小型水電站水輪機選型的探討

小型水電站水輪機選型的探討

1小型水輪機選型存在的問題隨著國家投資的增加，近年來該地區(qū)水電工程發(fā)展呈現(xiàn)出另一個高潮，各地區(qū)小型水電工程發(fā)展迅速。與大型水輪機相比,小型水輪機選型工作不易引起足夠的重視,且受市場環(huán)境影響較大。在已運行的機組中,因選型造成的問題也較多。在當(dāng)前的形勢下,如何做好小型水電站水輪機的設(shè)計選型工作,尤其是在高原地區(qū)(大部分縣、鄉(xiāng)級電站為孤立運行電站),如何提高我區(qū)小型水輪機的應(yīng)用技術(shù)水平,增加電站的運行效益,值得從事這項工作的設(shè)計人員認真研究、總結(jié)。2小型重機設(shè)計設(shè)計階段方案水輪機的選型工作,最重要的是合理確定水輪機的參數(shù)。小型水電站雖然容量不大,但其對于業(yè)主而言,其運行效益仍是至關(guān)重要的。而水輪機的性能參數(shù)是影響電站運行效益的重要因素。選擇、確定水輪機的參數(shù),有以下兩種方法:一種是根據(jù)已有的水輪機型譜和模型資料選擇水輪機;另一種是以實踐經(jīng)驗和資料為基礎(chǔ),用比轉(zhuǎn)速作為重要依據(jù),應(yīng)用統(tǒng)計比較的方法選擇,確定水輪機參數(shù)。這兩種方法運用于小型水輪機選型時,均有一定的局限性。如按照已有的型譜和模型資料選擇水輪機,常會因為掌握的資料有限,無法選擇參數(shù)較優(yōu)的機型;而根據(jù)預(yù)估算的參數(shù)選擇水輪機,則又會因為缺乏針對性,容易與小型設(shè)備生產(chǎn)廠家掌握的機型和生產(chǎn)制造技術(shù)、能力脫節(jié)。造成這種現(xiàn)象的原因,主要是小型水輪機的設(shè)計選型,受市場和廠家因素制約是很大。首先,小型電站投入少,建設(shè)周期短,生產(chǎn)廠家一般不會專為某個電站的需要而研發(fā)一個新的轉(zhuǎn)輪;其次,對于小型機組,一些掌握較多先進機型的大型設(shè)備廠家往往不感興趣,而一些主要從事小型機組制造工作的中小設(shè)備廠家因為掌握的先進機型較少,技術(shù)能力和制造水平也參差不齊。另外,一些從事設(shè)計工作的中小設(shè)計院,對水輪機的技術(shù)發(fā)展和優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪模型資料的掌握尚有欠缺,而小型電站設(shè)計投入少、時間緊,也導(dǎo)致在設(shè)計選型中,常出現(xiàn)按產(chǎn)品樣本,甚至委托廠家代為選型的情況,在西藏,這種現(xiàn)象更為普遍。針對以上情況,西藏自治區(qū)水利規(guī)劃勘測設(shè)計院在小型水輪機的設(shè)計選型上,摸索、總結(jié)了一些方法,以提高選型設(shè)計水平。具體方法如下:首先,小型水輪機的選擇,通常采用成熟技術(shù)和已運行過的機型,故設(shè)計人員平時應(yīng)注意多收集區(qū)內(nèi)各水頭段已運行的一些電站和機型資料,重點關(guān)注引進技術(shù)或新開發(fā)的一些機型資料和運行情況。其次,加強與中小水輪機生產(chǎn)廠家的溝通與聯(lián)系,了解這些廠家的技術(shù)水平和掌握機型情況。最后,調(diào)整設(shè)計思路。在可行性研究和初步設(shè)計階段,根據(jù)電站的基本參數(shù),重點加強資料的收集,尤其是對相關(guān)廠家資料和收集、摸底,在此基礎(chǔ)上,估算并確定水輪機的參數(shù)范圍,同時初步確定候選的機型和生產(chǎn)廠家;在招標(biāo)設(shè)計階段,結(jié)合水輪機組的招標(biāo)采購,配合業(yè)主對各方案進行詳細的技術(shù)經(jīng)濟比較,最終確定機型。在小型水輪機設(shè)計選型中,應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有條件盡量選擇參數(shù)優(yōu)、經(jīng)濟性好的方案,但也要避免片面追求高參數(shù)的趨向。應(yīng)重點跟蹤、了解候選機型的實際運行情況,尤其是運行的穩(wěn)定性。3根據(jù)實際情況選擇合適的水基承載體小型水輪機在交界水頭段的選擇,與大型水輪機存在著一定的差異,在具體設(shè)計、選擇時,應(yīng)注意根據(jù)現(xiàn)場實際情況,通過詳細、客觀的技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。3.1有中小型電站的檢測設(shè)備及制造難點近年來,我國燈溝貫流式水輪機發(fā)展較快,許多實際工程的運用情況證明,在水頭低于25m的情況下,燈泡貫流式水輪機同軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機相比,有非常明顯的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢。甚至有的文獻認為,在這一水頭段,前者有逐步代后者的趨勢。小型水電站采用燈泡貫流式水輪機,尚有幾個問題值得重視:3.1.1有的小型電站位于深山峽谷,河道窄,洪峰流量大,廠房下游尾水位變幅很大,設(shè)計洪水位很高。在這種條件下,如采用臥軸布置的燈泡貫流式機組,則廠房下部開挖大,其防洪土建投資較高,廠房與進廠公路的銜接也較困難,在土建投資上不具有優(yōu)勢。3.1.2燈泡貫流式機組相對制造難度較大,國內(nèi)一些中小設(shè)備廠家尚不完全具備設(shè)計、生產(chǎn)能力,也無好的轉(zhuǎn)輪模型。如盲目選用,一旦一些有實力的廠家不參與競標(biāo),將給機組的招標(biāo)采購帶來極大的困難,多數(shù)情況無法形成招標(biāo)。在有些情況下,燈泡貫流式機組投資省、效率高的優(yōu)勢不但不能體現(xiàn),反而還將在機組的供貨和質(zhì)量上存在諸多問題。3.1.3許多小型電站是引水式電站,燈泡貫流式機組GD2較小,調(diào)保要求往往難以滿足。3.1.4燈泡貫流式機組結(jié)構(gòu)形式與常規(guī)立軸機組有較大差異,運行、檢修、管理也有諸多不同,是否采用,應(yīng)征求業(yè)主單位的意見。3.2槳式水輪機比選軸流式水輪機分為轉(zhuǎn)槳式和定槳式兩種型式。在小型水電站,軸流定槳式水輪機運用較多。其主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、造價低、不存在轉(zhuǎn)輪漏油的問題。但由于結(jié)構(gòu)限制,定槳式水輪機應(yīng)用于小型水電站,問題也較多,主要是運行效率低,運行穩(wěn)定性差。我區(qū)的低水頭電站,多數(shù)為徑流式電站,水頭、流量的變化很大,這就使定槳式水輪機的運行受到很大影響,很多電站運行效益很差。例如:內(nèi)地某新建電站,選用了定槳式水輪機,電站運行后,水輪機在空載和部分負荷工況均出現(xiàn)了嚴(yán)重的振動。由于效率低,實際流量超過了設(shè)計流量,水頭損失加大,運行水頭降低,在導(dǎo)葉全開的狀態(tài)下,無法發(fā)出額定出力,使剛建成的電站面臨難以解決的損失等問題。因此,在水輪機轉(zhuǎn)輪直徑大于2.0m時,應(yīng)優(yōu)先選用軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機。在低水頭中、小電站中,采用混流式水輪機的也較普遍?；炝魇剿啓C雖然機組選價較高,但空化性能好,Hs值較大,機組安裝高程高,土建投資省。根據(jù)對一些已運行中小電站的跟蹤調(diào)查,混流式水輪機的運行穩(wěn)定性優(yōu)于軸流定槳式水輪機,在高尾水位運行時,也不存在軸流式機組常出現(xiàn)的抬機現(xiàn)象。近年來,隨著一些優(yōu)秀的軸流式水輪機轉(zhuǎn)輪模型的開發(fā)、引進,通過多個電站的比較要優(yōu)勢是加權(quán)平均運行效率高且運行穩(wěn)定;負荷調(diào)節(jié)范圍大,有利于減少裝機臺數(shù);機組選價低20%～30%;出力裕度大,其出力主要受空化條件限制,在汛期下游尾水較高時,其出力遠大于混流式水輪機。軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機的Hs值較小,土建工程量較大。為適當(dāng)抬高機組安裝高程,一般在選型時,通過適當(dāng)加大轉(zhuǎn)輪直徑,使額定工況點附近取較小的額定單位流量和空化系數(shù)。這樣即使水輪機造價高一點,但發(fā)電機的造價仍遠低于混流式機組,同時節(jié)省土建投資,機組出力裕度也較大。綜合比較,采用軸流式機組的工程總投資低于混流式機組。3.3抗磨蝕性能好80年代以前,受設(shè)計、制造、材料水平限制,我國高水頭混流式水輪機運行并不成功。在此情況下,水斗式水輪機得到了非常普遍的運用。20世紀(jì)80年代末,隨著魯布革機組的成功運行以及90年代后合資廠水輪機技術(shù)的引進,我國近年在高水頭混流式機組的設(shè)計、制造水平上取得了很大的進步。在國內(nèi)已運行或訂貨的電站中,最大運行水頭已接近或超過500m。由于采用了長、短葉片轉(zhuǎn)輪、大軸頸導(dǎo)師葉、高剛度頂蓋等一系列成熟、先進的技術(shù),高水頭混流式水輪機不但抗磨蝕性能有了較大提高,而且運行穩(wěn)定性很好。盡管混流式水輪機與水斗式水輪機比較,具有機組造價低、效率高,水頭利用充分的特點,但是否在小型高水頭電站中使用,還應(yīng)考慮以下幾方面的問題:3.3.1混流式水輪機單位流量較大,單位轉(zhuǎn)速高,當(dāng)機組容量較小時,選型時常出現(xiàn)轉(zhuǎn)速超出范圍而需加大轉(zhuǎn)輪直徑,降低轉(zhuǎn)速。但這樣會增加機組造價,同時使部分負荷運行時的效率和穩(wěn)定性較差。由于機組轉(zhuǎn)速很高,通常達到1000r/min,甚至1500r/min,使機組的加工制造難度加大,運行中出現(xiàn)問題的可能性相對較大。3.3.2在高水頭電站,混流水輪機Hs值一般為負值,機組安裝高程低,土建開挖量較大,對一些地處深山峽谷,存在高邊坡開挖和高尾水位的電站,土建投資較大。3.3.3小型高水頭電站,一般均是引水式電站,由于小型機組的GD2均較小,因此,沖擊式水輪機調(diào)節(jié)保證容易滿足。而混流式水輪機一般很難滿足要求。如通過增設(shè)調(diào)壓井、調(diào)壓閥,擴大洞(管)徑,加大GD2的方法解決,則增加的工程投資可能超過在機組造價上節(jié)省的投資。4影響小型重機械選型的因素及對策在過去相當(dāng)長一段時間,小型水電站在進行初步設(shè)計時,設(shè)計院即確定水輪機機型。工程開工后,業(yè)主根據(jù)已確定的機型進行招標(biāo)采購,其實就是各廠家針對某一個機型進行價格競爭。20世紀(jì)90年代以來,隨著我國技術(shù)引進和一些合資廠的建立,一些有實力的大廠和合資廠,陸續(xù)參與了一些小型水輪機組的設(shè)計、制造工作,這些廠家擁有一批先進的轉(zhuǎn)輪模型,掌握了較先進的設(shè)計、制造技術(shù)。因此,在一些小型水輪機組的招標(biāo)中,已不局限于價格競爭,而更多的是機組性能、生產(chǎn)能力和工藝方面的競爭,原有的在初設(shè)階段即確定機型的辦法已不能適應(yīng)市場的需要,也不利于業(yè)主獲得性價比最優(yōu)的方案。技術(shù)的引進和進步,本應(yīng)使小型水輪機的選型面臨更多的選擇,但在當(dāng)前的形勢下,仍有一些因素制約著小型水輪機的選型工作,制約在小型電站中選用較先進的機型。近年來,隨著又一個水電建設(shè)高潮的到來,水輪發(fā)電機組制造市場異?；鸨?甚至出現(xiàn)了供不應(yīng)求的局面。在此情況下,一些有實力的合資廠商由于大型水電項目都忙不出來,因此很少參與小型水電項目的建設(shè)。而一些參與小型水電站項目的小型水輪機生產(chǎn)廠家,也同樣由于生產(chǎn)飽和,雖然實際掌握的優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪模型等技術(shù)很有限,但也沒有時間和動力去引進并提高生產(chǎn)技術(shù)。這是目前在小型水輪機選型和采購中常常遇到的一種尷尬局面。在西藏,設(shè)備招標(biāo)的條件已具備,如何將水輪機選型設(shè)計與機組的招標(biāo)采購有機結(jié)合起來,盡可能獲取較優(yōu)的機型,更好地為業(yè)主服務(wù),是值得研究的問題。近年來,我院參與了部分小型水電站項目的設(shè)計工作,對這方面的問題也進行了一些有益探索,取得較好的效果,主要有以下幾方面經(jīng)驗。4.1在招標(biāo)訂貨前,針對電站的具體情況,加強與有意向生產(chǎn)廠家的溝通,了解各廠家掌握的轉(zhuǎn)輪模型、生產(chǎn)能力等各方面資料。同時,對同類電站已運行的一些較先進的機型情況也應(yīng)了解。4.2在編制招標(biāo)或訂貨技術(shù)文件時,應(yīng)先大致明確水輪機的參數(shù)范圍。但在文件中,不宜將水輪機參數(shù)限制太死,一般可采用2～3個轉(zhuǎn)速方案供廠家選擇,鼓勵廠家多方案投標(biāo)或多方考察。4.3對廠家的投標(biāo)方式靈活掌握。鼓勵廠家為獲得先進機型而采取的技術(shù)轉(zhuǎn)讓或轉(zhuǎn)輪整體分包加工方式。4.4加強與業(yè)主的配合和溝通,制定合理的評標(biāo)辦法。在投標(biāo)時,為降低報價,廠家一般均傾向于推薦轉(zhuǎn)速高,轉(zhuǎn)輪直徑小的方案。這種方案價格雖然較低,但一般Hs值小,土建投資大,運行經(jīng)濟性較差。因此,制定廉政標(biāo)辦法和評標(biāo)時,應(yīng)綜合價格、效率、電量、土建投資、運行等各方面的因素考慮,選擇最適合的方案。4.5在合同談判和簽訂技術(shù)協(xié)議時,應(yīng)嚴(yán)格落實各項條款,確保選定機型方案的順利實施。雖然目前在小型水電站選用優(yōu)秀機型存在一定困難,但通過各方面的努力,采取靈活的方式是可以實現(xiàn)的。5影響小型電站運行效能的因素小型水輪發(fā)電機組,在加工制造難度和影響力方面不能和大型機組相比,但卻是關(guān)系到電站能