葛 曦，張 華，黃正財，楊 超，張建勛

(1.貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550002；2.貴州省農(nóng)村水電及電氣化發(fā)展局，貴州 貴陽 550002)

1 概述

冗各水電站位于貴州省黔南布依族苗族自治州羅甸縣逢亭鎮(zhèn)冗各鄉(xiāng)，是蒙江流域的第8級電站，該水電站位于蒙江干流上，其上游梯級為雙河口水電站，下游梯級為石門坎水電站，壩址以上流域集水面積5158km2。電站距羅甸縣城約30km，距貴陽市約165km。

電站在正常蓄水位495m時的有效庫容3440萬m3，裝機容量為3×30MW，冗各水電站最大水頭50.29m，最小水頭44.31m，水庫具有周調(diào)節(jié)性能。本電站建成后，在系統(tǒng)中主要擔(dān)任峰荷、調(diào)頻作用。

主要建筑物包括混凝土重力壩、泄洪建筑物、隧洞引水建筑物、右岸布置三洞三管三機地下式廠房等。

電站于2016年6月建成首臺機發(fā)電，設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 電站參數(shù)表

2 水輪機選型分析

2.1 額定水頭選擇

額定水頭Hr的選擇涉及到水能利用、機組設(shè)備投資、水輪機穩(wěn)定運行、土建投資等多種因素。本電站水頭機率統(tǒng)計成果見表2。

表2 水頭機率統(tǒng)計表

從表2可以看出，冗各水電站在電能加權(quán)平均水頭至最大水頭間運行頻率占的比例較大，大約為60.42%，因此額定水頭初步擬定在加權(quán)平均水頭附近較合理。從機組出力受阻情況來看，額定水頭越高，受阻容量越大，本電站是水庫調(diào)節(jié)性能較差(周調(diào)節(jié))的中低水頭電站，它的最小水頭往往由于下游水位的壅高出現(xiàn)在洪水期。如果額定水頭選得過高，將會出現(xiàn)洪水期有流量但水頭受阻，在枯水期有水頭而流量不足，造成全年發(fā)不足額定容量的情況，這時額定水頭就應(yīng)該選得低一些，盡量靠近最低水頭。加之本電站的水頭變幅(5.94m)較小，因此額定水頭選為45.5m。

表3 模型轉(zhuǎn)輪基本參數(shù)表

2.2 水輪機型式選擇

冗各電站的水頭運行范圍在44.34～50.28m，水頭變幅為5.94m，此水頭段適合的水輪機型式主要為混流式。由于電站單機容量較小，在招投標(biāo)過程中，本類型電站主要都是中小型生產(chǎn)企業(yè)參與投標(biāo)，考慮到生產(chǎn)企業(yè)的實力和對轉(zhuǎn)輪的開發(fā)、運用程度，我們在轉(zhuǎn)輪選型時既要考慮轉(zhuǎn)輪的先進性，又要考慮轉(zhuǎn)輪的成熟性，所選水輪機有大量成功運行的經(jīng)驗，機組參數(shù)較優(yōu)，在確保電站發(fā)電效益的同時又能保證電站安全可靠地運行。

在70m左右水頭段，中小型水電站國內(nèi)常用的優(yōu)秀轉(zhuǎn)輪有A551、A551c、A616、A904a等，其模型參數(shù)見表3。從表3可以看出，最優(yōu)工況HLA551c的單位轉(zhuǎn)速最高，單位流量最大，HLA904a的效率最高。

針對表3中4個轉(zhuǎn)輪，選型計算比較如下：

(1)A551轉(zhuǎn)輪：初選工況點Q1′=1.2m3/s，n1′=83r/min，Q=73.72m3/s，D1=3.02m。n=200r/min，在水頭運行范圍，計算得n1′=85.1～90.74r/min。因A551轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)運行范圍為77～86r/min，在本電站水頭運行范圍內(nèi)已偏離了A551轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)運行區(qū)域。

(2)A551c轉(zhuǎn)輪：初選工況點Q1′=1.3m3/s，n1′=85r/min，Q=73.33m3/s。D1=2.9m。n=200r/min，在水頭運行范圍，計算得n1′=81.7～87.2r/min。因A551c轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)運行范圍為79～88r/min，在本電站水頭運行范圍內(nèi)A551c轉(zhuǎn)輪完全滿足要求。

(3)A616轉(zhuǎn)輪：初選工況點Q1′=1.15m3/s，n1′=82r/min，Q=74.11m3/s。D1=3.09m。n=200r/min∶n1′=87.14～92.87r/min。因A616轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)運行范圍為75～85r/min，在本電站水頭運行范圍內(nèi)偏離了A616轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)運行區(qū)域。

(4)A904a轉(zhuǎn)輪：初選工況點Q1′=1.08m3/s，n1′=81r/min，Q=73.33m3/s。D1=3.18m。n=200r/min，在水頭運行范圍，計算得n1′=89.68～95.33r/min。因A904a轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)運行范圍為72～83r/min，在本電站水頭運行范圍內(nèi)偏離了A904a轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)運行區(qū)域。

通過以上同水頭段的轉(zhuǎn)輪的選型分析：冗各電站采用HLA551c-LJ- 288是最合理的，運行工況最優(yōu)，其運行范圍如圖1所示。

圖1 HLA551C- 35.2模型綜合特性曲線(真機D1=2.88m，n=200r/min)

從圖1可看出，運行范圍涵蓋了大部分高效率區(qū)，機組選型留有余量，提高功率因數(shù)到0.95能連續(xù)長期安全運行)，因此我們考慮了在水頭H=48.43m以上有11.2%的超發(fā)空間，此時功率因數(shù)提高到0.95，(在最大水頭，功率因數(shù)提高到1的時候，可超發(fā)17%，在圖1中用虛線框表示)，這樣在夏季豐水期，用電高峰期，能盡可能地多發(fā)電。

冗各水電站的設(shè)計尾水位為445.170m，推薦的水輪機吸出高度Hs≥-0.32m。為不影響總體樞紐布置，并留足安全余量(地下式廠房，工程量影響不大)，最終取吸出高度Hs=-4.43m(k=2)，固定導(dǎo)葉高度為2.52m。因此，確定水輪機的安裝高程為442.00m。

2.3 水輪機結(jié)構(gòu)型式確定

機組采用立軸布置，軸系為三支點懸式形式，支撐在發(fā)電機的推力軸承上。軸系由水輪機主軸、發(fā)電機主軸、轉(zhuǎn)子支架等組成。

水輪機進、排水方式：采用包角為345°的金屬蝸殼進水，進水方向與廠房x-x軸線垂直，排水為彎肘形，其直錐段和肘管段為金屬里襯，水機與發(fā)電機為直連型式。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，滿足機組性能，選用優(yōu)質(zhì)材料，以先進工藝確保各項指標(biāo)，結(jié)構(gòu)維修方便。水輪機保證在不拆發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子和水輪機主軸的情況下，可更換和檢修水導(dǎo)軸承、主軸密封及導(dǎo)水機構(gòu)中的傳動件，同時，水輪機導(dǎo)水機構(gòu)所有零件均能通過電機定子及機坑內(nèi)徑。

2.3.1 轉(zhuǎn)輪與主軸

轉(zhuǎn)輪為鑄焊結(jié)構(gòu)，采用ZG00Cr13Ni5Mo，AOD精煉組焊而成，葉片數(shù)為13，數(shù)控加工成型。轉(zhuǎn)輪上冠止漏形式采用階梯式密封結(jié)構(gòu)，密封后設(shè)有葉片泵，葉片泵起到減小軸向水推力和二次密封作用，經(jīng)過葉片泵的有壓水由鋼管排至機組排水管上；轉(zhuǎn)輪下環(huán)設(shè)有間隙式密封結(jié)構(gòu)。

主軸采用優(yōu)質(zhì)鍛鋼20SiMn材料制作，主軸為帶外法蘭中空結(jié)構(gòu)形式，作為尾水補氣通道，主軸上法蘭與電機主軸采用精配螺栓聯(lián)接和傳遞扭矩，下端與轉(zhuǎn)輪采用螺栓聯(lián)接，靠磨擦傳遞扭矩，上下法蘭均為止口定位。機組軸系剛度安全裕度為大于1.25倍飛逸轉(zhuǎn)速。

2.3.2 導(dǎo)水機構(gòu)部分

導(dǎo)水機構(gòu)采用內(nèi)調(diào)節(jié)式，導(dǎo)葉數(shù)為24只，導(dǎo)葉結(jié)構(gòu)為3支點，導(dǎo)葉支承軸套采用自潤滑鋼背復(fù)合材料。導(dǎo)葉選用ZG06Cr13Ni4Mo材料，數(shù)控加工成型。導(dǎo)葉立面間隙為金屬硬接觸密封，端面密封采用間隙金屬密封。在額定水頭下，新裝導(dǎo)葉總漏水量不大余3‰額定流量。導(dǎo)葉具有自關(guān)閉趨勢的水力矩特性。導(dǎo)葉開口設(shè)計時，能滿足電站各個工況下要求的開口，其最大開口留有一定裕量。

導(dǎo)葉臂與導(dǎo)葉套筒上設(shè)有導(dǎo)葉限位裝置，導(dǎo)葉中軸頸密封采用YX形密封，為防止泥沙進入下軸頸設(shè)有YX形密封圈以減小對下軸頸的磨損。

頂蓋上設(shè)有壓力排水管道及自流排水孔，同時設(shè)置備用補氣管口。

頂蓋采用整體結(jié)構(gòu)，其過流面設(shè)有一定厚度用不銹鋼耐磨材料制作的護板及止漏護環(huán)，與轉(zhuǎn)輪材質(zhì)有一定硬度差值。頂蓋為鋼板焊接結(jié)構(gòu)。

導(dǎo)葉傳動機構(gòu)采用叉頭可調(diào)式結(jié)構(gòu)。導(dǎo)葉臂上裝有導(dǎo)葉限位擋銷，當(dāng)剪斷銷被剪斷時，限位銷能夠限制導(dǎo)葉的偏擺。

控制環(huán)采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)，控制環(huán)的底面裝有環(huán)向?qū)к壘哂凶詽櫥阅艿目鼓K，抗磨塊采用螺釘連接，可更換。

底環(huán)采用整體結(jié)構(gòu)，用螺栓與座環(huán)聯(lián)接。在底環(huán)過流面上設(shè)有不銹鋼材料制作的護板，與轉(zhuǎn)輪下環(huán)處設(shè)不銹鋼止漏環(huán)。

2.3.3 油軸承

采用稀油潤滑油浸式分塊瓦軸承。軸瓦采用8塊分塊瓦材料為：2SnSb11Cu6錫基軸承合金，軸領(lǐng)下部開有成一定角度徑向的通油孔。當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時，此孔起著油泵作用。將經(jīng)過冷卻器冷卻后的潤滑油輸送到軸瓦及軸承體空腔內(nèi)，工作后的熱油經(jīng)軸承體上部油孔和頂部流向冷卻器，形成油循環(huán)。

2.3.4 主軸密封

主軸密封采用先進的不接觸間隙式泵板工作密封和空氣圍帶式停機密封兩部分組成。該密封安全、可靠，在電站已得到成功應(yīng)用。

3 機組試運行情況驗證

2016年6月23～26日，冗各水電站進行了3#機72h試運行，根據(jù)電站機組72h試運行結(jié)果，機組的振動、擺度、軸承溫度等均較理想，由于電站蓄水未達到水庫正常蓄水位，電站尾水河道尚有棄渣未清理，因此電站在47m水頭以下運行占一年72.3%的時段，全年有64.7%的時段運行在機組額定出力的45%以下(即≤13.5MW)，低于混流式機組的穩(wěn)定運行范圍。根據(jù)電站運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在機組投入商業(yè)運行以來，機組各軸承、空冷器、定子繞組和定子鐵芯的最高溫度見表4，機組各部位的最大振擺度見表5。

表4 機組各部溫度最大值 單位：℃

表5 機組各部振擺度最大值

從上述統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，機組各部溫升達到規(guī)范要求，除個別數(shù)據(jù)略高規(guī)范值外，大部分振擺度值基本達到規(guī)范要求。說明機組在合理的運行條件下，是能夠穩(wěn)定運行的，是經(jīng)得住運行檢驗的，冗各水電站的水輪機選擇HLA551c-LJ- 288是合適的。

4 結(jié)語

在中小水電的設(shè)計過程中，應(yīng)更注重轉(zhuǎn)輪的成熟性，不能一味追求更高的性能指標(biāo)，以便于招標(biāo)階段更好更快地采購到滿足電站實際運行的轉(zhuǎn)輪為前提。在招標(biāo)階段，應(yīng)對機組主要部件的結(jié)構(gòu)型式、材質(zhì)進行約定，如轉(zhuǎn)輪、主軸、導(dǎo)水機構(gòu)、軸承等。即有利于控制設(shè)備質(zhì)量，又有利于投標(biāo)方在同一個起跑線上報價。從運行情況反饋可以看出，冗各水電站的水輪機選型是合適的，是滿足電站實際運行需要的，但是在一些電站投入商業(yè)運行初期，為了追求更大的利益，往往在不具備安全穩(wěn)定運行條件的前提下提前發(fā)電，我們應(yīng)該合理分析，以避免這種情況對機組造成損壞，消除安全隱患。

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