中高水头水轮机机型选择及参数设计

1工程概况

元根一级水电站位于铁厂河干流与干海子沟交汇处的元根地(1#厂址),流域面积为282.36km2,电站厂房尾水位为3019m,利用落差274m。下铺子至上铺子暗渠(1#暗渠)长1.15km,上铺子至元根地隧洞(1#隧洞)长5.82km,干海子至元根地隧洞(2#隧洞)长4.25km,木湾子至干海子隧洞(3#隧洞)长2.42km,压力管道长0.66km,设计引用流量为9.02m3/s,电站无调节能力。电站总装机容量2×10Mw,年平均发电量9176.3万kw·h,年利用小时4588h。本电站主要开发为发电,电站出线电压等级为110kV,一回出线。

电站枢纽主要由底格栏栅坝、前池溢流道、引水隧洞、压力钢管、发电厂房建筑物等组成。其中,引水系统采用传统的"一管两机"布置,每根支管设置进水球阀。

元根一级水电站最大水头272.1m,最小水头261.7m,额定水头264.8m,加权平均水头266.9m。

2水轮机机型选择

元根一级水电站水头范围为261.7~272.1m,装机容量20Mw,装机台数2台,根据设计手册及相关规范规定,可供选择的机型有冲击式水轮机及混流式水轮机两种。在本电站设计阶段,对上述两种机型的技术、经济等各方面进行了比较。

2.1投资及制造难度分析

从机组投资角度分析,冲击式方案的原型水轮机转轮直径大,额定转速低,对应的发电机机座号大,由于转轮直径偏大,降低了转轮的制造加工难度,却增加了机组整体重量,进而增加了机组造价。而混流式机组在本电站的运行水头范围内,国内水轮机制造厂具有成熟的技术经验,设计制造简单,因其转轮偏小,转速偏高,机组整体重量较轻,机组造价低。因此,在投资及制造难度方面,混流式水轮发电机组整体优于冲击式水轮机组。

2.2机组运行稳定性分析

冲击式机组具有双重调节机构,压力上升值和机组转速上升值容易控制在较低范围内,使得机组具有较好的调节性能,尤其是对于长引水管道的电站,在运行稳定性方面较混流式机组更具有优势。同时,冲击式水轮机能在额定出力的25%~100%范围内稳定运行,而混流式水轮机的额定出力范围则为45%~100%,故冲击式水轮发电机组的稳定运行范围大,运行调度灵活性较好,混流式水轮发电机组不具优势。

2.3机组运行维护分析

对于中低水头段水电站,上述两种机型的水轮发电机组运行经验均比较成熟,但混流式水轮机过流部件的流态较为复杂,其泥沙磨损和气蚀破坏比冲击式水轮机严重。而冲击式水轮机在大气中运行,气蚀磨损轻,且气蚀磨损多集中在喷针、喷嘴和冲击等部件,检修或更换零部件比较方便,检修装拆工作量较混流式水轮机小。

综上所述,在投资、制造难度、运行稳定性及维护等各方面,冲击式水轮机和混流式水轮机各具优缺点。

在该电站前期设计阶段,对这两种机型均进行了选择计算,结果如表1所示。

由表1可知,采用混流式机组具有以下优点:

(1)混流式机组尺寸小,机组转速高,机组整体造价比冲击式机组少20%左右。

(2)混流式机组的能量指标较高,其额定效率比冲击式机组高1.5%。

(3)额定工况下,满负荷出力时,混流式机组流量可比冲击式机组少4%。

(4)由于厂房开挖深度大,导致混流式机组可多利用电站水头约7m,同时还可回收部分尾水管动能。

(5)由于冲击式水轮机冲击受到交变冲击负荷,易产生疲劳,引起冲击断裂甚至飞斗现象,给电站的安全运行造成隐患。

综合上述所进行的两种机型的制造难度、运行稳定性、运行维护等方面进行分析,两种机型相差不大,但冲击式机组的安装高程较高,同时也减少了水头利用率。结合目前中高水头水电站建设经验,对于300m左右水头段的中高水头水电站,两种类型的机组运行经验均比较成熟,如表2所示,该电站最终推荐采用混流式水轮机。

3混流式水轮机主要参数

3.1转轮型号

该电站水头范围为261.7~272.1m,适用于该水头段的混流式转轮型号主要有HLD381B、HLA351、HLA542、HLA543,其转轮参数如表3所示。

从表3可知,HLD381B转轮在该电站的使用效率、空蚀性能都是最优,同时,该转轮具有15片叶片,其水力性能好,在小流量工况下能避免流道中产生回流,加大了机组运行的稳定性。由于叶片的受压面积增加,使得叶片单位面积负荷减轻,叶片正、背面压差减少,使得机组不仅效率高,空蚀性能和稳定性也更容易得到保证。故该电站推荐采用HLD381B型号的转轮。

3.2转轮直径、转速

3.2.1转轮直径的选取

反击式水轮机转轮直径D1可根据公式进行计算：

式中,Nf为发电机额定功率,取10000kw:Q1'为设计工况下单位流量,取0.155m3/s:Hsj为设计水头,取264.8m:7T为原型水轮机效率,92.5%:7f为原型发电机效率,97%。

将上述数据代入式)1),可得D1=1.30m。

3.2.2额定转速的选取

水轮机额定转速应按发电机的同步转速选取,其计算公式为：

式中,n1'为单位转速,取56.98r/min:Hpj为加权平均水头,266.9m:D1为转轮直径,1.30m。

将上述数据代入式)2),可得n=716.0r/min,因国内电网频率为50Hz,故可选额定转速为750r/min。则水轮机型号为(HLD381B-LJ-130。

4安装高程的确定

混流式机组安装高程V安主要取决于水轮发电机组的吸出高度Hs、最低尾水水位V尾及导叶高度b0。其计算公式为：

将上述数据分别代入式)3)、式)4),可得(Hs≤1.88m:V安=3019.98m。

5结语

本文通过对300m左右水头段内水轮机机型进行比较,可得出在此水头段内选择冲击式水轮机虽可减少电站开挖工程量及维护、检修工作量,但机组在设计制造水平、设备重量、及相应的投资等方面不如混流式水轮机具有优势,故水头在300m左右、机组容量较大的情况下,水电站的水轮机应选用混流式水轮机为宜。