轴流转桨式水轮发电机组在万万水电站的应用

轴流转桨式水轮发电机组在万万水电站的应用

1发电机运行情况万安港水库位于江西省江西省万安县南部约2公里处。是江安河流域发展的第一个项目。它具有能源、防洪、船舶、灌溉、水产养殖等综合优势。电站在系统中承担调峰、调频和事故备用任务,是担负赣北尖峰负荷的主要电源。电站厂房型式为河床式,设计最终装机规模为500MW,安装5台单机容量为100MW的轴流转桨式水轮发电机组,枢纽工程完建时,先安装4台单机容量为100MW的轴流转桨式水轮发电机组,并在主厂房内预留1台机组的位置。1～4号机组已于1991年底全部投入商业运行,1996年1月枢纽工程通过国家正式竣工验收。电站1～4号机组的水轮机型号为ZZ440-LH-850,额定水头22.0m,额定转速76.9r/min,额定流量556m3/s,额定出力103MW,水轮机安装高程为61.9m。发电机型号为SF100-78/12800,额定功率100MW,额定容量117.65MVA,额定电压15.75kV,全伞式结构。预留的5号机大部分土建工作已完成,过水流道按ZZ440-LH-850型水轮机的流道设计,进水口、蜗壳底板、尾水锥管混凝土坑、尾水管肘管和扩散段已建成,蜗壳侧墙已基本完成。5号机组及其配套工程现由江西万安宏源发电有限责任公司投资续建,工程已于2002年11月开工,计划于2005年机组投产发电。2我国zz40型转轮的水力性能电站1～4号机组采用的ZZ440型转轮是前苏联在20世纪40年代研制出的转轮,由于在当时其能量指标较高、空化性能较好,国内的大化、铜街子和万安等大型水电站均采用了ZZ440-LH-850型水轮机。随着近年来我国水轮机技术的巨大进步、水轮机水力设计技术的快速发展,目前ZZ440转轮的水力性能已明显落后。近年来我国已开发、拥有了一批应用于40m水头段、可替代ZZ440型转轮的优秀轴流式水轮机(见表1),这使增加电站的经济效益、提高电站和机组运行的可靠性成为现实。从表1中可以看出,与ZZ440型转轮相比,可替代ZZ440型的转轮具有以下特点。(1)限制工况单位流量除A623U型转轮外,转轮叶片均为5片,轮毂比明显减小,这使得水轮机的过流能力大大增强,如5KN35型转轮的最优工况单位流量比ZZ440型转轮提高了0.595m3/s,F24型转轮的限制工况单位流量较ZZ440型转轮增大了10.9%。(2)zz490型高效提效技术模型转轮的最高效率、尤其是限制工况的效率比ZZ440型有了显著的增加,最高效率提高了1.5%～4.15%,限制工况的效率提高5.9%～8.7%。(3)化系数的变化虽然水轮机的过流能力增大,决定水轮机安装高程的限制工况空化系数减小了0.02～0.174。可见,在保持5号机组的安装高程和过水流道不变的前提下,通过加大水轮机过流能力、提高转轮效率和抗空化性能等方法,水轮机及机组增容是完全可能的。35化学成分性能对于5号机组而言,增大水轮机额定出力主要受水轮机的抗空化性能限制。在转轮淹没深度几乎不变(额定工况下电站尾水位随过机流量增大仅抬高0.15m左右)的情况下,5号机组的增容及水轮机参数水平的选择均须满足抗空化性能的要求。3.1装置空化系数k一般来说,水轮机的安装高程或空化安全系数K(装置空化系数与临界空化系数之比)值是以水轮机正常运行条件下的叶型空化为主来选择的,并在此基础上适当留有余地。转桨式水轮机的叶型空化一般发生在叶片进水边的背部和出水边外缘附近,若水轮机不发生空化,其装置空化系数应大于临界空化系数,一般认为,K值应不小于1.1。按万安电站的各种特征水头下水轮机满出力的运行工况计算,新转轮的装置空化系数σy及其允许的最大临界空化系数σcmax的计算值(安全系数K取1.1)见表2。将表2中22.0m、22.3m水头下水轮机满出力运行时的σy、σcmax值与表1中各转轮限制工况下的空化系数进行对照比较,不难看出,各转轮限制工况下的空化系数均小于电站的装置空化系数,除A834转轮外,各转轮限制工况下的空化系数还小于允许的最大临界空化系数σcmax,这为万安电站5号机组选用高参数水平的水轮机及增容创造了条件。3.2发电机对比及增容改造方案水轮机的比转速是水轮机的重要特征参数之一,它表征水轮机的综合技术水平。选用高比转速水轮机将给电站带来更大的经济效益,但比转速的提高往往受水轮机的运行稳定性、空化和磨蚀、刚度和强度等条件的制约,因而需针对电站的具体条件择优选取。为合理确定万安电站5号水轮机的比转速水平,对水头与万安电站相近的国内近年来投入运行的、改造的或正在兴建的、采用大中型轴流转桨式机组的电站资料进行了统计分析,见表3。从表3中可以看出,除大峡电站(黄河上电站)和平班电站外,一般轴流转桨式水轮机的比速系数水平在2500～2700之间。大化电站改造前的水轮机型号为ZZ440-HL-850,水轮机流道和水轮机额定参数与万安电站完全相同,大化下游的百龙滩电站投产后,大化电站的最大水头由38.7m降低至29.12m,尾水位抬高近10m,电站机组进行了增容改造,由于水轮机装置空化系数大大增加,虽然水轮机额定出力增大,但发额定出力的最小水头(即额定水头)却反而可以减小,其机组的增容改造无需考虑水轮机空化性能的要求。万安电站5号水轮机若选用较高的比转速虽然能增大水轮机的出力,但比转速的提高受到水轮机空化条件的制约,万安电站的最大水头为32.3m,较现在的大化电站高,而且水轮机的淹没深度裕量不大,因而万安电站5号水轮机比转速的选择应尽可能稳妥、可行,选择万安5号水轮机的额定点比转速约在550m-kW左右,相应水轮机的比速系数在2580左右。3.3预防预冷机单位转速从表1中可看出,可替代ZZ440型转轮的水轮机最优单位转速在123～134r/min之间。近年国内大、中型轴流转桨式水轮机额定工况单位参数见表4。从表4中可以看出,额定水头与万安电站相同或接近的水轮机额定单位转速在141～148r/min之间,按万安电站正常运行的特征水头计算,相应新转轮的水轮机最优单位转速在128.7～135.1r/min之间。由于5号水轮机的尾水管高度已确定,且高度低(仅为转轮直径的2.3倍),从改善水轮机的运行稳定性角度来看,新转轮的单位转速不宜选择过高。综合考虑,5号水轮机新转轮的最优单位转速取为130r/min,按电站特征水头换算,5号机新转轮的额定单位转速为142.4r/min,对应的水轮机额定点单位流量为1.70m3/s。45r/min计算机组转速按选择的转轮参数和电站正常运行的加权平均水头计算,机组同步转速为76.9r/min,与电站1～4号机组转速相同。根据水轮机比转速公式ns=n/H1.25,按选择的水轮机参数及电站水头条件计算,水轮机的额定出力为115.3MW,计入发电机效率,发电机额定容量为113MW。5增加机组出力在维持现有水轮机过流通道不变的前提下,采用现代水轮机水力设计技术开发出新的转轮,通过提高水轮机的参数水平,可