低水頭小容量水輪發(fā)電機組的選型設計.doc

低水頭小容量水輪發(fā)電機組的選型設計低水頭小容量水輪發(fā)電機組的選型設計鮑學松(香格里拉縣水利水電局勘測設計所,云南迪慶674400)摘要:水電開發(fā)建設已成為投資熱點之一,但由于水輪發(fā)電機組選型不當而造成電站效益不盡理想的現(xiàn)象十分普遍.基于以上背景,現(xiàn)以低水頭小容量水輪發(fā)電機組的選型設計為研究對象,結合水輪機選型的基本原則,內(nèi)容和方法,以實例分析了低水頭小容量水輪發(fā)電機組的選型設計問題.關鍵詞:低水頭;小容量;水輪發(fā)電機組;選型設計水輪機是水電站的主要動力設備,水輪機的型號與參數(shù)選擇是否合理將直接影響到水站的動能經(jīng)濟指標,運行穩(wěn)定性及可靠性.水輪機選型的主要任務是根據(jù)水電站的開發(fā)方式,動能參數(shù),水工建筑物的布置等,考慮國內(nèi)外已有水輪機的參數(shù),制造廠家(公司)的生產(chǎn)水平,擬定若干個機型比較方案,另通過技術經(jīng)濟比較,確定最優(yōu)方案.1水輪機選型的基本原則及內(nèi)容1.1基本原則水輪機選型應遵循以下的基本原則:(1)水輪機在設計水頭下能發(fā)出額定功率,低于設計水頭時機組受阻容量盡可能小;(2)電站運行中水輪機有較高的運行效率;(3)水輪機運行穩(wěn)定,靈活,可靠,有良好的抗空化性能;(4)多泥沙河流電站的水輪機應具有良好的抗磨損,抗空蝕性能;(5)機組易損部件易于更換,機組便于操作及安裝維護;(6)機組供貨及時,技術要求應符合制造廠家的設計,試驗及制造水平;(7)機組的最大部件和最重部件運輸可行性.1.2水輪機選擇的內(nèi)容對每一個擬定方案的計算內(nèi)容包括:(1)單機容量及機組臺數(shù);(2)水輪機型號和裝置形式;(3)水輪機轉輪直徑和轉速;(4)吸出高度及安裝高程;(5)飛逸轉速;(6)軸向水推力(反擊式水輪機);(7)射流直徑,噴嘴數(shù)等(沖擊式水輪機):(8)繪制水輪機運轉綜合特性曲線.2水輪發(fā)電機組的選型設計的基本方法2.1應用統(tǒng)計資料選擇水輪機這種方法以已建水電站的統(tǒng)計資料為基礎,通過匯集,統(tǒng)計國內(nèi)外已建水電站的水輪機的基本參數(shù),再把它們按水輪機形式,應用水頭,單機容量等參數(shù)分別進行歸類.在此基礎上,用數(shù)理統(tǒng)計法作出水輪機的比轉速,單位參數(shù)與應用水頭的關系曲線m(日),n,-f(H),Q.(,)以及電站空化系數(shù)與比轉速的關系曲線op()等,或者用數(shù)值逼近法得出關于這些參數(shù)的經(jīng)驗公式.當確定了水電站的水頭與裝機容量等基本參數(shù)后,可根據(jù)統(tǒng)計曲線或經(jīng)驗公式確定水輪機的形式與基本參數(shù).按照選定的水輪參數(shù)向水輪機生產(chǎn)廠提出制造任務書,由制造廠生產(chǎn)出符合用戶要求的水輪機,這種方法在國外被廣泛采用.2.2按水輪機系列型譜選擇水輪機一些國家對水輪機設備進行了系列化,通用化與標準化,制定148了水輪機型譜,為每一水頭段配置了一種或幾種水輪機轉輪,并通過模型試驗獲得了各型號水輪機的基本參數(shù)與模型綜合特性曲線.這樣,設計者就可以根據(jù)水輪機型譜與模型綜合特性曲線選擇水輪機的型號與參數(shù).我國與前蘇聯(lián)都曾頒布過水輪機型譜.水輪機型譜可為水輪機的選型設計提供便利,可使選型工作簡化與標準化.但要注意不可局限于已制定的水輪機型譜,當型譜中的轉輪性能不能滿足設計電站的要求時,要通過認真分析研究提出新的水輪機方案,與生產(chǎn)廠家協(xié)商,設計,制造出符合要求的水輪機;同時,要不斷發(fā)展,完善,更新水輪機型譜.2.3用套用法選擇水輪機這種方法是直接套用與報建電站的基本參數(shù)(水頭,裝機容量)相近的已建電站的水輪機型號與參數(shù).該方法多用于小型水電站的設計,它可以使設計工作大為簡化.但要注意的是,必須合理套用,要對擬建電站與已建電站的參數(shù)進行詳細的分析與比較,還要考慮不同年代水輪機的設計與制造水平的差異,現(xiàn)在設計的電站若直接套用幾十年前建成的電站的水輪機,往往會使水輪機的參數(shù)偏低.因此,必要時對已建電站的水輪機參數(shù)作適當修正后再套用.我國過去應用較多的方法是按照水輪機型譜選擇水輪機.但隨著水電開發(fā)的進展,舊的水輪機型譜已不能滿足目前水電站設計的需要,設計者常采用不同的選型方法相互結合,相互驗證,以保證水輪機選型的科學性與合理性.2.4用比轉速法選擇水輪機在進行初步設計時,用比轉速選擇水輪機的主要參數(shù)也是較為常用的方法.由于比轉速包括了水輪機的轉速,功率,水頭3個基本工作參數(shù),因此它綜合反映了水輪機的特征.盡管在表達的形式上比轉速不是一個無量綱的參量,但它卻具有無量綱數(shù)的特性.按比轉速選擇水輪機的優(yōu)點是不受水輪機型譜中水頭段對應的轉輪的限制.3實例分析3.1工程簡況岔河電站為洛吉河流域水電開發(fā)規(guī)劃的第3級電站,為年無調(diào)節(jié)徑流式水電站.電站引水渠道長1426m,明敷壓力鋼管長52.87m,最高水頭32.83m,設計水頭32.0m,最低發(fā)電水頭3O_3m,設計流量4.54m/s,裝機容量2500kw.多年平均發(fā)電量663.3萬kWh,P=80%保證出力672kW,設備年利用6633h,主要為洛吉孤立鄉(xiāng)電網(wǎng)供電,電站概算總投資l055.29萬元,工程于2008年4月開工建設,于2009年l2月開始試運行.3.2水輪發(fā)電機組的選型設計岔河水電站設計水頭32.0m,單機容量500kW,為低水頭,小容量水輪發(fā)電機組,查中小型混流式和軸流水輪機使用范圍綜合圖,本電站水輪機可選擇混流式和軸流水輪機.但在同一水頭下,采用轉漿式水輪機可縮減水輪機和發(fā)電機的尺寸,降低水電站的投資,但由于轉漿式水輪機葉片表面積小,單位流量和單位轉速較大,故氣蝕系數(shù)高于混流式水輪機,轉漿式水輪機穩(wěn)定運行范圍一般為出力的25%-100%,而混流式水輪機的穩(wěn)定運行范圍一般為出力的65%100%,因此本水電站選用混流式水輪機.混流式水輪機則具有構造簡單,出力變化時對機組效率影響較小等優(yōu)點,其轉速高,機組體積小,且運轉可靠,效率較高,并有適應水頭范圍寬的優(yōu)勢,還可利用尾水管回收能量,減少廠房開挖工程,但在低負載時機組效率降低較多.經(jīng)機型選擇計算,初選了4個型號混流式水輪機和配套發(fā)電機,如表1所示.表1岔河水電站水輪機選擇性能參數(shù)表走訪閩,浙,贛3省主要水輪發(fā)電機設備制造廠,廠家表示表1中前2種機型均可生產(chǎn)供貨,福建省永定金豐水輪機械廠對表1中后2種機型均可生產(chǎn)供貨,初步報價2種機型的水輪機和發(fā)電機主設備價格相差懸殊,前2種平均l套40.0萬元,后2種平均1套只有36.0萬元.后2種機型的輔助設備配套和水工建筑物不同方案的投資對比,在造價上選用后2種混流式機組仍可節(jié)省4萬元;此外選用HL295-LJZ-55水輪機在本站的水力條件下,運行區(qū)域很理想,岔河水電站在流域梯級電站中主要擔負為近區(qū)供電任務,為此初設推薦選用HL295一LJZ-55配SFW5006水輪發(fā)電機組進行設計.3.3混流立式整裝式水輪發(fā)電機組的運行問題選擇混流立式整裝式水輪發(fā)電機組,其運行狀況是我們最為關注的問題,傳統(tǒng)同水頭和同容量混流臥式水輪發(fā)電機組,在我縣小水電站中運行的有3座,都是2O世紀七八十年代修建的,通過實地調(diào)查,存在如下問題:(1)發(fā)電機容易受潮;(2)震動大,基礎容易開裂和下陷;(3)廠房占地面積大;(4)運行幾年后出力大幅度下降:(5)水輪機軸和發(fā)電機軸有安裝不到位問題.但改進混流立式整裝式水輪發(fā)電機組可解決這些問題,取消2個9O.彎頭,使水流更順暢.還體現(xiàn)如下優(yōu)點:(1)發(fā)電機主軸直接裝配轉輪,去除中間軸承(或軸瓦)傳動環(huán)節(jié),不但提高了傳動效率,而且還消除了傳動環(huán)節(jié)常年運行維修,損耗及拆卸安裝所帶來的風險.常年維護成本很低(臥式機組經(jīng)常加潤滑油,安裝不好經(jīng)常燒瓦等).(2)水輪機與發(fā)電機等設備就位安裝及調(diào)試l:Llb式機簡單容易,均為止口配合安裝.能極大地降低安裝費用及安裝時間.(3)蝸殼平放,用混凝土埋沒一半,無需地腳螺栓固定安裝.無需制作混凝土蝸殼,能實現(xiàn)地面層安裝水輪機及發(fā)電機,極大地節(jié)省水工材料及時問的投入.設計及水工成本大大減低.為此在初設時選用HL95一LJZ一55配SFW5006水輪發(fā)電機組進行設計.3.4運行效果及經(jīng)濟效益岔河水電站在大壩,引水系統(tǒng),廠房土建工程進行預驗收后,開始進行蝸殼充水,機組啟動,帶負荷,甩負荷等試驗,并經(jīng)72h試運行.由于有關單位的重視,配合和安裝隊的精湛工藝,機組試車基本上一次成功.其水量,各部溫度以及甩100%負荷的壓力,轉速ShejiYanjiu上升率均能符合設計和運行條件的要求.機組運行穩(wěn)定,噪音明顯降低,機組安裝各部間隙,擺度達到規(guī)范的優(yōu)良水平,在甩100%負荷時測量推力軸承最大振幅0.01rtlln,垂直振幅0.005-0.015turn,機組運行穩(wěn)定.試運行時廠房噪音與同類型中低轉速機組的廠房相近,廠內(nèi)運行條件尚可.岔河水電站選用HL95一LJZ一55配SFW500-6水輪發(fā)電機組運行狀況良好,其經(jīng)濟效益也是可觀的.(1)機組及配套設備加上水工建筑等因素,混流立式整裝式水輪發(fā)電機組比傳統(tǒng)混流式機組節(jié)省建設投資4l萬元.(2)在岔河的水力和運行條件下,混流立式整裝式水輪發(fā)電機組比傳統(tǒng)混流式機組的運行效率高l%,年可多發(fā)電6.6萬kWh,尾水管回收能量多利用水頭每年可多發(fā)電10.56萬kWh,每年可增加售電收入2.7萬元;按同樣設備年利用小時計,相當于多裝機25kW.(3)取消中間軸承(或軸瓦)傳動環(huán)節(jié),不僅節(jié)省了設備和土建投資,每年可節(jié)約維護費用1.2萬元.(4)岔河水電站選用混流立式整裝式水輪發(fā)電機組在我縣屬首次,試運行后,其運行狀況良好,而且有較好的經(jīng)濟效益,為今后我縣低水頭,小容量的水輪發(fā)電機組選型設計和已建同類電站技術改造擴大選型范圍提供了很好的經(jīng)驗.4結語水輪機是水電站的主要動力設備,在水電站的設計中,正確,合理地選擇水輪機,對于充分利用水力資源,保證水電站機組的安全運行,降低電站造價以及節(jié)省運行管理費用等方面,都有直接的影響.根據(jù)各個電站的水力資源條件和綜合利用的要求,選擇技術上合理,經(jīng)濟上能獲得最大效益的水輪機,有利于電站今后的運行管理和生產(chǎn)工作的安排等,便成為水輪機選型設計的主要任務.水輪機選型涉及的技術經(jīng)濟內(nèi)容錯綜復雜,包括水力資源的綜合利用,設備的制造和安裝及運輸,土建工程,電力系統(tǒng)和用戶,電站機組運轉方式等.在選擇設計水輪機型號時必須全面考慮,進行綜合經(jīng)濟,技術比較,確定最終理想的型號.尹參考文獻1-1海陵春.水輪機選型設計(上)J.廣西電力工程,1996(3)23韓敏,羅中華.大型軸伸貫流式水輪發(fā)電機組的設計與開發(fā)J.東方電氣評論,200