老龙口水利枢纽工程电站水轮机选型设计.doc

老龙口水利枢纽工程电站水轮机选型设计李朝晖（吉林省水利水电勘测设计研究院 吉林 长春130021）【摘要】 本文通过老龙口水利枢纽工程水轮机选型设计过程，本着从工程总体出发的原则，在保证技术先进性与安全性、经济合理性的前提下，总结了一管多机引水的中低水头电站的水轮机选型特点。【关键词】老龙口水利枢纽工程 交界水头 混流式 轴流式1引言水电站的分类方式很多，如按工作水头分为低水头、中水头和高水头水电站；按其组成建筑物及其特征，分为坝式、河床式及引水式三种典型布置型式。坝式、河床式及引水式水电站各具特点，有时它们之间却难以明确划分。从水电站建筑物及其特征的观点出发，一般把引水式开发及筑坝引水混合式开发的水电站统称为引水式水电站。河床式水电站的特点是：位于河床内的水电站厂房本身起挡水作用，从而成为集中水头的挡水建筑物之一。老龙口水利枢纽工程位于吉林省珲春市境内的珲春河上，是以防洪、供水为主，兼顾灌溉、发电的综合利用的大型水利枢纽工程。工程主体由挡水土坝、溢洪道、鱼道、压力引水发电隧洞、电站厂房等组成。电站水头范围为16.12m30.14m，属于中低水头，是一座筑坝引水混合式开发的引水式电站。总装机19.2MW，其中单机容量8.0MW的立轴机组两台，单机容量3.2MW的立轴机组一台。水库为不完全年调节水库，保证出力1.93MW，多年平均发电量5199.1104kWh，年利用小时数2708h。电站建成后加入电力系统运行。2 老龙口水利枢纽工程选型设计水轮机分为混流式、轴流式、贯流式、斜流式、水斗式等几种类型。一般地，混流式水轮机适用水头为20700m，轴流式水轮机适用水头为380m，贯流式水轮机适用水头为320m，斜流式水轮机适用水头为40120m，水斗式水轮机适用水头为1001700m。一般地，我们将处于适用于两种水轮机的水头范围称为交界水头。老龙口水利枢纽工程电站的水头范围处于混流式和轴流式交界水头。混流式水轮机特点是应用水头较高，范围较大，结构简单，运行可靠，效率高（但由于叶片固定，负荷变化较大时，效率显著下降），是现代应用最广泛的水轮机之一。轴流式水轮机包括定桨式结构和转桨式结构。定桨式结构简单，但它在偏离设计工况时效率会急剧下降，适用于功率不大及水头变化幅度较小的电站，一般水头范围350m。转桨式结构较复杂，它通过桨叶的转动与导叶的转动相互配合，实现导叶与桨叶的双重调节，扩大了高效区的出力范围，有较好的运行稳定性，其平均效率比混流式水轮机高，缺点是结构复杂，空蚀系数(动力真空与水头之比值)较大，且悬臂的桨叶强度有限。陕西省石门水电站的水轮机最大水头77m，是我国水头最高的转桨式水轮机。2.1电站基本参数2.1.1水位 上游水位正常蓄水位109.00m；校核洪水位（P=0.05）119.21m；设计洪水位（P=1）115.94m；死水位99.00m。 下游水位校核洪水位（P=0.05）：87.65m；设计洪水位（P=1）：86.60m；正常尾水位（Q=92.02m3/s时）：81.33m，最低尾水位Q=20m3/s时（一台大机发50%出力）80.70m；Q=15.50m3/s时(一台小机发满出力)：80.62m2.1.2水头最大净水头30.14m；最小净水头16.12m；加权平均水头24.06m；设计水头23.5m2.1.3水库性能水库调节性能为不完全年调节，有效库容9761.15万m3；死库容6731.75万m3；总库容36743.71万m3。2.1.4流量电站多年平均流量：33.42m3/s；正常发电流量92.02m3/s。2.2水轮机型式的优化选择根据老龙口水利枢纽工程电站一管多机引水、水头不高的特点，为保证工程的安全性和经济性，确定了水轮机的选型原则是：通过调节保证计算，结合压力引水洞径的方案比选、是否设置调压井方案比选进行优化；选定的水轮机的型式技术指标要好。调压井及压力引水隧洞洞径的方案比选结果为：设置调压井方案，压力引水隧洞洞径5.70m；不设置调压井方案，压力引水隧洞洞径6.70m。6.70m方案投资比5.70m方案投资少200万元，确定采用不设置调压井方案。电站装设了一台小机，因其容量较小，对整个电站工程总投资影响不大，经对水轮机的机械效率、气蚀性能、安装高程等几方面论证采用了混流式机组。本文针对大机型式进行分析。2.2.1水轮机型式比较本工程水头范围16.12m30.14m，变化幅度是比较大的，轴流定桨式机组不适用于本工程。因此，设计时对采用混流式机组和轴流转桨式机组进行了技术、经济比较。为达到技术比较的同步性、可比性，确定了两种转轮模型在现有科技水平下均具有较高的效率的原则，立轴混流式水轮机模型转轮采用HLD260B、轴流转桨式水轮机模型转轮采用ZZK408作为代表进行比选。 水轮机模型转轮及其参数对比水轮机模型转轮及其参数对比见表-1。HLD260B模型转轮最优工况点效率93.5，ZZK408模型转轮最优工况点效率93.3，两者很接近。在设计工况点，两种模型转轮的效率均为93.2。 原型水轮机技术经济比较表-1 水轮机模型转轮参数对比表水轮机型式混流式轴流式转轮型号HLD260BZZK408最优工况10（L/S）1250122010，r/min79.3132.10，93.593.300.160.48设计工况1（L/S）13101260，93.293.2m0.170.48s，mkW294448.4 水轮机基本参数的选取电站平均水头Hp=24.06m，水轮机额定水头Hr按（0.91.0）Hp计算，确定Hr为23.50m。设计工况点的选取：从选型设计角度来说，由于轴流转桨水轮机能适应水头与负荷变化，高效率区宽，为有效地减小原型水轮机直径，降低水轮发电机组造价，水轮机额定水头工况点的单位流量由宜取大些，以达到最优的技术经济指标。对于ZZK408转轮，取1.60m3/s左右比较适宜。本工程大机单机容量8.0MW，不大，当取=1.60m3/s时，原型水轮机直径D1为2.30m。但由于轴流转桨式机组结构复杂，在直径小于2.50m后，不仅制造困难，而且水轮机的强度和刚度也不易保证。设计过程中对制造难度、汽蚀性能等方面进行综合分析后，确定单位流量为1.26m3/s，相应地原型水轮机直径D1为2.50m。设计工况点接近最优工况点，这样既解决了制造难度的问题，又提高了原型水轮机的汽蚀性能和吸出高度，减少了电站厂房的开挖量，是合适的。对于混流式水轮机单位流量的选取，我国的设计理论是取在5%出力限制线上。但在实际运行中，由于干扰因素较多，按理论上讲的和水轮机特性曲线上计算的开度可能达不到理想的效果，因此在选择时留有一定的余量，同时结合HLD260B转轮在国内电站运行的经验，确定其1=1.31m3/s，相应地原型水轮机直径D1为2.45m。 水轮机汽蚀性能及安装高程比较本设计转轮采用不锈钢材质，根据额定水头计算Hs值，并用最大、最小水头校核。Hs值按下式计算：Hs=10-/900-KHK：装置汽蚀系数与模型汽蚀系数之比。混流式机组K值取用1.20，轴流式机组K值取用1.25。表-2 理论吸出高度对比表转轮K模型汽蚀系数m理论吸出高度HsHmaxHrHminHmaxHrHminHLD260B-LJ-2451.200.080.170.22+7.02+5.12+5.74ZZK408-LH-2501.250.300.480.65-1.39-4.20-3.29Hs的确定：根据以往的统计资料来看，许多已运行电站的汽蚀情况较为严重，因此确定Hs在Hs基础上留出0.8m的安全裕量。则HLD260B-LJ-245水轮机Hs=+4.12m，ZZK408-LH-250水轮机Hs=-5.00m。水轮机安装高程（导水叶中心）E在满足空蚀要求的前提下，还必须满足尾水管出口上缘淹没0.51.0m要求。E按下面公式计算：混流式水轮机：E=尾+ Hs+b0/2轴流式水轮机：E=尾+ Hs+xD1一台机组发50%出力时，下游尾水位尾=80.70m。对于HLD260B-LJ-245水轮机，按空蚀要求控制，其安装高程E=84.37m，按尾水管出口上缘淹没0.51.0m要求控制，安装高程E=82.0m。由于本工程电站厂房处地势较低，开挖后填方量较大，综合考虑后，适当降低了安装高程，最终确定E=80.80m，实际的Hs=-0.35m；尾水管底板高程73.92m。ZZK408-LH-250水轮机安装高程受空蚀要求控制，E=75.80m，尾水管底板高程69.30m。采用ZZK408-WJ-250较采用HLD260B-LJ-245挖深多4.63m。厂房平面尺寸及各部高程对比见表-3。两种原型水轮机技术经济比较见表-4。表-3 厂房平面尺寸及各部高程对比表 单位：m机型高程平面尺寸尾水管底板高程安装高程水轮机层高程发电机层高程起重机轨顶高程机组间距厂房总长度厂房宽度HLD260B-LJ-24573.93280.8083.3080.8098.8012.5053.5017.52ZZK408-LH-25069.3075.8078.7082.9090.9011.5048.5014.52表-4 原型水轮机技术经济比较项目名称HLD260BZZK408项目名称HLD260BZZK408单机容量，kW83338333单台水轮机重量，t8983额定水头，m23.5023.50单台发电机重量，t156.5126.0水轮机直径，m2.452.50单台水轮机价格，万元301.36281.04额定转速，r/min166.7250单台发电机价格，万元456.1367.2额定流量，m3/s38.2637.30水轮发电机组总价，万元1514.921296.48单位转速，r/min84.20132.1进水阀及其附属设备348.5无单位流量，m3/s1.311.26隧洞进口快速闸门及其启闭设备无370.00额定点效率，%94.593.2机电设备总投资，万元1863.421766.48最高效率，%94.893.2厂房土建总投资，万元13701432空蚀系数m0.170.48厂房及机电设备总投资估算，万元3233.423198.48吸出高度Hs，m+4.12-4.62厂房及机电设备总投资差价，万元0-34.94比转速ns，mkW294448.4多年平均电能，万kWh5199.15230.6 经济分析比较分析表-3及表-4。a. 设备投资对比：HLD260B原型转轮直径2.45m，采用金属蜗壳；配套发电机SF8000-36/5500，极数多；水轮发电机组整体较重，设备投资较多。ZZK408原型转轮直径2.50m，采用混凝土蜗壳，重量略轻。配套发电机SF8000-24/5500，极数少，水轮发电机组整体较轻，设备投资较少。轴流式机组少196.94万元。b. 厂方土建投资对比：采用HLD260B-LJ-245水轮机，厂房宽度较大；采用ZZK408-WJ-250水轮机，厂房宽度较小，但挖深较大。轴流式机组多72万元。在电站厂房土建投资及机电设备投资方面，采用混流式机组投资多34.94万元。c. 多年平均电能：采用ZZK408-WJ-250水轮机较采用HLD260B-LJ-245水轮机每年多发电30.5万kWh，年增加发电效益8.54万元。从厂房及机电设备投资上看，采用轴流转桨机组比较合适。这里不妨作个假定：若是河床式电站，两种机型均采用混凝土蜗壳，流道进口均设置快速闸门，采用轴流转桨式机组的优势更加明显，机电设备投资少218.44万元，按运行25年计算，可增加发电效益213.万元。 调节保证计算调解保证计算是研究机组突然改变较大负荷时调节系统的过渡过程的特性，计算机组的转速变化和压力输水系统的压力变化，选定导水机构合理的调节时间和启闭规律，目的是解决压力输水系统水流惯性、机组转动惯量和调整特性三者之间的关系，使水击压力、和转速上升值均在允许范围内，最终达到水工建筑物和机组既经济合理，又安全可靠。规范规定，额定水头40m以下的电站，机组甩全负荷时，最大转速上升率宜小于55%，蜗壳末端最大压力上升相对值不大于70%，尾水管进口处最大真空度宜不大于8mH2O。两种型式机组防飞逸措施是不同的：混流式水轮机采用金属蜗壳，蜗壳前设置进水阀门作为机组防飞逸措施；轴流式机组采用混凝土蜗壳，支管经圆变方后与蜗壳相连。在隧洞进口处设置快速闸门作为机组防飞逸措施。采用不同机型压力引水系统的管道特性如下：混流式机组：当额定水头23.50，三台机组发额定出力时，大机1085.2m2/s，小机1124.5m2/s。轴流式机组：当额定水头23.50，三台机组发额定出力时，大机1003.8m2/s，小机1054.5m2/s。根据此特性值进行的调节保证计算结果显示，导叶采用两阶段关闭规律，同时，发电机的转动惯量GD2要增大到不小于1000tm2。在水轮发电机组转速已定的情况下，增大转动惯量GD2措施是加大水轮发电机的机座号。经与各机组生产厂家沟通，由于轴流转桨式机组转速较高，发电机磁极数少，自身的重量低，转动惯量最多增加到700tm2，加大到1000tm2以上在电机的设计、制造技术上无法实现。而采用混流式机组是可以实现的，后来中标的生产厂商保证达到1100tm2。采用轴流转桨式机组，解决的措施是加大引水隧洞的洞径，经过计算，洞径为7.2m。投资差见表-4。表-4显示加大压力引水隧洞的洞径，致使投资增加，增加幅度大大超过节省的电站厂房及机电设备投资和年平均发电量增加的效益。表-4 不同洞径投资对比洞径（m）投资（万元）投资差（万元）6.71480.007.01887.0407.02.3选定机组机型2.3.1选定机组机型从模型参数上看，两种机型都具备较高的效率，较好的过流能力。相对于混流式机组来说，轴流转桨机组具备较高的单位比转速，但汽蚀性能明显劣于混流式机组；在经济指标上，采用轴流转桨机组的电站厂房及机电设备投资略省，年平均发电量略高。但结合调节保证计算，由于轴流转桨式机组自身的特性，增加发电机转动惯量在技术上无法实现，解决此问题须加大压力引水隧洞的洞径，致使投资增加，增加幅度大大超过节省的电站厂房及机电设备投资和年平均发电量增加的效益。综上所述，本工程设计最终采用混流式机组，水轮机型号HLD260B-LJ-245，额定流量38.26m3/s，额定转速166.7r/min，额定比转速294mkW，额定工况点效率94.5，吸出高度-0.35m；配套发电机SF8000-36/5500，转动惯量1100tm2。2.3.2 调节保证计算成果大机：导叶第一段关闭时间5.40，导叶开度从此水头额定出力对应的开度关闭到55%开度，第二段关闭时间9.0，导叶开度关闭从55%开度到全关。额定水头工况： 3号机机组最大速率上升53.2，蜗壳末端最大压力上升58.8； 2号机机组最大速率上升52.9，蜗壳末端最大压力上升57.8；最大水头工况： 3号机机组蜗壳末端最大压力上升51.8。 2号机机组蜗壳末端最大压力上升50.8。小机：导叶第一段关闭时间5.40，导叶开度从此水头额定出力对应的开度关闭到55%开度，第二段关闭时间9.0，导叶开度关闭从55%开度到全关。额定水头情况：机组最大速率上升50.5，蜗壳末端最大压力上升56.9；最大水头情况：蜗壳末端最大压力上升50。机组蜗壳压力上升值、转速上升满足规程规范要求。3结束语老龙口水利枢纽工程电站属于中低水头的引水式电站，处于混流式和轴流式转轮交界水头，电站机组型式的选择需根据电站的形式、输水系统、不同机型的特点进行定量的论证分析。在机组容量相同的情况下，由于混流式水轮机转速低，发电机的磁极数多、转动惯量GD2大，对于类似老龙口水利枢纽工程的多机合用一管的引水式电站，采用混流式机组不但有利于满足规范规定的调节保证计算要求，保证工程的安全性，同时也有效地减小了压力引水隧洞洞径，降低了工程的投资。-作者简介：李朝晖，男，1991年毕业于河海大学水利水电动力工程专业，从事水利水电工程设计工作。下面是赠送的中秋节演讲辞，不需要的朋友可以下载后编辑删除！谢谢中秋佳节演讲词推荐中秋,怀一颗感恩之心老师们，同学们：秋浓了，月圆了，又一个中秋要到了!本周日，农历的八月十五，我国的传统节日中秋节。中秋节，处在一年秋季的中期，所以称为“中秋”，它仅仅次于春节，是我国的第二大传统节日。中秋的月最圆，中秋的月最明，中秋的月最美，所以又被称为“团圆节”。金桂飘香，花好月圆，在这美好的节日里，人们赏月、吃月饼、走亲访友无论什么形式，都寄托着人们对生活的无限热爱和对美好生活的向往。中秋是中华瑰宝之一，有着深厚的文化底蕴。中国人特别讲究亲情，特别珍视团圆，中秋节尤为甚。中秋，是一个飘溢亲情的节日;中秋，是一个弥漫团圆的时节。这个时节，感受亲情、释放亲情、增进亲情;这个时节，盼望团圆、追求团圆、享受团圆这些，都已成为人们生活的主旋律。同学们，一定能背诵出许多关于中秋的千古佳句，比如“举头望明月，低头思故乡”、“但愿人长久，千里共婵娟”、“海上生明月，天涯共此时”这些佳句之所以能穿透历史的时空流传至今，不正是因为我们人类有着的共同信念吗。中秋最美是亲情。一家人团聚在一起，讲不完的话，叙不完的情，诉说着人们同一个心声：亲情是黑暗中的灯塔，是荒漠中的甘泉，是雨后的彩虹中秋最美是思念。月亮最美，美不过思念;月亮最高，高不过想念。中秋圆月会把我们的目光和思念传递给我们想念的人和我们牵挂的人，祝他们没有忧愁，永远幸福，没有烦恼，永远快乐! 一、活动主题：游名校、赏名花，促交流，增感情二、活动背景：又到了阳春三月，阳光明媚，微风吹拂，正是踏青春游的好时节。借春天万物复苏之际，我们全班聚集在一起，彼此多一点接触，多一点沟通，共话美好未来，与此同时，也可以缓解一下紧张的学习压力。 相信在这次春游活动中，我们也能更亲近的接触自然，感悟自然，同时吸收万物之灵气的同时感受名校的人文气息。三、活动目的：1. 丰富同学们的校园生活，陶冶情操。2. 领略优美自然风光，促进全班同学的交流，营造和谐融洽的集体氛围。 3. 为全体同学营造一种轻松自由的气氛，又可以加强同学们的团队意识。 4. 有效的利用活动的过程及其形式，让大家感受到我们班级的发展和进步。四、活动时间：XX年3月27日星期四五、活动参与对象：房产Q1141全体及“家属”六、活动地点：武汉市华中农业大学校内七、活动流程策划：1、27日8点在校训时集合，乘车2、9点前往华农油菜基地、果园，赏花摄影3、10点30，回农家乐开始做饭，进行“我是厨王”大比拼4、1点30，收拾食品残物，开始集体活动5、4点，乘车返校八、职能分工及责任定岗1、调研组：负责前期的选址、策划的撰写、实地考察、交通工具的联系和检验组