中高水頭水輪機(jī)機(jī)型選擇及參數(shù)設(shè)計

1工程概況

元根一級水電站位于鐵廠河干流與干海子溝交匯處的元根地(1#廠址),流域面積為282.36km2,電站廠房尾水位為3019m,利用落差274m。下鋪?zhàn)又辽箱佔(zhàn)影登?1#暗渠)長1.15km,上鋪?zhàn)又猎厮矶?1#隧洞)長5.82km,干海子至元根地隧洞(2#隧洞)長4.25km,木灣子至干海子隧洞(3#隧洞)長2.42km,壓力管道長0.66km,設(shè)計引用流量為9.02m3/s,電站無調(diào)節(jié)能力。電站總裝機(jī)容量2×10Mw,年平均發(fā)電量9176.3萬kw·h,年利用小時4588h。本電站主要開發(fā)為發(fā)電,電站出線電壓等級為110kV,一回出線。

電站樞紐主要由底格欄柵壩、前池溢流道、引水隧洞、壓力鋼管、發(fā)電廠房建筑物等組成。其中,引水系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的"一管兩機(jī)"布置,每根支管設(shè)置進(jìn)水球閥。

元根一級水電站最大水頭272.1m,最小水頭261.7m,額定水頭264.8m,加權(quán)平均水頭266.9m。

2水輪機(jī)機(jī)型選擇

元根一級水電站水頭范圍為261.7~272.1m,裝機(jī)容量20Mw,裝機(jī)臺數(shù)2臺,根據(jù)設(shè)計手冊及相關(guān)規(guī)范規(guī)定,可供選擇的機(jī)型有沖擊式水輪機(jī)及混流式水輪機(jī)兩種。在本電站設(shè)計階段,對上述兩種機(jī)型的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等各方面進(jìn)行了比較。

2.1投資及制造難度分析

從機(jī)組投資角度分析,沖擊式方案的原型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑大,額定轉(zhuǎn)速低,對應(yīng)的發(fā)電機(jī)機(jī)座號大,由于轉(zhuǎn)輪直徑偏大,降低了轉(zhuǎn)輪的制造加工難度,卻增加了機(jī)組整體重量,進(jìn)而增加了機(jī)組造價。而混流式機(jī)組在本電站的運(yùn)行水頭范圍內(nèi),國內(nèi)水輪機(jī)制造廠具有成熟的技術(shù)經(jīng)驗(yàn),設(shè)計制造簡單,因其轉(zhuǎn)輪偏小,轉(zhuǎn)速偏高,機(jī)組整體重量較輕,機(jī)組造價低。因此,在投資及制造難度方面,混流式水輪發(fā)電機(jī)組整體優(yōu)于沖擊式水輪機(jī)組。

2.2機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性分析

沖擊式機(jī)組具有雙重調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu),壓力上升值和機(jī)組轉(zhuǎn)速上升值容易控制在較低范圍內(nèi),使得機(jī)組具有較好的調(diào)節(jié)性能,尤其是對于長引水管道的電站,在運(yùn)行穩(wěn)定性方面較混流式機(jī)組更具有優(yōu)勢。同時,沖擊式水輪機(jī)能在額定出力的25%~100%范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行,而混流式水輪機(jī)的額定出力范圍則為45%~100%,故沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行范圍大,運(yùn)行調(diào)度靈活性較好,混流式水輪發(fā)電機(jī)組不具優(yōu)勢。

2.3機(jī)組運(yùn)行維護(hù)分析

對于中低水頭段水電站,上述兩種機(jī)型的水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)均比較成熟,但混流式水輪機(jī)過流部件的流態(tài)較為復(fù)雜,其泥沙磨損和氣蝕破壞比沖擊式水輪機(jī)嚴(yán)重。而沖擊式水輪機(jī)在大氣中運(yùn)行,氣蝕磨損輕,且氣蝕磨損多集中在噴針、噴嘴和沖擊等部件,檢修或更換零部件比較方便,檢修裝拆工作量較混流式水輪機(jī)小。

綜上所述,在投資、制造難度、運(yùn)行穩(wěn)定性及維護(hù)等各方面,沖擊式水輪機(jī)和混流式水輪機(jī)各具優(yōu)缺點(diǎn)。

在該電站前期設(shè)計階段,對這兩種機(jī)型均進(jìn)行了選擇計算,結(jié)果如表1所示。

由表1可知,采用混流式機(jī)組具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)混流式機(jī)組尺寸小,機(jī)組轉(zhuǎn)速高,機(jī)組整體造價比沖擊式機(jī)組少20%左右。

(2)混流式機(jī)組的能量指標(biāo)較高,其額定效率比沖擊式機(jī)組高1.5%。

(3)額定工況下,滿負(fù)荷出力時,混流式機(jī)組流量可比沖擊式機(jī)組少4%。

(4)由于廠房開挖深度大,導(dǎo)致混流式機(jī)組可多利用電站水頭約7m,同時還可回收部分尾水管動能。

(5)由于沖擊式水輪機(jī)沖擊受到交變沖擊負(fù)荷,易產(chǎn)生疲勞,引起沖擊斷裂甚至飛斗現(xiàn)象,給電站的安全運(yùn)行造成隱患。

綜合上述所進(jìn)行的兩種機(jī)型的制造難度、運(yùn)行穩(wěn)定性、運(yùn)行維護(hù)等方面進(jìn)行分析,兩種機(jī)型相差不大,但沖擊式機(jī)組的安裝高程較高,同時也減少了水頭利用率。結(jié)合目前中高水頭水電站建設(shè)經(jīng)驗(yàn),對于300m左右水頭段的中高水頭水電站,兩種類型的機(jī)組運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)均比較成熟,如表2所示,該電站最終推薦采用混流式水輪機(jī)。

3混流式水輪機(jī)主要參數(shù)

3.1轉(zhuǎn)輪型號

該電站水頭范圍為261.7~272.1m,適用于該水頭段的混流式轉(zhuǎn)輪型號主要有HLD381B、HLA351、HLA542、HLA543,其轉(zhuǎn)輪參數(shù)如表3所示。

從表3可知,HLD381B轉(zhuǎn)輪在該電站的使用效率、空蝕性能都是最優(yōu),同時,該轉(zhuǎn)輪具有15片葉片,其水力性能好,在小流量工況下能避免流道中產(chǎn)生回流,加大了機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性。由于葉片的受壓面積增加,使得葉片單位面積負(fù)荷減輕,葉片正、背面壓差減少,使得機(jī)組不僅效率高,空蝕性能和穩(wěn)定性也更容易得到保證。故該電站推薦采用HLD381B型號的轉(zhuǎn)輪。

3.2轉(zhuǎn)輪直徑、轉(zhuǎn)速

3.2.1轉(zhuǎn)輪直徑的選取

反擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑D1可根據(jù)公式進(jìn)行計算：

式中,Nf為發(fā)電機(jī)額定功率,取10000kw:Q1'為設(shè)計工況下單位流量,取0.155m3/s:Hsj為設(shè)計水頭,取264.8m:7T為原型水輪機(jī)效率,92.5%:7f為原型發(fā)電機(jī)效率,97%。

將上述數(shù)據(jù)代入式)1),可得D1=1.30m。

3.2.2額定轉(zhuǎn)速的選取

水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速應(yīng)按發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速選取,其計算公式為：

式中,n1'為單位轉(zhuǎn)速,取56.98r/min:Hpj為加權(quán)平均水頭,266.9m:D1為轉(zhuǎn)輪直徑,1.30m。

將上述數(shù)據(jù)代入式)2),可得n=716.0r/min,因國內(nèi)電網(wǎng)頻率為50Hz,故可選額定轉(zhuǎn)速為750r/min。則水輪機(jī)型號為(HLD381B-LJ-130。

4安裝高程的確定

混流式機(jī)組安裝高程V安主要取決于水輪發(fā)電機(jī)組的吸出高度Hs、最低尾水水位V尾及導(dǎo)葉高度b0。其計算公式為：

將上述數(shù)據(jù)分別代入式)3)、式)4),可得(Hs≤1.88m:V安=3019.98m。

5結(jié)語

本文通過對300m左右水頭段內(nèi)水輪機(jī)機(jī)型進(jìn)行比較,可得出在此水頭段內(nèi)選擇沖擊式水輪機(jī)雖可減少電站開挖工程量及維護(hù)、檢修工作量,但機(jī)組在設(shè)計制造水平、設(shè)備重量、及相應(yīng)的投資等方面不如混流式水輪機(jī)具有優(yōu)勢,故水頭在300m左右、機(jī)組容量較大的情況下,水電站的水輪機(jī)應(yīng)選用混流式水輪機(jī)為宜。