（水利水电工程专业论文）龙羊峡水电站机组增容可行性分析研究.pdf

摘要 能源是社会主义经济建设的战略重点之一。随着我国经济建设步伐的加快， 能源已成为制约我国经济快速发展的瓶颈，特别是在电网中具有独特调峰优势的 水电显得更加短缺。国内外对已建水电站机组进行增容，提高电站的装机容量， 以此来缓解电网调峰容量不足的例子比比皆是。由于龙羊峡水电站在西北电网中 承担第一调峰、调频电站的重任，且龙羊峡水电站具有坝高1 7 8 米、库容2 4 7 亿 立方米的多年调节水库，将来南水北调西线工程的实施每年将向龙羊峡水库补给 1 7 0 亿立方米的水量，如何将这些水力资源转化为电能是一个亟待解决的课题。 本文主要研究了在不对水轮机引水钢管、蜗壳等埋设部件改造的条件下、在额定 水头为1 2 2 米的情况下龙羊峡水电站水轮发电机组的容量由3 2 0 m w 增至 3 5 0 m w 的可行性。 本文从水轮机的基本出力方程n = 9 8 1 q hn 入手，从以下几个方面研究了龙 羊峡水电站机组增容问题： 1 总结发电十年来的运行情况表明：龙羊峡水电站机组在1 2 5 米以下各种水头、 负荷运行，机组的出力不仅可以满发而且可以超发1 0 。水轮机转轮空蚀轻 微，机组各部温度正常、运行稳定。 2 理论分析表明：机组在额定水头1 2 2 m 米带3 5 0 m w 负荷运行时相应引用流量为 3 3 5 m 3 s ，在此参数下运行时机组运行稳定性较好，汽蚀磨损也在设计范围之 内；水轮机、发电机各受力部件机械强度均满足要求；调节保证计算满足设 计；发电机定、转子绕组温升均在绝缘等级要求范围之内。 3 机组增容试验表明机组带3 5 0 m w 负荷运行时水轮机运行稳定性较好；发电机 效率为9 8 6 7 ，比设计值高0 1 5 。 4 初步经济分析表明机组增容第二年即可增加企业收益3 7 6 0 万元。 5 将来南水北调西线工程完工后，将向黄河上游调水1 7 0 亿立方米，这将为龙 羊峡水电站机组增容后高水位运行、发电用水量提供可靠的保证和基础。因 龙羊峡电站在西北电网承担第一调频、调峰电站，其增容1 2 0 m w 的容量效益 也是显著的。 6 水电为清洁能源，而龙羊峡水电站四台机组共增容1 2 0 m w 替代火电每年可节 约煤碳资源6 万吨，机组增容后其环境、社会效益也是显著的。 研究结果表明，龙羊峡水电站机组在不对水轮机引水钢管、蜗壳等埋设部 件改造在额定水头1 2 2 米的条件下研究龙羊峡水电站水轮发电机组的容量由 3 2 0 m w 增至3 5 0 m w 是可行的，其经济效益和社会效益、生态环境效益都十分 显著。 关键词：机组增容可行性分析研究 a b s t r a c t e n e r g ys o u r c e si st h eo n es t r a t a g e me m p h a s e so fs o c i a l i s te c o n o m y c o n s t r u c t i o n w i t ht h es t e po fo u re c o n o m yc o n s t r u c t i o ni sm o r ea c c e l e r a t e d e n e r g ys o u r c e sh a s b e c o m et h ek e yw h i c hr e s t r i c t st h ed e v e l o p m e n to fo u re c o n o m y ，e s p e c i a l l yt h e b y d r o p o w e rs o u r c e s i ne l e c t r i cn e t w o r ki sm o r ei n s u f ! f i c i e n c y t h e r ea r el o t so f e x a m p l e so fs u p p l y i n ge l e c t r i cp o w e r i ne l e c t r i cn e t w o r kt h r o u g hi n c r e a s i n gc a p a c i t y o fc o n s t r u c t e dh y d r o p o w e rs t a t i o n o w i n gt ot h el o n g y a n g x i ah y d r o p o w e rs t a t i o n b e a r st or e g u l a t ec l i m a xa n df r e q u e n c yo fh y d r o p o w e ri nn o r t h w e s tn e t w o r k ，a n d b e c a u s ei ti sam u l t i y e a rr e g u l a t i v er e s e r v o i rw h i c hp o s s e s s17 8m e t e r sh i g hd a ma n d 2 7 0h u n d r e dm i l l i o ns t e r ew a t e r , t h ep l a n n i n gf o rs o u t h t o - n o r t hw a t e rt r a n s f e r sw i l l s u p p l y 17 0h u n d r e dm i l l i o ns t e r ew a t e r s oi ti sau r g e n tp r o b l e mt or e s o l v eh o wt o t r a n s f e rt h e s ew a t e r p o w e rs o u r c e st oe l e c t r i ce n e r g y , i nt h i sp a p e r ，t h ea u t h o ra n a l y z e d t h ef e a s i b i l i t yo fi n c r e a s i n gt h et u r b i n eg e n e r a t o ru n i tc a p a c i t yf r o m3 2 0 m wt o 3 5 0 m wi nt h el o n g y a n g x i ah y d r o p o w e rs t a t i o no nc o n d i t i o nt h a tt h es t e e lt u b eo f t u r b i n ea n ds c r o l lc a s ew e r en o tc h a n g e da n df i x e d12 2m e t e rh i g hw a t e rh e a d i nt h i sp a p e r t h ea u t h o rs t a r t e do nt h eb a s i ce q u a t i o nn - - 9 8 1 q hno ft u r b i n e g e n e r a t o ls t u d i e dt h ep r o b l e mo fi n c r e a s i n gc a p a e i 印o f t u r b i n eg e n e r a t o ru n i to ft h e l o n g y a n g x i ah y d r o p o w e r s t a t i o nf o l l o w i n gs e v e r na s p e c t s ： 1 s u m m a r i z e dt h er u n n i n gc a s eo ft u r b i n eg e n e r a t o ri nt e ny e a r s i ti n d i c a t e d t h a tt h et u r b i n eg e n e r a t o ru n i to ft h el o n g y a n g x i ah y d r o p o w e rs t a t i o nc a nr t m n i n g s a f e l y w i t hf u i ii o a du n d e r1 2 5 mw a t e rh e a d m o r e o v e r , i tc a r lo v e r t a k e1 0 h v d r o p o w e r o nc o n d i t i o nt h a ta l le q u i p m e n tf u n c t i o na r es t a b i l i z e d 2 t h et h e o r yi n d i c a t e st h a tt h er u n o f fi s3 3 5 m sw h e nt h et u r b i n eg e n e r a t o ru n i t r u nu n d e r1 2 2 mw a t e rh e a dw i t h3 5 0 m w1 0 a d m o r e o v e r , w i t l l 廿l i sp a r a m e t e r , t h e t u r b i n eg e n e r a t o ru n i tc a nr u ns a f e l y , v a p o u re r o d ec a nl i m i ti nc r i t e r i o n ，r e g u l a t i v e p l e d g ec a l c u l a t i o nc a n m e e t d e s i g n 3 t h ee x p e r i m e n t a t i o no fi n c r e a s i n gt u r b i n eg e n e r a t o ru n i tc a p a c i t yi n d i c a t e s t h a tt h et u r b i n eg e n e r a t o rc a r lr u ns a f e l yw i t h3 5 0 m wl o a d t h ed y n a m o t o re f h c i e n c y i s9 8 6 7 a n di ti n c r e a s e15 t h a nd e s i g n e dt o d a y 4 t h r o u g h b r i e fe c o n o m ya n a l y s i s ，t h ea u t h o r g o t t h eo u t c o m et h a tt h e c o r p o r a t i o n c a ni n c r e a s ei n c o m e3 7 6 0 0t 1 1 0 u s a n d y u a na f t e ri n c r e a s i n gt u r b i n e g e n e r a t o rc a p a c i t yt w oy e a r s - 5 w h e nt h ew e s ti i n ep r o j e c to ft h ep l a n n i n gf o rs o u t h t o n o r t hw a t e rt r a n s f e r s w i l lf i n i s h e d i tw i l ls u p p l y1 7 0h u n d r e dm i l l i o nw a t e rt ot h eu p s t r e a mo f 恤ey e l l o w r i v e r , t h i sw i l le n s u r et h a tt h et u r b i n eg e n e r a t o rc a r lr u nu n d e rt h eh i g hw a t e rh e a d a n d p r o v i d ea b o u n dw a t e rf o rd a m b e c a u s et h el o n g y a n g x i ah y d r o p o w e rs t a t i o ni s t h ef i r s tr e g u l a t i v e 疔e q u e n c ya n dc l i m a xs t a t i o ni nn o r t h - w e s t t h eb e n e f i ti sa l s o p r o m i n e n c ea f t e ri n c r e a s i n g1 2 0 m wc a p a c i t y 6 h y d r o p o w e ri sp u r ee n e r g ys o u r c e ，i ft h ef o u rt u r b i n eg e n e r a t o ru n i t so f t h e l o n g y a n g x i ah y d r o p o w e rs t a t i o ni n c r e a s e1 2 0 m wc a p a c i t y ，i tw i l ls a v e6 0 t h o u s a n d t o nc o a le v e r yy e a r t h et u r b i n eg e n e r a t o ru n i t sc a p a c i t yi n c r e a s ea l s oc a nb r i n g r e m a r k a b l eb e n e f i tf o re n v i r o n m e n ta n d s o c i e t y t h es t u d i e dr e s u l t si n d i c a t et h a ti ti sf e a s i b l eo fi n c r e a s i n gt h et u r b i n eg e n e r a t o r u n i tc a p a c i t yf r o m3 2 0 m wt o3 5 0 m wi nt h el o n g y a n g x i ah y d r o p o w e rs t a t i o no n c o n d i t i o nt h a tt h es t e e lt u b eo ft u r b i n ea n ds c r o l lc a s ew e r en o tc h a n g e d ，a n dt h e b e n e f i t so f e c o n o a l y , s o c i e t y , e n t i r o n m e n ta r e a l s or e m a r k a b l e k e y w o r d s ：t u r b i n eg e n e r a t o ru n i t ；c a p a c i t yi n c r e a s e ；f e a s i b i l i t y ；s t u d ya n da n a l y s i s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：邡一静，签字日期：咖年) 月少日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盔鲞盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞蠢茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：掮一矜， 导师签名 签字日期：d 印多年 月夕日 签字日期： 口j 年，月w 日 第一章概述 第一章概述 1 1国内外机组增容情况及意义 能源是社会主义经济建设的战略重点之一。随着我国进入2 1 世纪及加入 w t o 、我国经济实施“拉动内需”战略、西部大开发战略和实现“十六大”提 出的奋斗目标，我国经济建设的步伐正步入快速发展的轨道。当前我国经济的发 展力求坚持可持续发展及人与自然的和谐共处。进入2 1 世纪我国沿海及东部经 济发达地区相继出现了电力供应紧张拉闸限电的局面，特别是随着西部大开发战 略地不断推进，到2 0 0 2 年底西北地区同样出现了电力供应紧张拉闸限电的局面。 解决制约经济建设的“瓶颈”一电力供应不足的问题除了新建、扩建发电厂外， 国内外都有对已发电的电站机组进行增容改造的事例。水力发电是一次能源与二 次能源同时完成，又是成本低、效率高、无污染，可以再生的清洁能源。又由 于水轮发电机组在电力系统运行中具有开停机组方便灵活、机组增减负荷迅速、 开机时间一般不超过三分钟，因此水轮发电机组在电力系统运行中往往是发挥其 调频、调峰的优势，起到稳定电力系统，确保电网安全的重要作用。增加水电在 电网所占比例其意义是深远的，对已发电的水电站机组进行增容改造以进一步发 挥水电机组的优势和经济效益是增加企业在电力市场竞争力的重要途径。 1 1 1国外水电站机组增容情况 国内外机组增容主要采用两种方式：一是对原有水轮发电机组进行设备改 造，采用效率高、稳定性好的新型高效水轮机转轮( 一般情况下不对电站水工挡 水建筑物及机坑土建部分进行改造) 以提高水轮发电机组的出力：二是对原电站 机组台数进行扩充以达到电站扩容的目的。由于新建一座水电站需要新建大量土 建工程和增加必要的发变电设备，而对现有水电站水轮机进行改造与新建电站相 比可以用较低的费用达到发电量增加的效果。因此，国外机组增容改造已经比较 普遍。表1 1 列出了国外几个主要水电站机组增容的情况“1 ，并以美国田纳西流 域水电机组增容改造”作以叙述。 第一章概述 表1 。l国外部分电站机组增容统计 序号国家电站名称转轮型号 增加容量 1 美国胡佛混流式3 6 2美国a l c o ay a d k i n混流式5 5 3瑞士奥厄斜流式3 2 4 俄罗斯伏尔加混流式2 0 5俄罗斯伏尔加轴流式2 m w 6美国威尔逊 出力提高1 7 ，效率提高1 7 7 美国肯塔基出力提高3 1 ，效率提高4 美国的水电开发已有1 0 0 多年历史，其间尤以二十世纪3 0 一4 0 年代水电发展 较快。美国田纳西流域管理局( 仉w ) 主要负责对其辖流域的发电、航运、防洪 进行综合开发。到2 0 世纪5 0 年代，在其辖下干支流上建成水电站4 7 座，装机 容量3 5 9 万千瓦，水能资源开发程度已达8 7 。1 9 8 8 年起t v a 开始研究通过改 造以延长机组运行寿命，增加机组出力，提高机组效率。t 、，a 先对一些较小的 机组进行改造，积累经验。1 9 9 0 年决定实施水利系统全面现代化改造计划，1 9 9 2 年批准了水电站现代化改造计划，计划在所属已建水电站中增加2 4 0 m w 的 调峰容量。1 9 9 4 年又进一步修订增容计划，计划增容5 3 9 0 m w ( 包括火电机组 扩容) ，完工目期也从2 0 0 5 年延长到2 0 1 0 年，所属1 1 3 台机组中有8 8 台列入改 造计划中，到1 9 9 8 年止已有1 9 台机组改造完毕，共增容1 0 0 m w 以上，机组效 率平均提高5 。 威尔逊( w i l l s o n ) 水电站9 。1 8 ”机组改造 威尔逊水电站是t v a 所属容量最大的常规电站，1 9 3 3 年由美国陆军工程师 团建造，装有2 1 台水轮发电机组，9 4 机于1 9 4 2 年投入商业运行，在2 8 米净水 头下，额定出力2 6 1 m w ，转速1 0 0 转分。作为t 、，a 第一个大型机组现代化改 造项目，1 9 9 1 年1 0 月经过投标竞争，伏依特( v o i t h ) 水电公司获得对9 。1 8 “ 机组进行模型试验并更换转轮共计7 5 0 万美元的合同。改造要求高水头下提高机 组的效率，低水头下提高机组出力。模型试验表明改造后水轮机最大出力可增加 1 7 ，最高效率提高2 ，加权平均效率提高1 7 。经测算效率提高可创价值5 4 4 万美元，出力提高可创价值7 8 8 万美元，两项之和大大超过改造的合同费用7 5 0 万美元。 肯塔基( k e n t a c k y ) 水电站 肯塔基水电站是t v a 增容改造计划中第一座装有轴流式水轮机的电站，位 于肯塔基州，5 台轴流式机组1 9 5 4 年投运，净水头1 4 6 米时额定出力3 2 8 m w ， 第一章概述 转轮直径6 6 米，转速7 8 3 转分。运行中发现，当转轮桨叶处于小角度时，桨 叶和轮毂之间存在间隙，影响效率。经改造后的新转轮轮毂内部操作机构系用新 的联结方式，包括采用球面轴承，使桨叶和轮毂之间在任何桨叶角度都能紧密配 合。1 9 9 3 年改造后加权平均效率提高4 ，由此产生效益7 4 0 万美元，出力可达 4 3 2 m w ，增容效益3 7 3 0 万美元，总效益达4 4 7 0 万美元，而改造总费用仅1 7 2 5 万美元，产出投入比达2 5 9 。 1 1 2 国内机组增容情况 表1 - 2 列出了国内部分省份水电站机组增容情况，现就黄河流域“”及东北 电网水电站机组增容“吣情况作以较详细叙述。 表1 - 2国内部分省份电站机组增容统计 序号省份电站名称转轮型号增加容量 1湖南沙田混流式1 6 2浙江新安江混流式9 5 m w 3河南三门峡轴流式1 5 m w 4湖北丹江口混流式l l m w 5广东新丰江混流式1 6 6贵卅l红枫混流式1 4 _ 3 7江西东江混流式1 9 1 ( 3 3 1 6 3 1 2 5 ) m w 8湖北黄龙滩混流式1 6 ( 8 5 7 5 ) m w 9甘肃刘家峡混流式1 3 0 m w l o甘肃盐锅峡 混流式4 4 m w 1 1吉林白山混流式1 5 0 m w 1 2吉林丰满混流式1 1 0 m w 1 3辽宁桓仁 混流式8 一1 0 m w 1 4辽宁太平哨混流式1 2 m w 1 1 2 1黄河流域机组增容情况 刘家峡水电站 刘家峡水电站是我国自行设计、制造、安装、施工的第一座百万千瓦级水电 第一章概述 站，位于甘肃省永靖县境内的黄河干流上，是西北电网的主力电厂，担负调频、 调峰任务。刘家峡水电厂于1 9 6 9 年3 月2 9 日第一台机组发电，1 9 7 4 年五台机 组全部投产发电。电站设计装机容量为1 2 5 0 m w 。从1 9 8 6 年起刘家峡电厂就开 始研究在原机组位置上，保持基础结构基本不变的前提下，对水轮机、发电机、 变压器和封闭母线进行整体改造或更换。截止目前刘家峡水电厂已完成2 、3 、4 、 5 号机组的增容改造，改造后2 、4 号机组出力可达2 5 5 m w ( 原出力为2 2 5 m w ) 、 3 号机组出力可达2 6 0 m w ( 原出力为2 2 5 m w ) 、5 号机组出力可达3 2 0 m w ( 原 出力为2 6 0 m w ) 。刘家峡水电厂4 台机组增容改造后主要运行数据及性能指标基 本达到了设计要求；机组运行稳定性高，振区减小，振幅降低。 盐锅峡水电站 盐锅峡水电站位于刘家峡水电站下游的黄河干流上，其第一台机组于1 9 6 1 年1 1 月投产发电，1 9 7 5 年1 1 月8 台机组全部投入运行，装机容量3 5 2 m w ( 8 4 4 m w ) ，盐锅峡在历史上有黄河上帝一颗明珠的荚誉。现扩机1 台4 4 m w 水轮 发电机组，使电站装机总容量达到3 9 6 m w 。 1 1 2 2 东北电网水电机组增容改造情况 白山水电站 白山水电站是第二松花江干流上第一级电站，原装机3 台，单机容量 3 0 0 m w ，总装机容量为9 0 0 m w 。1 9 8 3 年1 2 月第一台机组投产发电。1 9 8 5 年9 月开始扩机2 台，单机容量3 0 0 m w ，共6 0 0 m w ，1 9 9 2 年6 月扩机完成使白山 水电厂装机达1 5 0 0 m w 。白山电厂机组由于采用氟塑料推力瓦代替原钨金推力瓦 及采取了相应的一些其它措施，将机组容量增加1 0 ，单机容量增容后达到 3 3 0 m w ，实现扩机后全厂又净增容量达到1 5 0 m w 。 丰满水电站 丰满水电站是第二松花江干流上第三级水电站。原装机8 台，总装机容量为 5 5 4 m w 。第一台机组于1 9 4 3 年3 月投产发电，1 9 8 8 年开始扩机2 台，单机容量 8 5 m w ，到1 9 9 2 年6 月2 台机组扩机任务完成，电站总装机容量达7 2 4 m w 。丰 满水电厂第一台机组增容是8 号机组，于1 9 7 5 年完成，之后对其它机组也进行 了增容改造，水轮发电机组更换水轮机转轮后净增容量达2 2 m w ，丰满电厂机组 增容改造后净增容量1 1 0 m w 。 桓仁电站 桓仁水电站改造前水轮机型号为h l 6 6 2 型，是按高水头设计的，水头降低 后7 2 5 m w 机组仅能带4 8 m w 。第一次技术改造是将转轮更换为7 4 1 型，后又 对转轮进行切割进水边、出力边。此次技术改造使机组出力由原来的4 8 m w 达 第一章概述 到6 2 m w ，但仍达不到铭牌出力，因而又一次进行技术改造，将转轮更换为j f 2 0 0 5 3 5 型，出力可增加8 1 0 m w ，机组的效率还有增加，在正常高水位时，机组 出力达到7 2 5 m w ，在最大水头时，机组出力可达到7 5 m w 。 太平哨水电站 太平哨水电站机组增容是从1 9 8 2 年提出，历经1 0 年到1 9 9 2 年经过对机组 调节保证计算成果复核后，调速机构采用导叶分段关闭等措施，将电厂装机容量 由1 6 1 m w 增加到1 7 3 m w 。 此外，国内现在有些水电站，例如潘家口水电站( 1 5 0 m w + 3 9 0 m w ) 、 安康水电站( 4 2 0 0 m w ) 、五强溪水电站( 4 3 0 0 m w ) 、四川龚嘴水电站( 7 1 0 0 m w ) 正在进行机组增容的前期研究工作。 总之国内外的实践都表明水电站机组增容不仅可以增加电站装机容量，特别 是增加调频调峰容量从而提高企业效益，而且还可以最大限度利用水能，发挥资 源的最大效益。因而，其意义是十分重大的。 1 2 龙羊峡水电站在西北电网中的地位、作用 龙羊峡水电站”7 1 是我国自行设计、制造、安装、施工的一座百万千瓦级水 电站，其位于黄河干流上游青海省境内，以黄河为界左、右岸分属共和县与贵南 县。龙羊峡水电站距青海省省会城市西宁市公路里程1 4 7 k m 。龙羊峡水电站在黄 河流域的位置见图1 1 。 工程枢纽由混凝土重力拱坝，左、右岸重力墩，左，右岸副坝( 重力坝) ， 溢洪道、泄水中、深、底孔分四层布置的泄水建筑物，坝内引水钢管、坝后主副 厂房、左岸窑洞式安装间，厂坝间布置封闭式支撑结构的引水发电系统，以及迸 厂交通和下游虎山坡泄洪消能区保护系统等组成。挡水前沿总长1 2 2 6 m ，其中主 坝长3 6 7 6 m ，最大坝高1 7 8 m ，最大底宽8 0 m ，厚高比0 4 5 ，弦高比2 0 1 。重力 墩最大高度3 2 m ，副坝最大高度4 3 m ，坝顶高程2 6 1 0 m 。 水库正常蓄水水位2 6 0 0 m ，相应库容2 4 7 亿立方米，校核洪水位2 6 0 7 m ， 总库容2 7 6 3 亿立方米，设计洪水位2 6 0 2 2 5 m ，死水位2 5 3 0 m ，调节库容1 9 3 5 3 亿立方米，共用库容2 0 9 7 亿立方米，死库容5 3 4 3 亿立方米，为一多年调节水 库。经水库调节后，溢洪道和中孔在校核洪水位和设计洪水位时，控制下泄流量 分别为6 0 0 0 立方米秒和4 0 0 0 立方米秒，相应消减洪峰流量4 0 5 0 立方米秒和 3 0 4 0 立方米，秒。多年平均年径流量2 0 5 亿m 3 。 流域多年平均降水量4 7 3 毫米，降雨时空分布很不均匀，一般由东南向西 第一章概述 北递减，暴雨常发生在7 9 月份。流域径流主要是降水，其次还有涌泉、融雪， 和冰川，径流在年内分配很不均匀，5 1 0 月份径流量约占全年的7 8 ，产流在 地区上分布也不均匀，主要产流区位于吉玛区间。 龙羊峡水电站是以发电为主，兼顾防洪、灌溉等综合利用。龙羊峡水库投 运后，黄河上游形成了龙羊峡、刘家峡水库联合运行的格局，对径流和洪水产生 巨大的调节作用，从而使下游工农业用水得到了进一步的保证，进一步提高了黄 河流域防洪能力，为下游人民做出了巨大的贡献，也为解决黄河断流和黄河流域 生态环境做出了巨大贡献。同时龙羊峡与刘家峡水电站联合补偿运行共同满足黄 河河口镇以上河段的防凌。龙羊峡水电站投运至今已多次向下游补水，特别是 2 0 0 1 年和2 0 0 2 年连续向天津市和山东省紧急调水大大缓解两省市的居民用水和 工农业用水。完全可以说龙羊峡水电站的建成运行为社会做出了巨大贡献。 龙羊峡水电站装机容量1 2 8 万千瓦( 4 x 3 2 万千瓦) ，多年平均发电量6 0 亿 千瓦时，出线以3 3 0 千伏一种高电压联入陕、甘、青、宁3 3 0 千伏电网，电站共 有出线六回，电站是西北电网的第一调峰、调频厂。 图1 1黄河中上游龙青段水电梯级开发示意图 1 3龙羊峡水电站机组增容问题的提出 龙羊峡水电站四台3 2 0 m w 水轮发电机组均系四j i i 省德阳市东方电机厂设计 6 第一章概述 制造的产品，于1 9 8 7 年9 月至1 9 8 9 年6 月分别一次投运成功、并网发电。1 、2 号机组曾经受过极限死水位2 5 3 0 m 以下即7 6 m 水头以下运行1 0 1 天的考验，四 台机组都经历了蓄水以来最高水位2 5 7 5 m 即1 2 3 1 2 m 水头运行“。 1 3 1 龙羊峡水电站水轮发电机组机基本参数 水轮机 型号 最高水头h ( m ) 平均水头h 。( m ) 额定水头h ，( m ) 最小水头h ( m ) 极限最小水头h 。( m ) 转轮直径d 。( m ) 额定出力n ，( mw ) 最大出力n 。( m w ) 额定流量q ，3 s ) 额定转速n ，( r m i n ) 飞逸转速 b p m i n ) 最高效率叩一( ) 比转速h 。( m k m ) 比速系数七en ，圩，) 吸出高度h 。( m ) 机组安装高程v ( m ) 机组台数 轴向力( 吨) 水轮机总重( 吨) 调速器型号 油压装置型号 水轮发电机 型号 视在功率p ( m va ) 额定功率n ，( mw ) 最大容量p m 。( m v a ) hldo6a - lj 一600 150 o l3o 0 l22 o 99 5 76 0 6 0 325 ，6 356 1 298 0 125 o 256 0 93 o 176 o l9 4 4 - 3 5 2448 0 4 l370 10 o o bdt 一150 40 ys 一12 5 40 sf 3 2 0 一4 8 12 8 0 0 一g 3 56 6 32o ，0 378 4 第一章概述 额定电压u ，( kv ) 额定电流i ，( a ) 最大电流i 。( a ) 额定功率因数cos 中 额定频率f ，( hz ) 相数 短路比 转动惯量g d2 ( t m2 ) 效率 口( ) 推力轴承负荷( 吨) 发电机总重( 吨) 转子起吊重量( 吨) 主变压器 型号 额定容量 最大容量 额定电压 接线绕组 阻抗电压 短路损耗 总损耗 低压侧电流 频率 相数 1 3 2 南水北调西线工程 15 75 13o35 13 871 0 9 50 1 122 85000 98 39 227o 1666 920 s s p 3 6 0 0 0 0 3 3 0 3 6 0 m v a ( 冷却水温2 0 。c ) 3 8 0 m v a ( 冷却水温1 3 ) 3 3 0 1 5 7 5 k v y 0 a 一1 1 1 4 1 6 1 0 0 0 k w 1 2 8 9 k w 1 3 1 9 6 a 5 0 黄河是我国第二大河，流域面积7 9 5 万k 2 - n 2 ( 含内流区4 2 万k a n 2 ) ，全长 第一章概述 5 4 6 4 公里，总落差4 4 8 0 m 。黄河西起青藏高原，东至渤海之滨，南界秦岭，北 抵阴山，流经我国西北和东北的青海、甘肃、宁夏、内蒙古、陕西、山西、河南 及山东9 省区，于山东省垦利县注入渤海。 图卜一2南水北调西线工程 黄河是中华民族的摇篮，哺育了中华民族的成长，创造了灿烂辉煌的黄河文 明，为我国的发展做出了巨大的贡献。在当今我国经济布局中，黄河流域横跨东、 中、西部地区，亚欧大陆桥贯穿其间，既具备东部开发的活力和高新技术的推动 力，又具备中西部农业雄厚的基础和能源、矿产资源的巨大潜力，并同亚欧大陆 桥纽带联接传递信息，交流物资。随着西部大开发的深入进行，沿黄地区工业、 农业、人畜饮水等用水量急剧增加，黄河母亲的“乳汁”已不能满足需求。这一 严峻的现实严重制约了我国沿黄地区各省( 区) 经济的发展和西部大开发的深入， 特别是近两年来黄河供水矛盾已经显得特别突出。经过我国水利工作者不懈努 力，南水北调工程东线、中线工程已于2 0 0 2 年1 2 月开工建设，南水北调西线工 程的方案正在抓紧论证和准备。 南水北调西线工程是从长江上游引水至黄河上游。西线调水专家主张把大渡 河、雅砻江、金沙江、澜沧江、怒江和雅鲁藏布江6 江之水调入青海省境内的黄 河源头和上游河段。南水北调西线工程预计分三期，三期调水量可达1 7 0 亿m 3 曙“。西线工程完成后将更加提高龙羊峡水库库大坝高的优势，并且也为龙羊峡 水电站机组增容提供可靠的水量。 由于龙羊峡水库为多年调节水库，加之青海地区及西北地区缺电，特别是西 北电网调峰容量严重短缺，根据国内外水轮发电机组增容改造的成功经验，结合 第一章概述 龙羊峡电站在西北电网的地位、作用及将开工建设的南水北调西线工程的实际情 况，为了最大限度地发挥龙羊峡电站水库和机组运行的经济效益，本文主要研究 在不对水轮机引水钢管、蜗壳等埋设部件改造的条件下在额定水头为1 2 2 米的情 况下龙羊峡水电站水轮发电机组的容量由3 2 0 m w 增至3 5 0 m w 的可行性。 1 4 本文研究的主要内容 本文针对以上问题，从以下几个方面研究了在不对水轮机引水钢管、蜗壳等 埋设部件改造的条件下，在额定水头为1 2 2 米的情况下龙羊峡水电站水轮发电机 组的容量由3 2 0 m n 增至3 5 0 m w 的可行性。 ( 1 ) 在龙羊峡水电站机组运行十多年来的实际情况分析的基础上，研究机 组增容的可能性。 ( 2 ) 从水轮机的基本原理出发，从理论上论证机组增容的可行性。 ( 3 ) 从机组带3 5 0 m w 负荷下真机测试入手，进一步验证机组增容的可行性。 ( 4 ) 在机组增容的费用分析基础上，研究机组增容的可能性。 1 0 第二章水轮机增容途径的理论分析 第二章水轮机增容途径的理论分析 2 1 水轮机的基本结构和工作原理 水轮机是将水能转换成为旋转机械能的水力机械，它具有转动的叶轮，主要 利用水流压力能或动能( 仅利用动能) 做功。近代水轮机一般分成两大类：反击 式和冲击式水轮机。在反击式水轮机转轮内转换成旋转机械能的水流能量形式是 位能、压能和动能。从转轮进口至出水口水流压力是逐渐减少的，转轮中的水流 具有大于大气压的压力，水流充满全部流道。根据转轮区域水流运动方向的特征， 反击式水轮机又分为混流式、轴流式、斜流式、贯流式等不同类型。在冲击式水 轮机转轮内转换成旋转机械能的水流能量形式仅仅是动能。水流沿转轮斗叶流动 过程中压力保持不变( 一般等于当地大气压) ，具有与空气接触的自由表面，转 轮不是整周进水。根据冲击式水轮机转轮的进水特征，冲击式水轮机又分为：水 斗式、斜击式和双击式等不同的形式。 2 1 1 水轮机的基本结构 反击式水轮机主要部件。”有： 引水室：将水流引入转轮前的导水机构； 导水机构：引导水流按一定方向进入转轮，并通过活动导叶位置的改变使水 流流量改变，调整出力； 转轮：将水流能量直接转换成旋转机械能的过流部件，是水轮机的核心部分； 尾水管：主要用来回收转轮出口水流中的剩余动能，是水轮机的出水设备。 主轴：将机械能以旋转力矩的形式向外输出( 如传递给发电机) ； 轴承：承受水轮机轴上的荷载( 径向力和轴向力) 并传给基础。 2 1 2 水轮机的工作参数 水头：水轮机水头是指单位重量水流通过水轮机时的能量减少值，该能量减少值 除去部分损耗外，在水轮机内转换成机械能向外输出。 流量：单位时间内通过水轮机的水流体积。 出力：水轮机出力是水轮机轴上向外输出的机械功率。 第二章水轮机增容途径的理论分析 n ：! ! ；! ! ! 里：9 8 1 q h 玎2 8 1 一一一( 2 1 ) l u 2 其中：n ：出力( k w ) q ：流量( m 。s ) h ：水头( m ) n ：水轮机效率( ) 效率：水轮机效率等于水轮机轴上的出力n 与进入水轮机的水流出力r q h 之比。 转速：水轮机转速是水轮机转轮单位时间内旋转的次数，单位是转分。 2 1 3 水轮机的工作原理2 8 3 水轮机中某一点的水流运动情况可用该点的速度三角形来描述。速度三角形 是流场中同一点的速度与分速度按平行四边形法则构成的向量三角形。在混流式 水轮机转轮中的水流运动是一种复杂的运动，水流既随转轮旋转( 牵连运动) ， 同时又对转轮有相对运动，这样可以用下列速度与分速度构成一种速度三角形： ( 1 ) 绝对速度旷：即在地面静止部分见到的水流速度。 ( 2 ) 相对速度：即跟随转轮一齐转动时见到的水流速度。假定认为转轮 的叶片无限薄和无限多( 无限数叶片假定) ，则转轮内的水流是轴对称的，其相 对运动轨迹与时片表面重合，相对速度的方向就是叶片表面上过考察点的相对运 动轨迹的切线方向。水流运动当然与无限数叶片假定不相符合，实际上只有紧贴 叶片的质点的相对运动轨迹才与叶片表面重合，速度沿圆周的分布也很不均匀， 叶片背面的相对速度大于工作面的相对速度。 ( 3 )圆周速度u ：即考察点随转轮转动时的速度，其数值为： ，月：踟 u = 。- - 一 n 式中：”d ：圆周速度( m s ) 式中u ：圆周速度( m s ) d ：考察点所在圆周直径( m ) n ：水轮机转速( r p m ) 图2 - 1 速度三角形 按矿= 一u + 矛构成的速度三角形示于图2 1 。 将绝对速度沿圆周速度方向和垂直于圆周速度的方向作正交分解，可以得到 第二章水轮机增容途径的理论分析 两个分速度： ( 4 ) 速度的圆周分速度k ：即绝对速度按正交分解在圆周速度方向的分速 度。它与考察点半径r 的乘积v 。r 称为速度矩，表示单位质量的动量矩，水流 能量的转换与v 。r 的变化密切相关。 ( 5 ) 轴面速度元：即绝对速度按正交分解在轴向平面( 简称轴面) 上的分 速度，所谓轴面就是通过转轮旋转中心线与考察点的平面。轴面速度与圆周速度 垂直，它的数值可由v 。= q f 来确定，其中f 是与v 。垂直的轴面水流过水断面 面积。轴面水流是根据正交分解面在轴面中得到的一种分流动，此流动的相对速 度是轴面速度。通过考察点( 如图2 2 的c 2 点) 周面水流过水断面面积f ，可 在轴面中做出通过该点的与轴面水流( 如：a 、b 、c 、d 、e 等) 垂直的线段a e ； 以a e 为母线的旋转面面积就是f 。 由古鲁舍定理 2 8 3 ： f = 2 斌。( 2 2 ) 其中：r 。：线段的重心所在半径；f 。：线段的长度。图2 2 中的曲线段1 一l 与2 2 表示叶片进出水边的轴面投影。当叶片上的点保持半径不变，旋转 投影到通过水轮机轴心线的平面上，就得到这种轴面投影。 按旷= v 1 0 + 矿。可构成另一种速度三角形，同时图2 3 表示速度三角形中各 元素在空间的相对关系。 图2 2 叶片进出水边的轴面投影 2 1 4 水轮机基本方程 图2 3 速度三角形各元素 空间关系 用相对运动伯努利方程可对转轮进口和出口断面的液流微小流束( 假定将水 轮机转轮域中的全液流分成许多微小的流束) 列方程如下； 第二章水轮机增容途径的理论分析 z ，+ 旦+ ! ! j ：；：! ! i 一：z ：+ 墨+ 攀2 2 + a 。一：一( 2 3 ) c z 。， r 己g r 上g 其中： 啊一：转轮进出口断面1 2 段内的水头损失。 整理上式可得： 孙墨- z 2 一旦：w 2 2 - w t 塑+ 堡兰+ 觇：( 2 - 4 ) rr z 22 譬 转轮进口出液流的单位能量为： 铲z 。+ 量+ 呈 而转轮出口处也流的单位能量为： p 2 ：z ：+ 墨+ 凳 转轮进出口处的单位能量差值等于微小流束液流作用在转轮上的单位能量： 旷铲z t + 争+ 善邮z + 争+ 争协s ， r z g r 2 9 将式( 2 ) 代入( 3 ) 内可得到： r 铲警+ 警+ 警枷。 1 。 2 92 92 9 卜。 由于微小流束液流作用在转轮上的有效水头为： h p = e 1 8 2 一a h i 一2 所以得到： 耻盟2 9 + 警t v i2 - g 矿2 2 ( 2 - 6 )i gz g 式( 5 )