引水式水电站水力机械选型设计.pdf
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1、1 2 2 S i c h u a n H y d r o p o w e r引水式水电站水力机械选型设计魏 勃 阳(大唐雅安电力开发有限公司,四川 雅安 6 2 5 5 0 0)摘 要:水力机械选型关系到水电站工程投资、安全运行、动能指标及经济效益等重大问题,正确进行水力机械选择是水电站设计中的主要任务之一。影响水电站水力机械选型设计的因素众多,本文以锅浪跷水电站工程为例,探索高坝水库引水式水电站装机方案和水力机械选型的方法,可为类似工程提供借鉴。关键词:水电站;设计;机械选型;设备布置中图分类号:TM 6 2 2;P 3 3 5+.2;S 2 1 9.0 2 文献标识码:B文章编号:1 0
2、 0 1-2 1 8 4(2 0 2 3)0 4-0 1 2 2-0 6S e l e c t i o n D e s i g n o f H y d r a u l i c M a c h i n e r y f o r D i v e r s i o n H y d r o p o w e r S t a t i o nWE I B o y a n g(D a t a n g Y a a n E l e c t r i c P o w e r D e v e l o p m e n t C o.,L t d.,Y a a n S i c h u a n 6 2 5 5 0 0)A b s
3、t r a c t:T h e s e l e c t i o n o f h y d r a u l i c m a c h i n e r y i s r e l a t e d t o t h e i n v e s t m e n t,s a f e o p e r a t i o n,k i n e t i c e n e r g y i n d e x a n d e c o n o m i c b e n e f i t o f h y d r o p o w e r s t a t i o n.C o r r e c t s e l e c t i o n o f h y d
4、r a u l i c m a c h i n e r y i s o n e o f t h e m a i n t a s k s i n t h e d e s i g n o f h y d r o p o w e r s t a t i o n.T h e r e a r e m a n y f a c t o r s a f f e c t i n g t h e s e l e c t i o n d e s i g n o f h y d r a u l i c m a c h i n-e r y i n h y d r o p o w e r s t a t i o n.T
5、a k i n g G u a n g q i a o H y d r o p o w e r S t a t i o n a s a n e x a m p l e,t h i s p a p e r e x p l o r e s t h e i n-s t a l l a t i o n s c h e m e o f h i g h-d a m r e s e r v o i r d i v e r s i o n h y d r o p o w e r s t a t i o n,w h i c h c a n p r o v i d e a r e f e r e n c e f
6、o r s i m i l a r p r o j e c t s.K e y w o r d s:H y d r o p o w e r s t a t i o n;D e s i g n;M e c h a n i c a l s e l e c t i o n;E q u i p m e n t l a y o u t1 工程概况天全锅浪跷水电站为混合式开发,坝址位于两河口下游约7 0 0 m处,厂址位于下游约1 1 k m处的傍海腔,与在建的脚基坪电站衔接。电站装机37 0 MW,年发电量7.7 8 5 5亿kWh,年利用小时数3 7 0 7 h,水库正常蓄水位1 2 8 0.0 0
7、m,总库容1.8 4亿m3,具有年调节能力1。2 主要机械设备选择2.1 额定水头的确定锅浪跷电站为高坝大库引水式电站,电站最大水头2 8 9.8 1 m,最小水头2 1 5.2 0 m,年加权平均水头2 6 3.4 5 m,汛期加权平均水头2 6 3.4 3 m。在考虑到减少受阻出力,同时兼顾水轮机最大水头机组的稳定运行,额定水头与年加权平均水头比值宜控制在0.9 51倍之间,经配合动能专业后综合比较确定额定水头为2 5 0 m。2.2 机组台数的确定本 电站装机2 1 0 MW,在电网中所占比重不收稿日期:2 0 2 3-0 7-0 6大,单机容量对系统影响不大,对装设两台和三台机组两方案
8、按HL D 3 5 8 B水轮机计算进行比较,机组台数比较见表1。表1 机组台数比较表参 数 2台3台装机容量/MW2 1 02 1 0单机容量/MW1 0 57 0额定水头/m2 5 02 5 0转轮直径/m2.9 02.3 5额定转速/rm i n-13 3 3.34 2 8.6单机流量/m3s-14 6.9 23 1.5吸出高度/m-7.5-7.1进水阀直径/m2.3 51.8 5发电机总重量/t24 6 0=9 2 0 33 0 0=9 0 0进水阀总重量/t21 1 5=2 3 038 0=2 4 0桥机重量/t2 0 71 5 5主厂房尺寸(长宽)/m5 8.02 2 5 6.01
9、 7.5尾水管底板高程/m9 7 3.39 7 5.3 0多年平均发电量/万kWh7 7 3 8 67 7 8 5 5投资差值/万元1 1 6 7年电量差值/万k Wh4 6 9补充单位电能投资/元/k Wh2.4 9第4 2卷第4期2023年8月四 川 水 力 发 电S i c h u a n H y d r o p o w e ro l.4 2,N o.4A u g.,2023S i c h u a n H y d r o p o w e r 1 2 3 比较结果表明,3台机组方案比2台机组方案多年平均电量增加4 6 9万kWh,投资亦相应增加1 1 6 7万元,补充单位电能投资为2.4
10、9元/kWh,低于2台机方案(3.8 1元/kWh),说明3台机方案比较合理。在参与系统调度和梯级电站联合运行方面,2台机组也显得不够灵活。本电站为龙头水库电站,下游几个梯级电站均为3台机组。经技术经济综合比较,确定装机3台,单机容量7 0 MW。2.3 水轮机及附属设备2.3.1 机型选择本电站运行水头2 1 5.22 8 9.8 1 m,属中高水头电站,适于装设混流式水轮机。近年来,随着高水头电站的大力开发,国内制造厂已经拥有一批较优秀的混流式水轮机转轮。模型水轮机参数比较见表2。表2 模型水轮机参数比较表转 轮 型 号HL A 5 2 0HL A 5 5 0HL D 3 5 8 BHL
11、A 3 5 1推荐使用水头Hm a x/m3 1 03 1 03 1 04 0 0叶 片 数1 5/1 51 71 71 5/1 5最优工况n 1 0/rm i n-16 3.36 5.36 1.56 6.0Q 1 0/m3s-10.2 60.3 7 30.3 1 50.2 0 90/%9 2.79 2.79 3.5 59 2.900.0 40.0 50.0 30.0 3限制工况 Q 1/m3s-10.4 1 50.4 50.4 3 50.3 2 3/%8 4.88 9.39 08 7.70.0 60.0 70.0 9 50.0 5 5 由于混流式水轮机在适应水头变幅、运行稳定性等方面的特殊性
12、,在2 5 0 m以上水头段的转轮参数水平往往有较大差异,因此,有必要根据各型水轮机模型特性曲线计算出原型水轮机主要参数(表3),并结合本电站具体情况进行深入的机型比较。表3 原型水轮机主要参数比较表转 轮 型 号HL A 5 2 0HL A 5 5 0HL D 3 5 8 BHL A 3 5 1单机容量N f/MW7 07 07 07 0额定水头H r/m2 5 02 5 02 5 02 5 0转轮公称直径D1/c m2 4 02 2 02 3 52 8 0额定转速n e/rm i n-14 2 8.65 0 04 2 8.63 7 5额定流量Q e/m3s-13 1.93 1.53 1.5
13、3 1.6额定点效率/%9 2.09 3.49 3.59 3.3额定点单位转速n1/rm i n-16 5.0 66 9.5 76 3.76 6.4 1额定点单位流量Q1/m3s-10.3 50.4 1 20.3 6 10.2 5 5额定点空化系数0.0 50.0 60.0 40.0 3 3转轮出口圆周速度u2/m/s-13 8.54 5.54 0.03 7.0额定点比转速ns/mk W1 1 5.51 3 4.81 1 5.51 0 1.1吸出高度(K=1.6 m)-1 1.1-1 5.1-7.1-4.3 通过原型水轮机参数比较,A 5 5 0转轮由于单位参数较高,转轮直径小,转速高,转轮出
14、口圆周速度大(正常参数水平值3 54 2 m/s之间),水轮机效率不算低,但空化系数大,导致厂房开挖深,不合适。A 3 5 1转轮应用水头较高,真机转速为3 7 5 r/m i n,转轮直径相比最大,主机设备投资相对最大。A 5 2 0与D 3 5 8 B两个转轮对应的原型水轮机转速相同,A 5 2 0为长短叶片转轮,经过近年来其他电站的运行,转轮运行稳定性和抗空蚀能力均表现优秀,用于本电站A 5 2 0转轮开挖深度魏勃阳:引水式水电站水力机械选型设计2 0 2 3年第4期1 2 4 S i c h u a n H y d r o p o w e r较大,转轮D 3 5 8 B转轮其额定点效率
15、高,运行范围较优。东芝水电设备公司和安德里茨水电以及东风电机厂也针对本电站作了初步的选型(装机为3台8 0 MW方案,额定水头2 5 5 m),由于资料不够详尽,这些方案仅作参考,制造厂建议方案见表4。表4 制造厂建议方案制 造 厂 名 称东芝水电安德里茨水电东风电机厂单机容量N f/MW8 08 08 0额定水头H r/m2 5 52 5 52 5 5水轮机型号HL(1 0 5)-L J-2 0 0HL(1 0 5)-L J-1 9 0HL D 3 5 8 B-L J-2 4 5叶片数1 71 5/1 51 7转轮进口直径D1/c m2 7 0.52 8 4.52 4 5转轮出口直径D2/c
16、 m2 0 01 9 01 8 6转轮出口圆周速度u2/ms-13 9.2 73 7.34 1.7 4额定转速ne/rm i n-13 7 53 7 54 2 8.6额定点效率/%9 3.6 19 4.09 3.6额定点比转速ns/mk W1 0 51 0 51 2 0.5吸出高度/m-5.0-5.4-7.4 D 3 5 8 B转轮是东方电机公司为瓦屋山电站(21 3 0 MW、水头2 2 73 0 1 m、额定水头2 5 3 m)开发的转轮,经水轮机模型试验验证及该电站实际运行的情况,该转轮在诸多方面均体现出先进性。因此,经综合技术和经济比较结果,决定以D 3 5 8 B转轮为模板开展设计工
17、作。2.3.2 额定转速的确定效率、空化性能和运行稳定性是水轮机的三大重要指标,在确定原型水轮机参数时必须充分考虑。锅浪跷电站Hm a x/Hr为1.1 5 8,水头变幅不算大,而D 3 5 8 B转轮也采用了具有负倾角的“X”叶片,能适应水头变幅大的条件,但水轮机参数也不宜选得过高,以尽量避免由于稳定性所导致的振动和裂纹等问题;另一方面,泥沙磨蚀和水流速度关系密切,对混流式水轮机主要以转轮出口圆周速度U 2反映过机流速,而U 2与转速成正比,因此,合理选择水轮机转速以减轻泥沙磨蚀的影响。由于锅浪翘水库修建后的5 0年内出库泥沙几乎为零,水流可视为清水出库。机组在清水中运行,根据上面比较结果,
18、D 3 5 8 B转轮推荐采用4 2 8.6 r/m i n方案。2.3.3 原型水轮机参数的确定根据D 3 5 8 B转轮模型综合特性曲线2,初步确定原型水轮机参数如下:水轮机型号 HL D 3 5 8 B-L J-2 3 5额定出力N 7 1.8 MW转轮直径D1 2.3 5 m额定转速n e 4 2 8.6 r/m i n额定流量Q e 3 1.5 m3/s额定效率 9 3.5%额定点单位转速n1 6 3.7 r/m i n额定点单位流量Q1 0.3 6 1 m3/s额定点比转速ns 1 1 5.5 mkW额定点比速系数K 1 8 2 6额定点临界空化系数s 0.0 4水轮机吸出高度H
19、s-7.1 m2.3.4 水轮机主要附属设备2.3.4.1 进水阀型式及参数本电站为一管三机的引水系统,每台水轮机前均应装设进水阀。水力发电厂机电设计规范D L/T 5 1 8 6-2 0 0 4中规定:最大水头在2 5 0 m及以上的水电厂宜选用球阀。蜗壳进口断面直径为1 8 4 7 mm,选择球阀直径为1 8 5 0 mm。球阀型号 Q F 2 9 9-WY-1 8 5公称直径 1.8 5 m承受的最大静水头 2 9 9 m设计压力 4.0 MP a额定工作油压 6.3 MP a配套油压装置 HY Z-2.5-6.32.3.4.2 调速器及油压装置的型式和参数调速系统压力等级为6.3 MP
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