高水頭小容量水輪發(fā)電機(jī)組的選型設(shè)計(jì)

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　摘要：根據(jù)三斗水庫(kù)電站水輪機(jī)組為高水頭、小容量的特點(diǎn)，結(jié)合溪屯溪水電站群在建甌市電力系統(tǒng)中為輔助調(diào)頻電站的情況，走訪(fǎng)主要水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備制造廠(chǎng)，在機(jī)組訂貨和施工設(shè)計(jì)時(shí)就采取相應(yīng)改進(jìn)措施。投運(yùn)后，達(dá)到設(shè)計(jì)要求，機(jī)組運(yùn)行狀況良好，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

　　關(guān)鍵詞：小型水電站 水輪發(fā)電機(jī)組 小型水輪機(jī) 高水頭水輪機(jī) 水輪機(jī)選型 經(jīng)濟(jì)效益

　　1工程簡(jiǎn)況

　　三斗水庫(kù)為建甌市溪屯溪流域水電資源開(kāi)發(fā)規(guī)劃的龍頭水庫(kù)，總庫(kù)容530萬(wàn)m³，興利庫(kù)容437萬(wàn)m³，為年調(diào)節(jié)水庫(kù)。電站壓力引水隧洞長(zhǎng)2160m，明敷壓力鋼管長(zhǎng)438m，最高水頭200.43m，設(shè)計(jì)水頭174.7m，最低發(fā)電水頭152.9m，設(shè)計(jì)流量1.84m³／s，裝機(jī)容量2×1250kW.多年平均發(fā)電量827.58萬(wàn)kW·h，P＝75％保證出力690kW，設(shè)備年利用小時(shí)3310h，水庫(kù)及電站概算總投資2037萬(wàn)元。

　　三斗水庫(kù)電站及赤坑水電站（裝機(jī)2000kW）為溪屯溪規(guī)劃開(kāi)發(fā)的第一期工程，1986年12月動(dòng)工，赤坑電站于1998年5月竣工發(fā)電，三斗電站于1999年9月開(kāi)始試運(yùn)行。

　　2水輪發(fā)電機(jī)組的選型設(shè)計(jì)

　　三斗水庫(kù)電站設(shè)計(jì)水頭174.7m，單機(jī)容量1250kW，為高水頭、小容量水輪發(fā)電機(jī)組，查“中小型反擊式水輪機(jī)使用范圍綜合圖”，本電站水輪機(jī)選擇在沖擊式水輪機(jī)范圍。沖擊式水輪機(jī)具有構(gòu)造簡(jiǎn)單、出力變化時(shí)對(duì)機(jī)組效率影響較小等優(yōu)點(diǎn)，特別是其折向器的作用對(duì)調(diào)保有利，可節(jié)省調(diào)壓井等水工建筑物的造價(jià)，但其轉(zhuǎn)速低，機(jī)組體積大；混流式水輪機(jī)則其轉(zhuǎn)速高，機(jī)組體積小，且運(yùn)轉(zhuǎn)可靠效率較高，并有適應(yīng)水頭范圍寬的優(yōu)勢(shì)，還可利用尾水管回收能量，減少?gòu)S房開(kāi)挖工程，但在低負(fù)載時(shí)機(jī)組效率降低較多。經(jīng)機(jī)型選擇計(jì)算，初選了CJA237－W－125／14.5水輪機(jī)，配套SFW1250－14／1730發(fā)電機(jī)和HLD54－WJ－55水輪機(jī)，配套SFW1250－4／1170發(fā)電機(jī)兩種機(jī)型。

　　走訪(fǎng)閩、浙、贛三省主要水輪發(fā)電機(jī)設(shè)備制造廠(chǎng)，廠(chǎng)家表示兩種機(jī)型均可生產(chǎn)供貨，對(duì)高轉(zhuǎn)速機(jī)組的運(yùn)行都有所擔(dān)心，推薦本站采用沖擊式機(jī)組。初步報(bào)價(jià)兩種機(jī)型的水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)主設(shè)備價(jià)格相差懸殊，沖擊式1套141.2萬(wàn)元，混流式1套只70萬(wàn)元。初設(shè)中經(jīng)兩種機(jī)型的輔助設(shè)備配套和水工建筑物不同方案的投資對(duì)比，在造價(jià)上選用混流式機(jī)組仍可節(jié)省84.2萬(wàn)元；此外選用HLD54－WJ－55水輪機(jī)在本站的水力條件下，運(yùn)行區(qū)域很理想，溪屯溪水電站群在建甌市電力系統(tǒng)中為輔助調(diào)頻電站，對(duì)有水庫(kù)調(diào)節(jié)的更應(yīng)發(fā)揮頂峰作用，一般時(shí)間在較高出力區(qū)運(yùn)行，既使水庫(kù)水位變化，機(jī)組也運(yùn)行在較高效率區(qū)內(nèi)，為此初設(shè)推薦選用HLD54－WJ－55配SFW1250－4／1170水輪發(fā)電機(jī)組。

　　3小轉(zhuǎn)輪高轉(zhuǎn)速混流式水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)

　　行問(wèn)題和改進(jìn)措施選用混流式水輪發(fā)電機(jī)組，其額定轉(zhuǎn)速達(dá)到1500r／min，其運(yùn)行狀況是我們最為關(guān)注的問(wèn)題，據(jù)設(shè)備生產(chǎn)廠(chǎng)家介紹，當(dāng)時(shí)浙、贛兩省尚沒(méi)有相近規(guī)模高水頭小轉(zhuǎn)輪高轉(zhuǎn)速的水電站，僅福建水力發(fā)電設(shè)備廠(chǎng)制造安裝在龍巖大片溪水電站（H＝177.7m，HLD54－WJ－60，SFW1600－4／1170）和漳平嶺兜水電站（H＝180m，HLA179－WJ－60，SFW1600－4／1170）有4臺(tái)機(jī)組水力條件和裝機(jī)規(guī)模相近，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為1500r／min，并已建成發(fā)電。

　　經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察，兩站4臺(tái)機(jī)組均已投產(chǎn)1年以上，運(yùn)行中主要問(wèn)題為：機(jī)組轉(zhuǎn)速高、噪音大，軸承溫度偏高（推力軸承63℃，導(dǎo)軸承55℃），軸承潤(rùn)滑油為油泵供油外循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，設(shè)置了重力油箱、回油箱、油泵及冷卻水池等設(shè)施，不僅增加投資加大運(yùn)行維護(hù)工作量，而且供油或供水系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)易發(fā)生燒瓦事故或被迫停機(jī)維修而影響正常發(fā)電。

　　在機(jī)組訂貨和施工設(shè)計(jì)時(shí)，經(jīng)與福建水力發(fā)電設(shè)備廠(chǎng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)有關(guān)人員多次協(xié)商探討，擬定了幾項(xiàng)改進(jìn)措施：

　　1）推力軸承采用尼龍軸瓦，改進(jìn)導(dǎo)軸承底瓦冷卻裝置降低軸承溫度，同時(shí)潤(rùn)滑油改為自供內(nèi)循環(huán)，取消油泵供油外循環(huán)冷卻系統(tǒng)。不僅簡(jiǎn)化供油供水系統(tǒng)，節(jié)省投資節(jié)約廠(chǎng)用電，而且減輕運(yùn)行人員的維修工作量，關(guān)鍵是減少了燒瓦事故和停電損失。

　　2）技術(shù)供水采用頂蓋取水，改變初步設(shè)計(jì)時(shí)的水泵供水方案，施工設(shè)計(jì)時(shí)技術(shù)供水系統(tǒng)改為以頂蓋取水為主，水泵供水為備用的設(shè)計(jì)方案，并在供水總管設(shè)置壓力控制器和排水電磁閥等元件，電氣自動(dòng)化回路設(shè)計(jì)中增加了供水壓力過(guò)高（超0.35MPa）時(shí)自動(dòng)排水降壓，過(guò)低時(shí)（0.2MPa）自動(dòng)開(kāi)啟供水泵增加供水壓力和水量。

　　3）發(fā)電機(jī)采用空冷器密閉循環(huán)空氣冷卻，并采取其他措施降低機(jī)組噪音。在改進(jìn)措施逐項(xiàng)落實(shí)后才簽署訂貨合同，付諸工程實(shí)施。

　　4試運(yùn)行效果及經(jīng)濟(jì)效益

　　三斗水庫(kù)電站在大壩、引水系統(tǒng)、廠(chǎng)房土建工程進(jìn)行預(yù)驗(yàn)收后，開(kāi)始進(jìn)行蝸殼充水、機(jī)組啟動(dòng)、帶負(fù)荷、甩負(fù)荷等試驗(yàn)，并經(jīng)72h試運(yùn)行。由于有關(guān)單位的重視、配合和安裝隊(duì)的精湛工藝，機(jī)組試車(chē)基本上一次成功。當(dāng)時(shí)大壩砌筑尚未達(dá)設(shè)計(jì)高程，水庫(kù)水位754.00m，電站毛水頭167.6m，導(dǎo)水葉開(kāi)度76％時(shí)發(fā)電機(jī)出力即達(dá)到1250kW，其頂蓋取水的供水壓力、水量，各部溫度以及甩100％負(fù)荷的壓力、轉(zhuǎn)速上升率均能符合設(shè)計(jì)和運(yùn)行條件的要求。

　　1）技術(shù)供水由頂蓋取水是成功的三斗水庫(kù)電站為高水頭小轉(zhuǎn)輪臥式混流式水輪機(jī)，D1＝55cm，采用頂蓋取水附近省份尚無(wú)先例，可能是采用頂蓋取水作為技術(shù)供水最小的轉(zhuǎn)輪。按設(shè)備制造廠(chǎng)的技術(shù)資料，技術(shù)供水的壓力0.1MPa～0.2MPa，每臺(tái)機(jī)空冷器需水量34m³／h，推力軸承7m³／h，加2個(gè)導(dǎo)軸承總需水量約55m³／h；試運(yùn)行時(shí)測(cè)得機(jī)組空載時(shí)供水總管壓力0.21MPa～0.27MPa，供水量61m³／h，滿(mǎn)載時(shí)供水壓力0.3MPa，供水量73m³／h（經(jīng)各分支閥門(mén)調(diào)節(jié)控制進(jìn)入冷卻器水壓為0.13MPa～0.15MPa），隨著大壩的繼續(xù)砌筑和水庫(kù)水位的升高，頂蓋取水的壓力和水量還將加大，可滿(mǎn)足機(jī)組自空載至滿(mǎn)載時(shí)技術(shù)供水的需要。

　　2）取消軸承潤(rùn)滑油由油泵供油外循環(huán)冷卻的供油系統(tǒng)是可行的2臺(tái)機(jī)組在72h試運(yùn)行中，以電阻法測(cè)得推力軸承溫度為48℃～50℃，導(dǎo)軸承為32℃～38℃，發(fā)電機(jī)定子溫度在70℃左右（1號(hào)機(jī)最高點(diǎn)為87.5℃），均符合設(shè)備制造技術(shù)文件和規(guī)范規(guī)定長(zhǎng)期安全運(yùn)行的要求。

　　3）機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定、噪音明顯降低機(jī)組安裝各部間隙、擺度達(dá)到規(guī)范的優(yōu)良水平，在甩100％負(fù)荷時(shí)測(cè)量推力軸承最大振幅0.01mm，垂直振幅0.005mm～0.015mm，聯(lián)軸器擺度0.20mm～0.25mm，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定。三斗電站為壓力管跨河布置的半封閉防洪廠(chǎng)房，靠河邊一側(cè)主廠(chǎng)房大部分又被爆破膜室所遮蓋，噪音擴(kuò)散條件較差，一般廠(chǎng)內(nèi)噪音較大，試運(yùn)行時(shí)廠(chǎng)房噪音與同類(lèi)型中低轉(zhuǎn)速機(jī)組的廠(chǎng)房相近，廠(chǎng)內(nèi)運(yùn)行條件尚可。

　　三斗水庫(kù)電站選用HLD54－WJ－55配SFW1250－4／1170水輪發(fā)電機(jī)組，運(yùn)行狀況良好，其經(jīng)濟(jì)效益也是可觀的。

　　1）機(jī)組及配套設(shè)備加上水工建筑等因素，混流式比沖擊式節(jié)省建設(shè)投資84.2萬(wàn)元。

　　2）在三斗的水力和運(yùn)行條件下，混流式機(jī)組的運(yùn)行效率比沖擊式機(jī)組高3％，年可多發(fā)電24.8萬(wàn)kW·h，尾水管回收能量多利用水頭每年可多發(fā)電8.64萬(wàn)kW·h，每年可增加售電收入17萬(wàn)元；按同樣設(shè)備年利用小時(shí)計(jì)，相當(dāng)于多裝機(jī)100kW.

　　3）頂蓋取水和取消軸承潤(rùn)滑油由油泵供油外循環(huán)冷卻系統(tǒng)，不僅節(jié)省了設(shè)備和土建投資，每年可節(jié)約廠(chǎng)用電14萬(wàn)kW·h，每年可增加售電收入7萬(wàn)元。