老龍口水利樞紐工程中混流式與軸流式水輪發(fā)電機組的選擇

老龍口水利樞紐工程中混流式與軸流式水輪發(fā)電機組的選擇

混合水流發(fā)生器的應(yīng)用具有高水位和大面積、結(jié)構(gòu)簡單、運營可靠、效率高等特點。它是現(xiàn)代應(yīng)用最廣泛的節(jié)水設(shè)備之一。水源通常為20.70m。軸流式水輪機包括定槳式結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)槳式結(jié)構(gòu),定槳式結(jié)構(gòu)簡單,但它在偏離設(shè)計工況時效率會急劇下降,適用于功率不大及水頭變化幅度較小的電站,一般水頭范圍3～50m;轉(zhuǎn)槳式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,它通過槳葉的轉(zhuǎn)動與導(dǎo)葉的轉(zhuǎn)動相互配合,實現(xiàn)導(dǎo)葉與槳葉的雙重調(diào)節(jié),擴大了高效區(qū)的出力范圍,有較好的運行穩(wěn)定性,其平均效率比混流式水輪機高,缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜,空蝕系數(shù)(動力真空與水頭之比值)較大,且懸臂的槳葉強度有限,適用水頭一般為3～80m。一般將處于適用于兩種水輪機的水頭范圍稱為交界水頭。在水電工程的設(shè)計過程中,經(jīng)常遇到處于交界水頭的實例。根據(jù)電站的水頭范圍、引水形式,合理地選擇處于交界水頭下電站的水輪機型式,充分利用水力資源,最大限度地發(fā)揮經(jīng)濟效益,是工程設(shè)計工作的目標。1電站壓力構(gòu)造老龍口水利樞紐工程位于吉林省琿春市境內(nèi)的琿春河上,是以防洪、供水為主,兼顧灌溉、發(fā)電的綜合利用的大型水利樞紐工程。電站總裝機19.2MW,其中單機容量8.0MW的立軸機組兩臺,單機容量3.2MW的立軸機組一臺。水庫為不完全年調(diào)節(jié)水庫,保證出力1.93MW,多年平均發(fā)電量5199.1×104kW·h,年利用小時數(shù)2708h。電站建成后加入電力系統(tǒng)運行。電站為引水式,由一條長約370m直徑6.70m的壓力隧洞從水庫引水。隧洞在廠房前分岔成兩條直徑3.60mm、一條直徑2.50m的支管引至主廠房。電站運行水頭范圍16.12～30.14m,處于混流式與軸流式交界水頭。2設(shè)計收水位和總水勢(1)水位。上游水位:正常蓄水位109.00m;校核洪水位(P=0.05%)119.2m;設(shè)計洪水位(P=1%)115.94m;死水位99.00m;下游水位:校核洪水位(P=0.05%)87.65m;設(shè)計洪水位(P=1%)86.60m;正常尾水位(Q=94.30m3/s時)81.33m,最低尾水位Q=20m3/s時(一臺大機發(fā)50%出力)80.70m;Q=17.52m3/s時(一臺小機發(fā)滿出力)80.62m。(2)水頭。最大凈水頭30.14m;最小凈水頭16.12m;加權(quán)平均水頭24.06m;設(shè)計水頭23.5m。(3)水庫性能。有效庫容9761.15萬m3;死庫容6731.75萬m3;總庫容36743.71萬m3;水庫調(diào)節(jié)性能不完全年調(diào)節(jié)。(4)流量。電站多年平均流量33.42m3/s;正常發(fā)電流量92.02m3/s。3推廣應(yīng)用調(diào)壓井方案在電站工程設(shè)計中,選定的水輪機的型式在滿足自身技術(shù)性、經(jīng)濟性的前提下,還需滿足整個工程的技術(shù)、經(jīng)濟性指標。老龍口水利樞紐工程電站是一管多機的引水式電站,水頭不高,水輪機型式的優(yōu)化選擇是結(jié)合壓力引水系統(tǒng)是否設(shè)置調(diào)壓井方案比選進行的。設(shè)置調(diào)壓井方案,壓力引水隧洞洞徑5.70m;不設(shè)置調(diào)壓井方案,壓力引水隧洞洞徑6.70m。6.70m方案投資比5.70m方案投資少200萬元,確定采用不設(shè)置調(diào)壓井方案。電站裝設(shè)了一臺小機,因其容量較小,對整個電站工程總投資影響不大。本文針對大機型式進行分析。4《工程》工程本工程水頭范圍16.12～30.14m,變化幅度是比較大的,軸流定槳式機組不適用于本工程。因此,設(shè)計時對采用混流式機組和軸流轉(zhuǎn)槳式機組進行了技術(shù)、經(jīng)濟比較。為達到技術(shù)比較的同步性,確定了兩種轉(zhuǎn)輪模型在現(xiàn)有科技水平下均具有較高效率的原則,立軸混流式水輪機模型轉(zhuǎn)輪采用HLD260B、軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機模型轉(zhuǎn)輪采用ZZK408作為代表。4.1轉(zhuǎn)輪最優(yōu)工況點效率比較水輪機模型轉(zhuǎn)輪及其參數(shù)對比見表1。HLD260B模型轉(zhuǎn)輪最優(yōu)工況點效率93.5%,ZZK408模型轉(zhuǎn)輪最優(yōu)工況點效率93.3%,兩者很接近。在設(shè)計工況點,兩種模型轉(zhuǎn)輪的效率均為93.2%。4.2原型回報水裝置的技術(shù)經(jīng)濟比較(1)生成的機組和工況從選型設(shè)計角度來說,由于軸流轉(zhuǎn)槳水輪機能適應(yīng)水頭與負荷變化,高效率區(qū)寬,為有效地減小原型水輪機直徑,降低水輪發(fā)電機組造價,水輪機額定水頭工況點的單位流量由Q′宜取大些,以達到最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟指標。對于ZZK408轉(zhuǎn)輪,Q′取1.60左右比較適宜。本工程大機單機容量8.0MW,相應(yīng)地原型水輪機直徑D1為2.30m。但由于軸流轉(zhuǎn)槳式機組結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在直徑小于2.50m后,不僅制造困難,而且水輪機的強度和剛度也不易保證。設(shè)計過程中對制造難度、汽蝕性能等方面進行綜合分析后,確定單位流量為1.26m3/s,原型水輪機直徑D1為2.50m。設(shè)計工況點接近最優(yōu)工況點,這樣既解決了制造難度的問題,又提高了原型水輪機的汽蝕性能,同時減少了電站廠房的開挖量,是合適的。根據(jù)HLD260B轉(zhuǎn)輪在國內(nèi)電站已經(jīng)使用的經(jīng)驗和因避免空蝕所需的開挖深度進行分析,確定其Q1′=1.31m3/s,相應(yīng)地原型水輪機直徑D1為2.45m。(2)hs和安裝高程本設(shè)計轉(zhuǎn)輪用不銹鋼材質(zhì),混流式機組K值取用1.20,軸流式機組K值取用1.25。根據(jù)額定水頭計算Hs值,并用最大、最小水頭校核。Hs值按下式計算:式中Hs理論吸出高度;▽—水電站海拔高程;σm—模型轉(zhuǎn)輪汽蝕系數(shù);H—水頭;K—裝置汽蝕系數(shù)與模型汽蝕系數(shù)比。理論吸出高度對比表見表2。水輪機名義吸出高度Hs′的確定:根據(jù)以往的統(tǒng)計資料來看,許多已運行電站的汽蝕情況較為嚴重,因此確定Hs′在Hs基礎(chǔ)上留出0.8m的安全裕量。則HLD260B-LJ-245水輪機Hs′=+4.12m,ZZK408-LH-250水輪機Hs′=-5.00m。水輪機安裝高程(導(dǎo)水葉中心)按下面公式計算:混流式水輪機安裝高程▽E:▽E=▽尾+Hs+b0/2;軸流式水輪機安裝高程▽E:▽E=▽尾+Hs+XD1;一臺機組發(fā)50%出力時,下游尾水位▽尾=80.70m。計算的HLD260B-LJ-245水輪機安裝高程▽E=84.37m,結(jié)合壓力引水隧洞、電站廠房處工程地質(zhì)情況,確定▽E=80.80m,實際的Hs′=-0.35m;尾水管底板高程73.92m。ZZK408-LH-250:▽E=75.80m,尾水管底板高程69.30m。采用ZK408-WJ-250較采用HLD260B-LJ-245挖深多4.63m。廠房平面尺寸及各部高程對比見表3。兩種原型水輪機技術(shù)經(jīng)濟比較見表4。(3)水輪發(fā)電機組分析表3及表4。HLD260B原型轉(zhuǎn)輪直徑2.45m,采用金屬蝸殼;配套發(fā)電機SF8000-36/5500,極數(shù)多;水輪發(fā)電機組整體較重,設(shè)備投資較多。ZZK408原型轉(zhuǎn)輪直徑2.50m,采用混凝土蝸殼,重量略輕;配套發(fā)電機SF8000-24/5500,極數(shù)少,水輪發(fā)電機組整體較輕,設(shè)備投資較少,混流式機組多196.94萬元。采用HLD260B-LJ-245水輪機,廠房寬度較大;采用ZZK408-WJ-250水輪機,廠房寬度較小,但挖深較大?；炝魇綑C組少72萬元。在總投資方面,采用混流式機組投資多34.94萬元。在多年平均電能方面,采用ZZK408-WJ-250水輪機較采用HLD260B-LJ-245水輪機每年多發(fā)電30.5萬kW·h,年增加發(fā)電效益8.54萬元。從廠房及機電設(shè)備投資上看,采用軸流轉(zhuǎn)槳機組比較合適。4.3機組防飛逸措施調(diào)節(jié)保證計算是研究機組突然改變較大負荷時調(diào)節(jié)系統(tǒng)的過渡過程的特性,計算機組的轉(zhuǎn)速變化和壓力輸水系統(tǒng)的壓力變化,選定導(dǎo)水機構(gòu)合理的調(diào)節(jié)時間和啟閉規(guī)律,目的是解決壓力輸水系統(tǒng)水流慣性、機組轉(zhuǎn)動慣量和調(diào)整特性三者之間的關(guān)系,使水擊壓力、和轉(zhuǎn)速上升值均在允許范圍內(nèi),最終達到水工建筑物和機組既經(jīng)濟合理,又安全可靠。規(guī)范規(guī)定,額定水頭40m以下的電站,機組甩全負荷時,最大轉(zhuǎn)速上升率宜小于55%,蝸殼末端最大壓力上升相對值不大于70%,尾水管進口處最大真空度宜不大于78.4532kPa。兩種型式機組防飛逸措施是不同的:混流式水輪機采用金屬蝸殼,蝸殼前設(shè)置進水閥門作為機組防飛逸措施;軸流式機組采用混凝土蝸殼,支管經(jīng)圓變方后與蝸殼相連,在隧洞進口處設(shè)置快速閘門作為機組防飛逸措施。采用不同機型壓力引水系統(tǒng)的管道特性:混流式機組,當額定水頭Hr=23.50m,3臺機組發(fā)額定出力時,大機∑LV=1085.2m2/s,小機∑LV=1124.5m2/s;軸流式機組:當額定水頭Hr=23.50m,3臺機組發(fā)額定出力時,大機∑LV=1003.8m2/s,小機∑LV=1054.5m2/s。根據(jù)此特性值進行的調(diào)節(jié)保證計算結(jié)果顯示,導(dǎo)葉采用兩階段關(guān)閉規(guī)律,同時,發(fā)電機的轉(zhuǎn)動慣量GD2要增大到不小于1000t·m2。在水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)速已定的情況下,增大轉(zhuǎn)動慣量GD2措施是加大水輪發(fā)電機的機座號。由于軸流轉(zhuǎn)槳式機組轉(zhuǎn)速較高,發(fā)電機磁極數(shù)少,自身的重量低,轉(zhuǎn)動慣量最多增加到700t·m2,加大到1000t·m2以上在電機的設(shè)計、制造技術(shù)上無法實現(xiàn)。而采用混流式機組是可以實現(xiàn)的。如果采用軸流轉(zhuǎn)槳式機組,解決的措施是加大引水隧洞的洞徑,經(jīng)過計算,洞徑為7.2m。加大壓力引水隧洞的洞徑,致使投資增加,增加幅度大大超過節(jié)省的電站廠房及機電設(shè)備投資和年平均發(fā)電量增加的效益。采用混流式機組調(diào)節(jié)保證計算結(jié)果:(1)導(dǎo)葉開度關(guān)閉方案導(dǎo)葉第一段關(guān)閉時間5.40s,導(dǎo)葉開度從此水頭額定出力對應(yīng)的開度關(guān)閉到55%開度,第二段關(guān)閉時間9.0s,導(dǎo)葉開度關(guān)閉從55%開度到全關(guān)。額定水頭情況:3號機機組最大速率上升βmax=53.2%,蝸殼末端最大壓力上升ξ=58.8%;2號機機組最大速率上升βmax=52.9%,蝸殼末端最大壓力上升ξmax=57.8%。最大水頭情況:3號機機組蝸殼末端最大壓力上升ξmax=51.8%;2號機機組蝸殼末端最大壓力上升ξmax=50.8%。(2)分段關(guān)閉時間導(dǎo)葉第一段關(guān)閉時間5.40s,導(dǎo)葉開度從此水頭額定出力對應(yīng)的開度關(guān)閉到55%開度,第二段關(guān)閉時間9.0s,導(dǎo)葉開度關(guān)閉從55%開度到全關(guān)。額定水頭情況:機組最大速率上升βmax=53.2%,蝸殼末端最大壓力上升ξmax=56.9%。最大水頭情況:蝸殼末端最大壓力上升ξmax=50%。機組蝸殼壓力上升值、轉(zhuǎn)速上升滿足規(guī)程規(guī)范要求。4機電設(shè)備投資及發(fā)電機轉(zhuǎn)動慣量投資從模型參數(shù)上看,兩種機型都具備較高的效率,較好的過流能力。相對于混流式機組來說,軸流轉(zhuǎn)槳機組具備較高的單位比轉(zhuǎn)速,但汽蝕性能明顯劣于混流式機組;在經(jīng)濟指標上,采用軸流轉(zhuǎn)槳機組的電站廠房及機電設(shè)備投資略省,年平均發(fā)電量略高。但結(jié)合調(diào)節(jié)保證計算,由于軸流轉(zhuǎn)槳式機組