杜凱堂

(五強(qiáng)溪水電廠，湖南常德415000)

論五強(qiáng)溪水電廠擴(kuò)機(jī)項(xiàng)目水輪機(jī)額定水頭選擇

杜凱堂

(五強(qiáng)溪水電廠，湖南常德415000)

結(jié)合五強(qiáng)溪水電廠擴(kuò)機(jī)項(xiàng)目的實(shí)例，分析了額定水頭選擇的一般原則，針對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行水頭變幅大時(shí)不穩(wěn)定情況，敘述了如何進(jìn)行經(jīng)濟(jì)技術(shù)方案比較確定合適額定水頭的過程。

額定水頭；選擇；五強(qiáng)溪水電廠；擴(kuò)機(jī)項(xiàng)目

五強(qiáng)溪水電廠位于湖南省沅陵縣，安裝有5臺(tái)單機(jī)容量240 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1 200 MW，1996年12月投入商業(yè)運(yùn)行。

五強(qiáng)溪水庫(kù)調(diào)節(jié)特性為季調(diào)節(jié)，非汛期全部水能均可用于發(fā)電，在汛期，水庫(kù)防洪任務(wù)重，棄水多。電廠投產(chǎn)以來年均水量利用率僅80.69%。為有效利用水庫(kù)汛期棄水，擬擴(kuò)機(jī)容量500 MW，年均可增加發(fā)電量5.43億kWh，水量利用率為89.97%。

1 水輪機(jī)額定水頭選擇

1.1 水輪機(jī)額定水頭選擇的重要性

額定水頭是水輪機(jī)的一個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)參考文獻(xiàn)〔1〕的定義:“額定水頭為水輪機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下，輸出額定功率時(shí)所需的最小水頭”。當(dāng)電站項(xiàng)目的裝機(jī)容量確定以后，選擇合適的額定水頭，可以使項(xiàng)目獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益、節(jié)省投資，保證機(jī)組運(yùn)行安全。

1.2 中低水頭混流式水輪機(jī)額定水頭的選擇

對(duì)于新建的大中型水電廠，額定水頭的選擇參考文獻(xiàn)〔2〕中有明確規(guī)定:水輪機(jī)/水泵水輪機(jī)額定水頭的選擇應(yīng)根據(jù)水電廠的運(yùn)行水頭及出力范圍、水輪機(jī)/水泵水輪機(jī)運(yùn)行特性及其穩(wěn)定運(yùn)行的要求、水電廠出力受阻及電量損失的限制條件、水庫(kù)調(diào)節(jié)特性與運(yùn)行方式、機(jī)組在電網(wǎng)中的作用及其運(yùn)行方式，以及輸水系統(tǒng)水頭損失等因素綜合考慮，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較選定。同時(shí)，對(duì)于中高水頭水輪機(jī)，額定水頭建議在加權(quán)平均水頭的0.95～1倍的范圍內(nèi)選取。對(duì)于調(diào)節(jié)性能差的水電廠，應(yīng)盡量保證水電廠發(fā)足裝機(jī)容量。

實(shí)踐中，通常根據(jù)情況按下列經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算選取額定水頭

在(1)式中，以最小水頭Hmin為基礎(chǔ)，額定水頭略高于最小水頭，機(jī)組的水頭利用率高，電站受阻容量小，特別適合水庫(kù)調(diào)節(jié)性能好，最大水頭與最小水頭相差不大的情況。

在(2)和(3)式中，以加權(quán)平均水頭為依據(jù)，考慮流道水力損失的差異，河床式電站與壩后式電站略有不同。對(duì)于最高水頭與最低水頭變化大，水庫(kù)調(diào)節(jié)性能一般的電站，按這種方法選擇額定水頭，機(jī)組的水頭利用率高〔3〕。

在(4)式中，以Hmax和最低水頭Hmin為基準(zhǔn)，額定水頭遠(yuǎn)離最大水頭Hmax，對(duì)于水庫(kù)庫(kù)容大、調(diào)節(jié)性能很好、水頭變幅大的電站，采用相對(duì)更低(遠(yuǎn)離最大水頭)的水頭作為機(jī)組額定水頭的趨勢(shì)。機(jī)組的水頭利用率更高〔4〕。

上述經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式都是以電站的電量、效率等動(dòng)能經(jīng)濟(jì)指標(biāo)作為依據(jù)，而未考慮水輪機(jī)自身特性的選擇方法。運(yùn)行實(shí)踐證明，在機(jī)組尺寸、容量不很大的情況下是可行的，運(yùn)行中出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象并不突出，即使偶爾發(fā)生其影響也不很大。

水頭變幅大的大容量機(jī)組在運(yùn)行中出現(xiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象，1992年首先在巴基斯坦塔貝拉水力樞紐11，12號(hào)機(jī)上出現(xiàn)。檢修中發(fā)現(xiàn)尾水管錐管里襯振裂，底環(huán)與座環(huán)聯(lián)接螺栓全部松動(dòng)，葉片靠上冠處出現(xiàn)裂紋。在高水頭運(yùn)行工況，隨著導(dǎo)葉開度的減少，轉(zhuǎn)輪上冠葉柵脫流明顯增強(qiáng)，渦帶增大，渦核出現(xiàn)真空，脈動(dòng)壓力和振動(dòng)明顯增加。1993年瑞士Dorfler P K發(fā)表的《高比速混流式模型水輪機(jī)在較大部分負(fù)荷下壓力脈動(dòng)的觀察》介紹了當(dāng)比轉(zhuǎn)速ns＞200 m·kW時(shí)，都存在高部分負(fù)荷的壓力脈動(dòng)現(xiàn)象，當(dāng)ns≤200 m·kW時(shí)，模型轉(zhuǎn)輪沒有出現(xiàn)高頻脈動(dòng)現(xiàn)象〔5〕。

額定水頭附近的渦流可以通過選用適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)、合適的葉片形狀、配套的泄水錐和導(dǎo)葉等來消除。例如，巖灘水電站一期工程，安裝有4臺(tái)HLA296－HJ－800混流式水輪機(jī)，機(jī)組投入運(yùn)行后，額定水頭位于62 m以上時(shí)，在部分高負(fù)荷工況下，發(fā)電機(jī)層地板出現(xiàn)劇烈振動(dòng)，發(fā)電機(jī)蓋板響聲較大，1995年初發(fā)現(xiàn)3號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片有貫穿性裂紋，裂紋始于上冠和下環(huán)焊縫處，逐步往葉片中部延伸，中部裂紋遠(yuǎn)多于上冠和下環(huán)處，其后相繼發(fā)現(xiàn)其它3臺(tái)機(jī)均出現(xiàn)類似的情況〔6〕。更換新型號(hào)轉(zhuǎn)輪才解決問題。

對(duì)于水頭變動(dòng)幅度太大的水電廠，實(shí)踐證明，當(dāng)不在最優(yōu)工況附近運(yùn)行時(shí)，高水頭工況比低水頭危害更大。為了保證水輪機(jī)在高水頭下安全運(yùn)行，目前通常的做法是，針對(duì)最高水頭，選擇一個(gè)合適的額定水頭和設(shè)計(jì)水頭。有文獻(xiàn)提出建議，在水輪機(jī)參數(shù)選擇中，Hmax/Hopt比值不宜過大，最好不要超過1.1～1.15〔7〕。三峽選擇設(shè)計(jì)水頭的經(jīng)驗(yàn)，三峽的加權(quán)平均水頭為90.1 m，在技術(shù)設(shè)計(jì)審查階段，專家組根據(jù)塔貝拉的教訓(xùn)，建議Hmax/Hopt比值取為1.15左右。在招標(biāo)書中受墾務(wù)局準(zhǔn)則的影響，將這一比值定為≤1.25。六家投標(biāo)商提出Hmax/Hopt的比值在1.04～1.17之間，多數(shù)在1.10～1.15之間。在評(píng)標(biāo)中，四家參與的投標(biāo)商對(duì)Hopt作了修改，修改后Hmax/Hopt的比值非常接近，在1.10～1.12之間。根據(jù)這些比值所得出的特性曲線，葉道渦初生線除高水頭區(qū)特小負(fù)荷區(qū)外均在運(yùn)行范圍之外。中標(biāo)的兩家供貨商的Hmax/Hopt分別為1.10和1.12〔8〕。

2 水輪機(jī)額定水頭的選擇過程

該電廠建成于上世紀(jì)90年代，受當(dāng)時(shí)歷史條件的限制，水量利用率不是很高。20多年的運(yùn)行實(shí)踐表明，水庫(kù)在汛期會(huì)大量棄水。為將汛期水量轉(zhuǎn)化為電量，擬擴(kuò)機(jī)500 MW，2臺(tái)250 MW混流式機(jī)組。

擬定擴(kuò)機(jī)機(jī)組的運(yùn)行方式為，擴(kuò)機(jī)機(jī)組全時(shí)段投入華中電網(wǎng)運(yùn)行，不只限定在汛期發(fā)電。擴(kuò)機(jī)機(jī)組參與調(diào)頻調(diào)峰運(yùn)行。

擴(kuò)機(jī)項(xiàng)目水輪機(jī)基本參數(shù)，見表1。

表1 水輪機(jī)基本參數(shù)m

擴(kuò)機(jī)機(jī)組汛期出力不受阻的臨界水頭為40.8 m，按長(zhǎng)系列徑流調(diào)節(jié)計(jì)算成果統(tǒng)計(jì)，電站最大水頭52.5 m(若考慮極端運(yùn)行工況最大水頭為58.9 m)，最小水頭33.8 m(若考慮極端運(yùn)行工況最小水頭為33.4 m)，加權(quán)平均水頭46.13 m，汛期加權(quán)平均水頭43.37 m，非汛期加權(quán)平均水頭49.79 m。

1)現(xiàn)有機(jī)組額定水頭的選取及運(yùn)行工況

該電廠在初步設(shè)計(jì)時(shí)，立足在國(guó)內(nèi)制造機(jī)組，考慮當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)水平和制造能力，設(shè)計(jì)水頭44.5 m單機(jī)容量240 MW的機(jī)組，水輪機(jī)直徑達(dá)8.6 m，單機(jī)過流量617 m3/s。這種大流量和大直徑的機(jī)組當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)制造上已很困難，如果降低額定水頭，機(jī)組直徑還需加大，國(guó)內(nèi)制造、運(yùn)輸困難。

從水頭保證率來看，現(xiàn)機(jī)組額定水頭44.5 m偏高，相應(yīng)的保證率偏低，電站技術(shù)施工階段計(jì)算，全年額定水頭保證率66.5%，汛期額定水頭保證率33.5%，在汛期，機(jī)組出力受阻較為嚴(yán)重、受阻幾率較大。

2)擴(kuò)機(jī)機(jī)組預(yù)可研階段額定水頭初擬

湖南電力系統(tǒng)缺乏的主要是汛期調(diào)峰容量，從合理發(fā)揮擴(kuò)機(jī)電站容量效益的角度分析，五強(qiáng)溪水電廠擴(kuò)機(jī)項(xiàng)目除了充分利用汛期棄水多發(fā)電量外，還應(yīng)考慮在汛期盡可能少受阻。五強(qiáng)溪水庫(kù)防洪任務(wù)較重，汛期5—7月水庫(kù)水位要求降到汛限水位98.00 m運(yùn)行，擴(kuò)機(jī)后電站全廠額定流量為4 513 m3/s，考慮凌津?yàn)┭雌谒辉?0 m運(yùn)行的頂托影響時(shí)相應(yīng)下游水位為54.90 m，扣除擴(kuò)機(jī)機(jī)組滿發(fā)水頭損失后，擴(kuò)機(jī)機(jī)組汛期不受阻的臨界水頭為40.8 m。從充分發(fā)揮擴(kuò)機(jī)項(xiàng)目容量效益方面分析，機(jī)組額定水頭不應(yīng)高于40.8 m。

3)擴(kuò)機(jī)機(jī)組預(yù)可研階段初擬的額定水頭校核

該擴(kuò)機(jī)項(xiàng)目立足從國(guó)內(nèi)采購(gòu)水輪發(fā)電機(jī)組，對(duì)中低水頭段混流式機(jī)組而言，我國(guó)的制造水平處在世界先進(jìn)水平前列。擴(kuò)機(jī)項(xiàng)目預(yù)可研階段，從發(fā)揮五強(qiáng)溪水庫(kù)的最大經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，將水輪機(jī)的額定水頭初擬為41.5 m。五強(qiáng)溪水電廠擴(kuò)機(jī)機(jī)組的特點(diǎn)是，運(yùn)行水頭變幅大，尺寸大，在電網(wǎng)參與調(diào)頻調(diào)峰。國(guó)內(nèi)類似機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)窄，從運(yùn)行安全出發(fā)，必須調(diào)研國(guó)內(nèi)水輪機(jī)的制造水平和機(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況，根據(jù)調(diào)研成果選擇可靠的參數(shù)區(qū)域，再進(jìn)行經(jīng)濟(jì)成果比較以確定合適的水輪機(jī)額定水頭。

國(guó)內(nèi)各廠家都沒有可套用的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，都需要重新開發(fā)。需確定合適的水力開發(fā)參數(shù)。

①?gòu)目刂仆顿Y規(guī)模而言，應(yīng)盡可能選擇較高的水輪機(jī)額定比轉(zhuǎn)速。同時(shí)，為了保證水輪機(jī)有良好的水力性能，應(yīng)調(diào)研國(guó)內(nèi)運(yùn)行良好的電站。

根據(jù)相近水頭段電站水輪機(jī)基本參數(shù)表(見表2)和國(guó)內(nèi)某大型水電設(shè)備制造廠混流式水輪機(jī)額定比轉(zhuǎn)速統(tǒng)計(jì)曲線，選擇了以下4個(gè)方案進(jìn)行比選。

表2 相近水頭段電站水輪機(jī)基本參數(shù)表

方案一，額定水頭41.5m，額定轉(zhuǎn)速62.5r/min，比轉(zhuǎn)速299.60 m·kW；方案二，額定水頭42.5 m，額定轉(zhuǎn)速62.5 r/min，比轉(zhuǎn)速291.42 m·kW；方案三，額定水頭42.5 m，額定轉(zhuǎn)速68.2 r/min，比轉(zhuǎn)速317.91 m·kW；方案四，額定水頭43.5 m，額定轉(zhuǎn)速68.2 r/min，比轉(zhuǎn)速308.24 m·kW。

②考慮水輪機(jī)高水頭區(qū)的運(yùn)行穩(wěn)定性。為了使最優(yōu)工況水頭盡量靠近水輪機(jī)的額定水頭，通過選擇合適的Hmax/Hr比值確定額定水頭。

擴(kuò)機(jī)項(xiàng)目，長(zhǎng)徑流統(tǒng)計(jì)的最大水頭52.5 m；考慮極端運(yùn)行工況，最大水頭為58.9 m。根據(jù)上面選定的幾個(gè)水頭方案，按長(zhǎng)徑流的最大水頭52.5 m計(jì)算Hmax/Hr比值，52.5 m/41.5 m＝1.26，52.5 m/42.5 m＝1.23，52.5 m/43.5 m＝1.20，根據(jù)本文在上面提到的合適Hmax/Hr比值范圍，顯然，額定水頭為43.5 m時(shí)，Hmax/Hr＝1.2可以保證在大部分時(shí)間水輪機(jī)在較高水頭下安全穩(wěn)定運(yùn)行。

考慮部分極端情況，最大水頭為58.9 m，計(jì)算Hmax/Hr比值如下，58.9 m/41.5 m＝1.42，58.9 m/42.5 m＝1.38，58.9 m/43.5 m＝1.35。這種比值明顯偏大，比較現(xiàn)在五強(qiáng)溪運(yùn)行的水輪機(jī)，Hmax/Hr＝60.1 m/44.5 m＝1.35。58.9 m/43.5 m與60.1 m/44.5 m相等，五強(qiáng)溪水電廠現(xiàn)在的水輪機(jī)已安全運(yùn)行20多年，因此，選擇43.5 m能保證擴(kuò)機(jī)機(jī)組在極端工況下不會(huì)出現(xiàn)設(shè)備安全問題。

③從能量指標(biāo)比較。各額定水頭方案能量指標(biāo)見表3。多年平均電量、汛期電量、水量利用率等指標(biāo)在40.5 m、41.5 m、42.5 m、43.5 m差異不大，40.5 m最高，43.5 m偏低，但幅度很小。

表3 各額定水頭方案能量指標(biāo)表〔9〕

綜合上述技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，在4個(gè)方案中，選擇水頭43.5 m作為五強(qiáng)溪水電廠擴(kuò)機(jī)項(xiàng)目的水輪機(jī)額定水頭比較合適。

3 結(jié)語(yǔ)

選擇合適的水輪機(jī)額定水頭，可以保證水輪機(jī)在常態(tài)下安全穩(wěn)定運(yùn)行，創(chuàng)造最佳的經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)水庫(kù)的特性，按項(xiàng)目效益最大化考慮可選的額定水頭范圍。對(duì)于大容量和大尺寸機(jī)組，為保證水輪機(jī)投運(yùn)后的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需進(jìn)行技術(shù)校核。在技術(shù)論證上，必須充分理解電站的水庫(kù)運(yùn)行特性，水輪機(jī)投入商業(yè)運(yùn)行后的運(yùn)行方式，水輪機(jī)的前沿技術(shù)水平和制造業(yè)狀況。由于模型水輪機(jī)不能充分反映原型水輪機(jī)的實(shí)際運(yùn)行情況，尚需調(diào)研類似水輪機(jī)的運(yùn)行資料。綜合上述各項(xiàng)資料，在技術(shù)上確定水輪機(jī)額定水頭可選范圍。對(duì)上述符合經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的方案進(jìn)行最后比選，確定在電站投資規(guī)模和投入商業(yè)運(yùn)行后水輪機(jī)各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)在最優(yōu)水平的水輪機(jī)額定水頭參數(shù)。

〔1〕中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).水輪機(jī)基本技術(shù)條件:GB/T 15468—2006〔S〕.北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

〔2〕中華人民共和國(guó)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).水力發(fā)電廠機(jī)電設(shè)計(jì)規(guī)范:DL/T5186—2004〔S〕.北京:中國(guó)電力出版社，2004.

〔3〕于波，肖惠民.水輪機(jī)原理與運(yùn)行(第1版)〔M〕.北京:中國(guó)電力出版社，2008.

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〔9〕中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司.五強(qiáng)溪水電站擴(kuò)機(jī)工程可行性研究報(bào)告(初稿)〔R〕.2015.

表1 鵝城軟啟動(dòng)器與華新變頻器誤報(bào)警次

4 結(jié)束語(yǔ)

由于主泵運(yùn)行只需高、低兩種轉(zhuǎn)速，并不要調(diào)節(jié)多種轉(zhuǎn)速，盡管變頻器功能強(qiáng)大，但主泵只使用了變頻器的一種調(diào)速功能，且變頻器保護(hù)檢測(cè)的靈敏性也降低了主泵運(yùn)行的穩(wěn)定性。而變極調(diào)速的方法只需設(shè)計(jì)兩種接線方式分別對(duì)應(yīng)兩種轉(zhuǎn)速，并加裝軟啟動(dòng)器用于電機(jī)啟動(dòng)，這種回路設(shè)計(jì)不但實(shí)現(xiàn)了主循環(huán)泵的功能要求，還降低了經(jīng)濟(jì)成本。且軟啟動(dòng)器運(yùn)行時(shí)間短，高速啟動(dòng)完成后，則通過旁路進(jìn)行工作，而變頻器則長(zhǎng)期運(yùn)行，運(yùn)行可靠性降低。綜上所述，相較于變頻器調(diào)速啟動(dòng)的方式，主泵采用變極調(diào)速并利用軟啟動(dòng)器配合啟動(dòng)的方式具有更好的運(yùn)行穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性，目前新建的800 kV特高壓換流站閥水冷系統(tǒng)主泵均采用該啟動(dòng)方式。

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作者簡(jiǎn)介

黃晨，男，漢族，湖南郴州人，工程師，大學(xué)本科學(xué)歷，從事高壓直流輸電系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)工作。

Selection of hydro-turbine rated head for Wuqiangxi Hydropower Plant extension project

DU Kaitang
(Wuqiangxi Hydropower Plant，Changde 415000，China)

Combining with examples of Wuqiangxi extension project，this paper analyzes the general principles of the selection of rated head.It focus on when the turbine operating head amplitude is large，instabilities occuring，the process of how to compare the economic and technical scheme determine the appropriate rated head.

rated head selection；Wuqiangxi Hydropower Plant；extension project

TK734.2

B

1008-0198(2017)01-0046-04

10.3969/j.issn.1008-0198.2017.01.011

杜凱堂(1962)，男，湖南雙峰人，高級(jí)工程師，學(xué)士，長(zhǎng)期從事水電廠技術(shù)管理工作。

湖南發(fā)展委:發(fā)展能源(2016)982號(hào).

2016-06-15 改回日期:2016-09-05