老龙口水利枢纽工程中混流式与轴流式水轮发电机组的选择

老龙口水利枢纽工程中混流式与轴流式水轮发电机组的选择

混合水流发生器的应用具有高水位和大面积、结构简单、运营可靠、效率高等特点。它是现代应用最广泛的节水设备之一。水源通常为20.70m。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3～50m;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,适用水头一般为3～80m。一般将处于适用于两种水轮机的水头范围称为交界水头。在水电工程的设计过程中,经常遇到处于交界水头的实例。根据电站的水头范围、引水形式,合理地选择处于交界水头下电站的水轮机型式,充分利用水力资源,最大限度地发挥经济效益,是工程设计工作的目标。1电站压力构造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。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5199.1×104kW·h,年利用小时数2708h。电站建成后加入电力系统运行。电站为引水式,由一条长约370m直径6.70m的压力隧洞从水库引水。隧洞在厂房前分岔成两条直径3.60mm、一条直径2.50m的支管引至主厂房。电站运行水头范围16.12～30.14m,处于混流式与轴流式交界水头。2设计收水位和总水势(1)水位。上游水位:正常蓄水位109.00m;校核洪水位(P=0.05%)119.2m;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=94.30m3/s时)81.33m,最低尾水位Q=20m3/s时(一台大机发50%出力)80.70m;Q=17.52m3/s时(一台小机发满出力)80.62m。(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23.5m。(3)水库性能。有效库容9761.15万m3;死库容6731.75万m3;总库容36743.71万m3;水库调节性能不完全年调节。(4)流量。电站多年平均流量33.42m3/s;正常发电流量92.02m3/s。3推广应用调压井方案在电站工程设计中,选定的水轮机的型式在满足自身技术性、经济性的前提下,还需满足整个工程的技术、经济性指标。老龙口水利枢纽工程电站是一管多机的引水式电站,水头不高,水轮机型式的优化选择是结合压力引水系统是否设置调压井方案比选进行的。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。本文针对大机型式进行分析。4《工程》工程本工程水头范围16.12～30.14m,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,确定了两种转轮模型在现有科技水平下均具有较高效率的原则,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。4.1转轮最优工况点效率比较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%。4.2原型回报水装置的技术经济比较(1)生成的机组和工况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Q′宜取大些,以达到最优的技术经济指标。对于ZZK408转轮,Q′取1.60左右比较适宜。本工程大机单机容量8.0MW,相应地原型水轮机直径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,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,同时减少了电站厂房的开挖量,是合适的。根据HLD260B转轮在国内电站已经使用的经验和因避免空蚀所需的开挖深度进行分析,确定其Q1′=1.31m3/s,相应地原型水轮机直径D1为2.45m。(2)hs和安装高程本设计转轮用不锈钢材质,混流式机组K值取用1.20,轴流式机组K值取用1.25。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:式中Hs理论吸出高度;▽—水电站海拔高程;σm—模型转轮汽蚀系数;H—水头;K—装置汽蚀系数与模型汽蚀系数比。理论吸出高度对比表见表2。水轮机名义吸出高度Hs′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)按下面公式计算:混流式水轮机安装高程▽E:▽E=▽尾+Hs+b0/2;轴流式水轮机安装高程▽E:▽E=▽尾+Hs+XD1;一台机组发50%出力时,下游尾水位▽尾=80.70m。计算的HLD260B-LJ-245水轮机安装高程▽E=84.37m,结合压力引水隧洞、电站厂房处工程地质情况,确定▽E=80.80m,实际的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。(3)水轮发电机组分析表3及表4。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,混流式机组多196.94万元。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。混流式机组少72万元。在总投资方面,采用混流式机组投资多34.94万元。在多年平均电能方面,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kW·h,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。4.3机组防飞逸措施调节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78.4532kPa。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:混流式机组,当额定水头Hr=23.50m,3台机组发额定出力时,大机∑LV=1085.2m2/s,小机∑LV=1124.5m2/s;轴流式机组:当额定水头Hr=23.50m,3台机组发额定出力时,大机∑LV=1003.8m2/s,小机∑LV=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1000t·m2。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。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700t·m2,加大到1000t·m2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。如果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。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。采用混流式机组调节保证计算结果:(1)导叶开度关闭方案导叶第一段关闭时间5.40s,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9.0s,导叶开度关闭从55%开度到全关。额定水头情况:3号机机组最大速率上升βmax=53.2%,蜗壳末端最大压力上升ξ=58.8%;2号机机组最大速率上升βmax=52.9%,蜗壳末端最大压力上升ξmax=57.8%。最大水头情况:3号机机组蜗壳末端最大压力上升ξmax=51.8%;2号机机组蜗壳末端最大压力上升ξmax=50.8%。(2)分段关闭时间导叶第一段关闭时间5.40s,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9.0s,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βmax=53.2%,蜗壳末端最大压力上升ξmax=56.9%。最大水头情况:蜗壳末端最大压力上升ξmax=50%。机组蜗壳压力上升值、转速上升满足规程规范要求。4机电设备投资及发电机转动惯量投资从模型参数上看,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