劉曉薇

(大連市輕工業(yè)學(xué)校數(shù)理教研室，遼寧大連116024)

伴隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)的用電量也在與日俱增，出現(xiàn)嚴(yán)重的供需不平衡。據(jù)統(tǒng)計(jì)2006年，全社會(huì)用電量繼續(xù)保持快速增長(zhǎng)，前三季度，全社會(huì)用電量20 757.98億千瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)13.70%。2006年前三季度全國(guó)電力供需仍呈現(xiàn)供需緊張形勢(shì)，國(guó)家電網(wǎng)公司經(jīng)營(yíng)區(qū)域累計(jì)拉閘限電一萬(wàn)余次，拉閘限電損失電量1.41×108千瓦時(shí)。從總體上看，前三季度全國(guó)尖峰負(fù)荷最大電力缺口在1×107千瓦左右。

目前電力供應(yīng)緊張成為制約國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，解決這一矛盾最有效的方法就是大力發(fā)展電力事業(yè)。隨著人們對(duì)環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，火力發(fā)電逐漸受到制約，技術(shù)的不成熟也阻礙了風(fēng)力發(fā)電和核電發(fā)展的腳步。相比之下，技術(shù)成熟的水力發(fā)電倍受人們青睞，而且水又是無(wú)污染的可再生能源。目前我國(guó)用電需求迫在眉睫，需大興水電，來(lái)滿足我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。

根據(jù)全國(guó)水力資源復(fù)查結(jié)果，我國(guó)大陸水力資源理論蘊(yùn)藏量為6.94×108kW，年發(fā)電量為6.08×1012kW·h，技術(shù)可開(kāi)發(fā)發(fā)裝機(jī)容量為5.42×108kW，到2006年已開(kāi)發(fā)和正在開(kāi)發(fā)的裝機(jī)容量為1.3×108kW。國(guó)家初步規(guī)劃到2010年常規(guī)水電裝機(jī)容量達(dá)到194 000 MW，開(kāi)發(fā)程度35%。到2020年常規(guī)水電裝機(jī)容量達(dá)到328 000 MW，開(kāi)發(fā)程度達(dá)60%?？梢?jiàn)我國(guó)水力資源有非常大的開(kāi)發(fā)潛力。

在這樣的背景下，為了加快我國(guó)水電事業(yè)，促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速穩(wěn)定發(fā)展，進(jìn)行了本次設(shè)計(jì)。

2 水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)

2.1 水電站設(shè)計(jì)條件

YBS水電站基本設(shè)計(jì)參數(shù):

該電站遠(yuǎn)離負(fù)荷中心，在系統(tǒng)中擔(dān)任基荷。

2.2 水輪機(jī)選型的任務(wù)

(1)確定電站臺(tái)數(shù)及單機(jī)功率;

(2)選擇水輪機(jī)的類(lèi)型和型號(hào);

(3)確定機(jī)組布置方式;

(4)確定轉(zhuǎn)輪直徑，額定轉(zhuǎn)速等參數(shù)。

2.3 水輪機(jī)臺(tái)數(shù)及水輪機(jī)型式的選擇

在水電站裝機(jī)容量已確定的情況下，機(jī)組臺(tái)數(shù)的確定，也就是單機(jī)容量的確定。機(jī)組臺(tái)數(shù)的多少直接影響到電廠的動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)與運(yùn)行的靈活性、可靠性，還影響到電廠建設(shè)的投資等，有時(shí)是與水輪機(jī)型號(hào)的選擇及其主要參數(shù)的計(jì)算同時(shí)進(jìn)行，這實(shí)際上是一個(gè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較過(guò)程。

一般來(lái)說(shuō)，中小型機(jī)組臺(tái)數(shù)以2－3臺(tái)較為合適，最大不超過(guò)4臺(tái)，當(dāng)多種機(jī)組性能均符合電站基本參數(shù)時(shí)，機(jī)組臺(tái)數(shù)的選擇應(yīng)在經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較的基礎(chǔ)上選擇最優(yōu)方案，選擇出合理的機(jī)組臺(tái)數(shù)。

YBS電站從工程投資和技術(shù)方面綜合考慮，裝兩臺(tái)機(jī)方案機(jī)電設(shè)備投資較省，綜上考慮，確定該電站裝機(jī)臺(tái)數(shù)為2臺(tái)，單機(jī)容量為8.5 MW。

根據(jù)水電站的實(shí)際情況正確的選擇水輪機(jī)的型式是水輪機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。雖然各類(lèi)水輪機(jī)有明確的適用水頭范圍，但由于它們的適用范圍存在著交叉水頭段，因此，必須根據(jù)水電站的具體條件對(duì)可供選擇的水輪機(jī)進(jìn)行分析比較。

如表1所示［1］，比較水頭范圍可知，混流式和軸流式較合適。

表1 中小型水電站水輪機(jī)的主要類(lèi)型和使用范圍

考慮到混流式水輪機(jī)具有比轉(zhuǎn)速高、機(jī)組尺寸小、造價(jià)低，水頭可以全部利用以及滿載時(shí)效率高等優(yōu)點(diǎn)，而適合該電站水頭范圍的水輪機(jī)主要以混流式為主，因此該電站選擇混流式水輪機(jī)形式，且選擇立式布置。

1.4 水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)步驟

1.4.1 確定水輪機(jī)模型轉(zhuǎn)輪型號(hào)

根據(jù)YBS水電站的幾個(gè)特征水頭(最大水頭、最小水頭、額定水頭等)，特別是其最大水頭Hmax。在滿足水頭條件的情況下，初選模型轉(zhuǎn)輪為:HL260/A244，參數(shù)如表2所示。

1.4.2 水輪機(jī)基本參數(shù)的計(jì)算

表2 不同型號(hào)轉(zhuǎn)輪參數(shù)

(1)初選設(shè)計(jì)工況點(diǎn)［2］

式中:n11r為初選設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的單位轉(zhuǎn)速，r/min;n110為模型轉(zhuǎn)輪在最優(yōu)工況時(shí)的單位轉(zhuǎn)速，為80 r/min;Hw為水電站平均水頭，45.6 m;Hr為水電站額定水頭，38 m。計(jì)算得:n11r=87.64 r/min。

從HL260/A244模型綜合特性曲線上查得設(shè)計(jì)工況點(diǎn)為A，其單位流量為Q11r=1.246 m3/s，單位轉(zhuǎn)速為n11r=82.3 r/min。

(2)轉(zhuǎn)輪直徑D1的計(jì)算

式中為D1為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑，m;Pr為水輪機(jī)額定功率，計(jì)算為8894.167 kW;Pg為發(fā)電機(jī)額定功率，8.5 MW;ηg為發(fā)電機(jī)效率，中小型機(jī)組取0.95～0.97;本次設(shè)計(jì)取0.96;η為原型水輪機(jī)效率，由初選設(shè)計(jì)工況點(diǎn)的效率再加上1%～2%的修正值得到:η=ηmA+ε%(1≤ε≤3)。另外，η也可根據(jù)水輪機(jī)型號(hào)近似選取，即HL水輪機(jī)η=0.89－0.90［3］;本次取0.9。經(jīng)計(jì)算:D1=1.85 m。根據(jù)現(xiàn)在水輪機(jī)廠家的制造能力，初步確定D1=2.0 m。

(3)水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速n的選擇計(jì)算

1)確定水輪機(jī)額定轉(zhuǎn)速n

水輪機(jī)轉(zhuǎn)速的選擇主要考慮［4］:①轉(zhuǎn)速與機(jī)組尺寸的關(guān)系，轉(zhuǎn)速每提高一個(gè)檔次，發(fā)電機(jī)就可以減少1到2對(duì)磁極，可以減少機(jī)組尺寸、降低機(jī)組造價(jià);②對(duì)于已確定了型號(hào)及容量的水輪機(jī)來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)速的選擇主要保證水輪機(jī)在高效率區(qū)運(yùn)行;③轉(zhuǎn)速提高時(shí)，轉(zhuǎn)輪內(nèi)的相對(duì)流速可能有較大增加，會(huì)加劇泥沙磨損的速度;④轉(zhuǎn)速提高時(shí)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的離心力增大，應(yīng)考慮發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子強(qiáng)度。

2)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速n的初步選擇計(jì)算

式中:n11為單位轉(zhuǎn)速(r/min)，在模型綜合特性曲線上選取，對(duì)混流式水輪機(jī)按(1～1.05n110)選取;Hw為電站加權(quán)平均水頭(m);n11取1.05n110，得到n11=84 r/min，Hw=45.6 m，得到n=270.12(r/min)。對(duì)照水輪發(fā)電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速，如表3所示。

表3 水輪發(fā)電機(jī)額定轉(zhuǎn)速系列表(部分)

根據(jù)發(fā)電機(jī)的同步轉(zhuǎn)速，考慮到水輪機(jī)的效率，發(fā)電機(jī)的造價(jià)和制造可能性等因素，比較后選取n=250 r/min和n=300 r/min。

(3)校驗(yàn)水輪機(jī)的運(yùn)行范圍

根據(jù)D1和n值，分別計(jì)算出Hmax和Hmin下對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速，在模型綜合特性曲線上繪出運(yùn)行范圍。如包含了大部分高效區(qū)，說(shuō)明D1和n值是合適的，否則改變D1和n值。

當(dāng)n=250 r/min時(shí)，

式中:n11max、n11min分別為最小水頭和最大水頭下的單位轉(zhuǎn)速，r/min;Hmax、Hmin分別為電站最大水頭和最小水頭，Hmax=53.1 m，Hmin=27.1 m。

計(jì)算得:n11max=96.65 r/min，n11min=68.62 r/min。

經(jīng)判斷n11r=87.64 r/min在n11max、n11min之間，同時(shí)該區(qū)域包含水輪機(jī)大部分高效率區(qū)。同理，當(dāng)n=300 r/min時(shí)，n11max=115.4 r/min，n11min=80.3 r/min，盡管包含初選工況點(diǎn)，但與當(dāng)n=300 r/min時(shí)相比，水輪機(jī)工作范圍不在高效區(qū)。因此，最終確定D1=2.0 m，n=250 r/min。

(4)效率及單元參數(shù)的修正

1)效率換算及其效率修正值Δη，由國(guó)際電工委員會(huì)推薦的公式，將模型機(jī)最優(yōu)的工況效率換算成真機(jī)的最優(yōu)工況效率。換算公式為

式中:ηmo為模型機(jī)的最優(yōu)效率;D1m為模型機(jī)的轉(zhuǎn)輪直徑，取0.35 m。

根據(jù)上式:真機(jī)與模型機(jī)因直徑與水頭不同而導(dǎo)致的效率修正指為Δη1=ηo－ηmo=2.4%。翼形部件影響引起的修正Δη2可以不予考慮。加工工藝質(zhì)量引起的效率誤差Δη3取為0.014。所以▽?duì)?▽?duì)?－▽?duì)?－▽?duì)?=0.01。

2)單元參數(shù)的修正

式中:ηt為真機(jī)效率;ηm為模型機(jī)效率

計(jì)算得:(Δn11/n11m)×100%=1.3%＜3%故單位轉(zhuǎn)速不修正。(ΔQ11=Q1m)=1.3%＜3%故單位轉(zhuǎn)速不修正。

(5)水輪機(jī)實(shí)際工作范圍的檢驗(yàn)

找出水輪機(jī)的額定工況點(diǎn)(Δn11/n11m)根據(jù)公式:

式中:n11m為模型機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min;Hr為額定水頭，m;n為真機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min;Pt為水輪機(jī)的額定出力。

計(jì)算得:n11r=81.12 r/min。令

1)當(dāng)Hr=38時(shí)，得n11m=81.12 r/m，在模型綜合特性曲線作n11m=81.12 r/m線交于等效率曲線，列出交點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的參數(shù)，如表4所示，并作Q11r～η曲線，如圖1所示。

表4 η=f(Q11)曲線數(shù)據(jù)表

在模型綜合特性曲線上n11m=81.12 r/m線與原工況點(diǎn)左側(cè)附近取一點(diǎn)，取ηm=0.91，則η=0.92。

用逐次逼近法求Q11r及η。

因此，水輪機(jī)在Hr下的實(shí)際工況點(diǎn)為:Q11r=1.045 m3/s，n11r=81.12 r/min。

2)當(dāng)Hmax=45.6 m時(shí)

查模型綜合特性曲線，找出與n11maz相交的ηm和Q11min，現(xiàn)將所找到的點(diǎn)列表，如表5所示;并作最大水頭下η=f(Q11)曲線，如圖1所示。

圖1 η=f(Q11)曲線

表5 Hmax下的η=f(Q11)曲線數(shù)據(jù)表

用逐次逼近法求Q11max及η可計(jì)算出

在模型綜合特性曲線上n11m=68.62r/m線與原工況點(diǎn)左側(cè)附近取一點(diǎn)，取ηm=0.82，則η=0.。查圖2－1得η(0)=83.52%。

可得到，水輪機(jī)在Hm下的實(shí)際工況點(diǎn)為:Q11max=0.699 0 m3/s，η=83.42%。

(6)水輪機(jī)設(shè)計(jì)流量的檢驗(yàn)水輪機(jī)額定流量計(jì)算公式:

式中:Qr為水輪機(jī)額定流量，m3/s;Pt為水輪機(jī)的軸功率，8 854.167 kW;Hr為額定水頭，38 m;η為設(shè)計(jì)工況點(diǎn)處的真機(jī)效率，為92.18%。

式中:Z為裝機(jī)臺(tái)數(shù)，Z=2;Qpl為電站引用流量，Qpl=54 m3/s。

由于Z×Qr=2×25.767=51.534＜Qpl，所以符合設(shè)計(jì)要求。

可得結(jié)論:D1=2.0 m，n=250 r/min，水輪機(jī)型號(hào)為:HL260/A244－LJ－200。一般來(lái)說(shuō)，水頭在200 m左右，最大水頭低于300 m的水電站，立選混流式轉(zhuǎn)輪［5］，此結(jié)果與實(shí)際應(yīng)用基本相符合。

3 結(jié)論

根據(jù)水電站初始基本參數(shù)以及HL260/A244模型綜合運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線圖，推斷出電站裝機(jī)臺(tái)數(shù)及單機(jī)功率，選擇水輪機(jī)的類(lèi)型、機(jī)組布置方式，計(jì)算出轉(zhuǎn)輪直徑，額定轉(zhuǎn)速等參數(shù)，在此基礎(chǔ)上，確定出水輪機(jī)型號(hào)為HL260/A244－LJ－200。

［1］機(jī)械工程手冊(cè)編寫(xiě)組.機(jī)械工程手冊(cè)動(dòng)力設(shè)備卷［M］.2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［2］宋文武.水力機(jī)械及工程設(shè)計(jì)［M］.重慶:重慶大學(xué)出版社，2005，12.

［3］水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)編寫(xiě)組.水電站機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)水力機(jī)械分冊(cè)［M］.北京:水利水電出版社，1983.

［4］Ю.С.瓦西里耶夫.Д.С.夏萬(wàn)列夫主編(吳新潤(rùn)，曲述曾等譯).水電站機(jī)電設(shè)備手冊(cè)［M］.哈爾濱:黑龍江科技出版社，1991.

［5］王春暖.優(yōu)秀混流式水指機(jī)轉(zhuǎn)輪的應(yīng)用綜述［J］，水力火電，2009，35(7):53－56.