jī),一主一備,額定排氣量3.34 m3/min,排氣壓力0.85 MPa。設(shè)置兩只6 m3的貯氣罐,額定壓力1.0 MPa。當(dāng)?shù)貧夂驖穸却?在空壓機(jī)與氣罐間配置一臺(tái)冷干機(jī),型號(hào)為1R65RC。

3.4 油系統(tǒng)

3.4.1 透平油系統(tǒng)

透平油系統(tǒng)供進(jìn)水閥、調(diào)速系統(tǒng)用油及機(jī)組各軸承潤(rùn)滑用油。經(jīng)估算一臺(tái)機(jī)組設(shè)備總的用油量約13 m3,加上管網(wǎng)充油量,則所需的凈油罐容積約14.3 m3。參考油罐規(guī)格并考慮適當(dāng)?shù)脑Ａ糠謩e設(shè)置一個(gè)15 m3的凈油罐和一個(gè)15 m3的運(yùn)行油罐。油處理設(shè)備選用兩臺(tái)2CY-5/3.3-1型齒輪油泵,一臺(tái)LY-100型壓力濾油機(jī),一臺(tái)ZJCQ-6型透平油過(guò)濾機(jī)。

3.4.2 絕緣油系統(tǒng)

絕緣油系統(tǒng)主要供變壓器用油?？紤]到本河段梯級(jí)電站開(kāi)發(fā)建設(shè),因此,鍋浪蹺電站不單獨(dú)設(shè)置絕緣油系統(tǒng),僅在第一次注油時(shí),在變壓器旁設(shè)置一真空濾油機(jī)自循環(huán)濾油。

3.5 水力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

電站全廠性監(jiān)測(cè)設(shè)有上下游水位、電站毛水頭、攔污柵壓差及進(jìn)口檢修門(mén)壓差測(cè)量。機(jī)組段監(jiān)測(cè)設(shè)有頂蓋壓力、蝸殼進(jìn)口壓力、尾水管進(jìn)口壓力真空、水輪機(jī)工作水頭的測(cè)量;機(jī)組振動(dòng)、擺度監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目[5]。

3.6 壓力鋼管檢修蝶閥

為滿足壓力鋼管檢修的需要,根據(jù)水工布置的要求,在調(diào)壓井后設(shè)置一檢修蝶閥。壓力鋼管直徑為5 m,選用1臺(tái)直徑5 m的雙密封液控蝶閥,蝶閥工作壓力為0.94 MPa,設(shè)計(jì)壓力為1.2 MPa。配套蝶閥液壓站采用高壓皮囊式結(jié)構(gòu),不需要補(bǔ)充壓縮空氣。

3.7 機(jī)修設(shè)備和油化驗(yàn)設(shè)備

天全河流域鍋浪蹺和干溪坡電站以及下游幾級(jí)電站均由大唐公司開(kāi)發(fā),因此,機(jī)修設(shè)備和油務(wù)中心應(yīng)統(tǒng)籌考慮,可設(shè)在天全縣城或距離縣城不遠(yuǎn)的地方。鍋浪蹺電站不單獨(dú)設(shè)置機(jī)修設(shè)備和油化驗(yàn)設(shè)備,但仍有必要配置一些常用的修配工具。

4 水力機(jī)械設(shè)備布置

電站機(jī)組為豎軸布置,主廠房為地面式廠房,根據(jù)水輪發(fā)電機(jī)組的流道尺寸,兼顧調(diào)速器、油壓裝置和球閥的布置,機(jī)組間距為12 m。

廠房寬度考慮發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、發(fā)電機(jī)上機(jī)架、轉(zhuǎn)輪、球閥的吊運(yùn)以及上、下游所必須的維護(hù)通道,機(jī)組X軸線距上游邊墻的距離為11.0 m,距下游邊墻的距離為6.5 m。

安裝場(chǎng)位于主廠房的右側(cè)(面向上游),與進(jìn)廠公路相連。為能滿足一臺(tái)機(jī)組擴(kuò)大性大修的要求,安裝場(chǎng)長(zhǎng)15.0 m,寬17.5 m,安裝和檢修時(shí)場(chǎng)內(nèi)可放置水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪、發(fā)電機(jī)上機(jī)架、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、水輪機(jī)頂蓋等部件。安裝場(chǎng)與發(fā)電機(jī)層間高程(▽991.70)。

發(fā)電機(jī)層地面至起重機(jī)軌道頂部的高度為12.2 m,滿足發(fā)電機(jī)吊運(yùn)轉(zhuǎn)子的要求。

主廠房共分3層,發(fā)電機(jī)層(▽991.70)、水輪機(jī)層(▽983.70)、球閥層(▽978.00)。

調(diào)速器布置在發(fā)電機(jī)層機(jī)組的2象限;供水泵及過(guò)濾設(shè)備及滲漏排水泵布置在廠房下游尾水平臺(tái)上的水泵廊道;空壓機(jī)室和透平油庫(kù)及油處理設(shè)備布置在水輪機(jī)層安裝間下面的輔機(jī)間;檢修排水泵布置在球閥層2號(hào)機(jī)與3號(hào)機(jī)組之間。

5 結(jié) 語(yǔ)

水力機(jī)械選型關(guān)系到水電站工程投資、安全運(yùn)行、動(dòng)能指標(biāo)及經(jīng)濟(jì)效益等重大問(wèn)題,正確地進(jìn)行水力機(jī)械選擇是水電站設(shè)計(jì)中的主要任務(wù)之一。結(jié)合鍋浪蹺水電站的具體情況,對(duì)相關(guān)的水力機(jī)械設(shè)備進(jìn)行了認(rèn)真的選型和設(shè)計(jì)。水電站進(jìn)行試運(yùn)行后,所有設(shè)備工作正常,其各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。水力機(jī)械設(shè)備作為水電站的核心部分,其選型計(jì)算是否合理對(duì)整個(gè)工程有著巨大影響,也會(huì)影響配套設(shè)施、廠房設(shè)計(jì)等幾乎所有工作,所以,作為技術(shù)人員,應(yīng)當(dāng)給予高度重視,為水電站以后的順利運(yùn)行打下良好基礎(chǔ)。