万家寨引黄工程运行总结

万家寨引黄工程运行总结

1总结1.1能源基地及排水系统源万家寨黄工程位于山西省西北部，西起晋蒙交界处的万家寨水库，南至太原，东至大同。这是中国在国内外进行的大规模跨流域税收征管项目。它的任务是为太原、大同和朔州的三个能源基地提供工业和城市生活水。工程输水线路总长452km,由总干线、南干线、北干线和联接段组成,提水总扬程778m,总引水流量48m3/s,年引水量12亿m3,装机45台套,泵组总装机容量461MW,运行容量348MW,沿线海拔高程为900～1600m。工程分两期建设,第一期工程主要经总干线、南干线和联结段向太原市年供水3.2亿m3,静态总投资103亿元人民币,其中世界银行贷款3.25亿美元。二期工程将经总干线、北干线实现向大同和朔州供水。1.2无线传感器网络系统的基本组成根据工程引水线路和泵站总体布置,各级泵站进、出水系统水位特征参数如表1。2类型和参数的选择2.1泵型、结构及参数选择泵型结构的选择涉及到如下几方面:①当前国内外水泵电动机组设计制造技术水平;②对含沙水流通流部件适应磨蚀问题的能力;③对泵站地质地形条件布置的适应性;④对关键技术参数和能量指标的影响;⑤长期运行的可靠性及安装、拆卸、维护特性;⑥综合投资。为保证工程长期运行效益和技术水平,引黄工程在泵型、结构及参数选择时争论的焦点主要集中在是采用立式泵还是卧式泵,是采用单级泵还是双级泵。所涉及的泵型结构主要为:单级单吸立式离心泵、双级单吸立式离心泵、单级双吸卧式离心泵以及双级单吸卧式离心泵。双级泵能够降低流道流速,减轻转轮的泥沙磨损,但结构较复杂,易损件多,制造加工难度大,特别是国内尚无立式结构、大容量水泵的生产制造经验,应用于含沙水流时机尚不成熟;卧式双吸泵流道结构复杂、易磨损件多,水力效率低,占地面积大,不利于地下厂房的设计;卧式单吸泵在扬程高和流量大的情况下需采用双级结构,转动轴系复杂,受力不好,易受泥沙磨损,存在稳定性问题。因此,经过多方论证和研究,工程最终选用了结构简单、综合性能和抗磨蚀能力较好、易于实施抗磨涂层保护、制造技术和工艺比较成熟的单级单吸立式离心泵组。2.2工程引黄工程梯级调水工程水泵单机流量的确定要考虑如下几方面:①泵站总装机台数规模和对备用容量的影响;②泵组单机容量和对电动机启动方式的影响;③通流部件泥沙磨损对水泵出流量的影响;④扬程变化时对梯级流量调节平衡的影响;⑤设备制造经验和制造难度。引黄工程最终引水规模48m3/s,第一期引水12.9m3/s,可供选择的单机额定流量方案为4.3m3/s和6.45m3/s,配套电动机容量7800kW和12000kW。4.3m3/s方案对运行调度比较灵活,但装机台数偏多,投资较大;另一个重要的原因是不论采用哪个单机流量,经过长期广泛的调研和与国内大中型水泵厂、水轮机厂、科研单位技术交流和论证,确认当时国内尚缺乏制造这种大流量高扬程离心泵组的技术和经验,一些有价值的研究成果也还不能及时转化为实际应用,因此,推荐国外引进与国内技术消化相结合,采用6.45m3/s方案。2.3水泵比转速方案确定比转速是表征水力机械水力结构形式和综合性能的度量指标,表达为ns=na√H3/4ns=naΗ3/4。同一水力结构形式的水泵,采用高的比转速将有利于提高机组的运行效率,减小机组尺寸,降低设备造价和厂房布置尺寸,但水泵的空蚀性能和抗泥沙磨蚀能力将随水泵比转速的提高趋于下降。为保证水泵的安全运行,需要较大的泵站装置气蚀余量(NPSHav),而且,伴随比转速的提高,泵组制造难度加大。从国际上可逆式水泵水轮机、蓄能泵及水泵技术发展水平与趋势上看,由于设计水平和制造工艺水平的不断提高,使用水头/扬程在不断提高,而同一水头/扬程下的比转速水平也在逐年提高。根据对国内外已投入运行的水泵及水泵水轮机泵工况统计资料分析,单吸离心泵扬程在200m以下时,为了保证同时得到良好的能量指标和抗泥沙磨蚀能力,引黄工程水泵最优比转速ns宜取在(384～548)Hp-0.5;双吸泵ns宜取在(274～410)Hp-0.5;同期统计的国外大中型混流可逆式水泵水轮机在扬程小于250m时,泵工况的比转速水平nsp为32.5±1528.76/(Hp+3),式中Hp为水泵最优效率点扬程,对应于水泵统计水平的上限。按照上述统计资料,当引黄工程采用单级单吸泵时水泵比转速水平确定如表2。从与世界知名水泵、水轮机、水泵水轮机设备制造商技术交流情况看,当GM1、GM2、SM1和SM2泵站采用扬程142m、额定流量6.45m3/s时,参与交流的6个国际制造商均推荐采用600r/min方案,对GM3泵站,则推荐采用500r/min和600r/min均可,主要决定于工程需要。因此,最终确定GM3泵站水泵取同步转速500r/min,相应ns=49.3,以K=3.65nspHp-0.5表示,则K=1569;GM1、GM2和SM1、SM2泵站水泵取同步转速600r/min,相应ns=37.4,K=1615。2.4按水泵流量为5.5.2%效率是体现设备设计、制造技术和工艺水平的重要指标。万家寨引黄工程作为一个大型跨流域梯级调水工程,最终总装机容量达461MW,运行容量348MW,每1%的效率提高年电耗可减少3000余万kW·h,节能效益非常显著。上世纪90年代初,国内制造可逆式水泵水轮机和大型立式离心泵的技术经验尚不成熟,已投入运行的大中型双吸单级离心泵效率统计水平为ηpmax=67.71+0.211ns-5.822×10-4ns2(%),而同期国外可逆式水泵水轮机泵工况统计效率水平为ηpmax=85.76+6.43×10-2ns-1.577×10-4ns2(%),同一比转速下两效率相差5%～7%;国外知名水泵厂家生产的同类型水泵效率统计至少要比国内水平高3%～5%。因此,考虑到含沙水流对水泵通流部件磨损的影响,经过论证推荐引黄工程用单级单吸立式离心泵最优点效率应不低于89%,争取达到91%以上,在整个运行区域和一个运行期内的加权平均效率不应低于87%。从与国外制造厂进行的技术交流看,推荐最优点效率在90%±1.5%,与引黄工程做的参数论证基本一致。从1990年开始,针对单级单吸泵比转速ns=33～46、双级单吸泵ns=45～67,参照IEC497“蓄能泵模型验收试验国际规程”规定,完成了比转速为34,38,44,55五套装置,共8个转轮的单级单吸立式离心泵水力模型和两套比转速为49的立式双级单吸离心泵水力模型清、浑水各项试验研究,并通过了水利部组织的专家鉴定。其中,单级单吸泵水力模型最优工况点效率超过86%,双级单吸泵水力模型最优工况点效率超过87%,最高模型效率达到了91.82%,大部分转轮除了具有良好的能量指标,还具有优良的气蚀性能,为后来引黄工程设备国际招标模型和原型水泵结构,关键技术指标和技术参数的确定打下了坚实基础。2.5水泵前池及水泵扬程区域内、进水前池的质量指标水泵淹没深度取决于水泵运行所需要的最小气蚀余量(NPSHRe),该值由水泵的吸水室、转轮结构以及运行工况决定。NPSHRe通常需要通过模型气蚀试验或分析实际运行资料确定。根据引黄工程进行的水力模型试验研究,单级单吸泵当水泵比转速ns=38时,模型水泵临界点气蚀余量NPSHc为2.6～3.7m,如果用装置气蚀系数(σ=NPSHc/Hp)表示,σ=0.087～0.168;水泵比转速ns=49.3时,NPSHc为3.0～3.5m,σ=0.18～0.20。上述试验结果比美国水力学会和斯捷潘诺夫的试验统计关系σ=3.844×10-5ns4/3要小。根据试验结果,在各级泵站全部运行扬程区域内和进水前池各种运行水位下所需要的最低淹没深度,当以设计水位为基准时要求满足:GM1、GM2泵站Hs≤-15m;GM3泵站Hs≤-11m;SM1、SM2泵站Hs≤-14m。国际制造商交流推荐GM1、GM2、SM1、SM2泵站Hs在-11.0～-13.5m;GM3泵站Hs在-7.0～-9.0m。当考虑当地海拔修正、进水系统水力损失等因素后,实际采用的安装高程和相应的淹没深度Hs为:GM1:937.00m,Hs=-20m(输水系统要求);GM2:1070.00m,Hs=-16m(输水系统要求);GM3:1205.60m、Hs=-12.09m;SM1:1270.00m,Hs=-14.20m;SM2:1403.30m,Hs=-14.20m。2.6水泵及水泵群运行要求为保证总装机容量461MW,运行容量达348MW,总装机台数达45台套的大型泵站群的安全运行,引黄工程由专设的一座220kV变电站供电。由于每年10个月的连续运行,年运行电费是工程供水成本的主要组成部分。在电动机选型上要解决的几个关键问题是:①应保证电动机具有较高的效率指标以使泵站具有较高的装置效率,定速电动机额定效率ηM不得低于97%,世界银行咨询评估备忘录中也强调了这一点;②为提高电网利用率,降低电力系统损耗,要求各级泵站电动机组应具有较高的功率因数cosΦ,尽可能接近1;③要求电动机抗干扰能力强,尤其要考虑在引黄工程多机组泵站群运行的情况下,任何一级泵站水泵电动机组的启动对本泵站和其它泵站正在运行机组的稳定性影响,包括无功补偿问题;④平均无故障时间间隔(MTBF)要长;⑤国内外应有成熟的制造和应用经验。根据以上原则和要求,对采用同步电动机、鼠笼型异步电动机及绕线型异步电动机进行了比较。同步电动机效率高,功率因数高且可无级调节,抗干扰能力强,国内有成熟的运行经验而国外有成熟的制造经验,适用于大型电动机组,虽然设备投资较大,但综合性价比最优,对其电动机额定效率的要求为:12000kW定速电动机≥97.1%,12000kW变速电动机≥96.7%、6500kW变速电动机≥96.4%。2.7电机组启动方式进展大容量同步电动机的变频启动和变频运行是引黄工程的关键技术之一。引黄工程全线输水系统水力组成复杂,由于受到沿线地形地质条件的限制,未建较大的调蓄水库,整个系统的运行调度主要以流量调度为主。因存在水泵电动机组加工制造偏差,机组开停机以及沿线水面蒸发,输水系统渗漏,水泵通流部件泥沙磨蚀等诸多因素,泵站间必然存在供需流量偏差而增加了系统控制的难度。为保证整个输水工程的安全,引黄工程主要通过如下途径实现梯级流量平衡控制和电动机组的启动。(1)利用引黄工程首部两座泵站GM1、GM2有压隧洞串联,在GM2泵站出水口修建有效调节容积为14.7万m3申同嘴日调节水库并设置调节弧门和流量调节阀,在GM3泵站进水系统增设调节容积为2万m3的扩大前池,将因万家寨水库水位变化和各种流量不平衡因素造成的流量偏差转化为水量控制和流量控制相结合,使控制系统简化,降低控制难度。(2)在水工调蓄设施不具备的GM3到SM2泵站,利用变速运行技术实现水泵出水流量的无级调节,解决从GM3泵站到SM2泵站间的流量平衡控制问题。要求水泵电动机组的变速运行能力可实现在多台定速机组和变速机组并联运行情况下调节单台水泵额定流量的30%以上。对世界上目前已采用的诸如液力偶合器调速、串极调速、可控硅变频运行调速(SFC)等分析表明,对于大容量同步电动机,采用可控硅变频运行调速(SFC)技术在设计、制造和应用上,都是成熟的、合适的。(3)通过深入论证和电力系统仿真模拟,采用可控硅变频装置(SFC)作为大型电动机组主启动方式,直接启动方式为辅。变频启动方式虽然系统组成比较复杂,投资较大,对运行技术要求高,但作为重要的大型电动机组的软启动设备有其显著的优越性,譬如启动电流小,对电网和周围用户无冲击,转矩特性好,启动可靠等,其配置见表3。2.8根据初步设计阶段的设备参数补充初步设计阶段拟订的引黄工程各级泵站水泵主要特征参数和技术指标如表4。3招标文件的采购3.1程水泵站的一些复杂问题为解决引黄工程水泵泥沙磨损后的快速修理和维护问题,经过设计、科研、制造厂以及中外专家多年的共同论证研究,确定水泵采用蜗壳明设布置、转轮芯包中拆结构方案。该容量的水泵电动机组采用这种结构布置方式在国内外已建引调水工程泵站中尚无应用先例,一些复杂问题也是以往水电工程未曾遇到的,主要表现在以下几个方面:①加设长中间轴的大容量高转速水泵电动机组轴系的稳定性;②水泵转轮芯包快速拆装结构和大尺寸高压明蜗壳水泵支撑结构设计;③缺乏清洁水源地区,含沙水流高扬程立式离心泵主轴密封结构;④高转速、具有狭长流道叶片转轮的水力性能设计和流道抗泥沙磨蚀涂层保护工艺;⑤大容量电动机组变频运行装置的设计及其变速充水、启动和控制;⑥大容量、高转速同步电动机组的转子、定子、推力轴承结构设计和冷却系统设计;⑦大容量、多泵组群在电网系统的运行稳定性研究;⑧配套大口径、高压液压缓闭止回蝶阀的结构设计和液压系统可靠性设计;⑨多台定、变速机组并联运行以及梯级泵站群的水力过渡过程。3.2开设置水轮发电机组从上世纪70年代末期,我国陆续在黄河上建设了一批大型中高扬程引调水工程,典型的如甘肃景泰川抽黄灌溉工程,泵型1200S56和800S80,水泵扬程分别为56m和80m,单机流量1.97m3/s和3.0m3/s;陕西东雷抽黄灌溉工程,泵型H4、H3、H2,水泵扬程分别为110,150,225m(双级泵),单机流量分别为4.3,3.5,2.2m3/s,基本采用了卧式双吸铸造结构中开离心泵。其中1200S56原型水泵名义最高效率达到88.1%,而H型泵设计效率只有80%,由此可见与国际水平的巨大差异。上世纪80年代末90年代初,我国陆续建设了多座大型抽水蓄能电站,如潘家口,广蓄Ⅰ、Ⅱ期,十三陵,天荒坪,溪口等,这些电站可逆式水轮发电机组及其主要附属设备基本从国外采购。由于未能实现国产化,目前正建或筹建的其他大型抽水蓄能电站的主机设备仍需立足进口,这也导致国内在可逆式水泵、水轮机(泵工况)的设计和研究进展十分缓慢,制造技术和经验与国外差距也较大。上世纪90年代初期,引黄工程提出要参照国际IEC对水泵水轮机和蓄能泵的标准进行引黄工程水泵电动机组的设计、模型验收试验、制造和运行,曾引起水泵行业和水轮机行业广泛的关注和争论。在世界银行咨询专家评估和考察意见中,以国内有关制造厂(包括水泵厂和水轮机厂)缺乏必要的技术和经验,无法保证引黄工程设备技术水平和工程运行效益为由,要求采用国际招标从国外制造厂采购。为了能够尽快提高我国水泵的设计制造水平,为引黄工程二期建设打下基础,同时也为我国可逆式水泵水轮机的设计创造条件,1997年,引黄工程水泵电动机组及其附属设备国际招标,鼓励在以外国制造商牵头总负责的情况下与中国制造商联合投标。3.3严格的采购流程引黄工程水泵电动机组及其附属设备国际招标要求完全按照世界银行与我国财政部达成的货物国际招标采购导则,采用世界银行贷款采购。第一期工程主机设备采购范围为15台套水泵电动机组及其附属设备,包括15台水泵、15套电动机、30套高压大口径液压缓闭止回蝶阀和电动蝶阀、8套大容量变频启动及变频运行装置、15套LCU、继电保护及励磁装置等。为了采购到性能优良、价格合理的主机设备,整个过程采用了严格的采购流程:技术交流和调研,投标人投标资格预审,向通过资格预审的投标人售标,投标人密封投标,公开开标和封闭评标,授标,合同谈判,合同签定及设计联络会。其中,对投标人的投标资格进行预审作为大型重要设备采购过程中一个非常重要的阶段为后续的招评标工作创造了良好的基础和条件。1997年,引黄工程共有40余家国内外投标商参加了资格预审,其中德国KSB-SIEMENS联营体(国内为上海KSB)、德国VOITH-捷克SKODA联营体(国内为上海希科)、日本ITOCHU-HITACHI联营体、法国CEGELEC-ALSTHOM-瑞士SULZER联营体(国内为天津天发)和日本MARUBENI-EBARA-TOSHIBA联营体(国内为哈电)五家投标商通过了资格预审。3.4验收、评标、采购为保证水泵电动