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        淺談斜卡水電站水輪機(jī)機(jī)組選型

        2022-10-29 13:00:00向升鄭靜
        四川水利 2022年5期

        向升,鄭靜

        (1.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司,成都,610213;2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川崇州,611231)

        1 電站概況

        斜卡水電站位于四川省甘孜州九龍縣斜卡鄉(xiāng)境內(nèi),是九龍河左岸支流踏卡河上“一庫(kù)兩級(jí)”水電規(guī)劃的龍頭水庫(kù)電站。電站為混合式開發(fā),首部建混凝土面板壩壅水,壩址位于大橋溝口上游約900m河段,由隧洞引水至地面發(fā)電廠,廠址位于磨坊坪附近踏卡河右岸漫灘,壩、廠址相距約15km。

        電站裝機(jī)容量130MW,多年平均發(fā)電量5.211億kW·h,水庫(kù)總庫(kù)容8485萬m3,具有季調(diào)節(jié)能力,電站基本參數(shù)見表1。

        表1 電站基本參數(shù)

        2 水輪機(jī)機(jī)型和臺(tái)數(shù)選擇

        斜卡水電站總庫(kù)容為8485萬m3,裝機(jī)容量為130MW,屬于中型工程[1]。水頭范圍422m~504.7m,為高水頭電站,在該水頭段可供選擇的水輪機(jī)型式有混流式與水斗式兩種[2]。

        2.1 初步設(shè)計(jì)階段

        初步設(shè)計(jì)階段,根據(jù)斜卡水電站水頭范圍,對(duì)混流式與水斗式兩種機(jī)型進(jìn)行了分析比較,分別對(duì)2×65MW混流式、3×43.33MW混流式、水斗式3個(gè)方案作全面的分析。

        初步設(shè)計(jì)階段機(jī)型和裝機(jī)臺(tái)數(shù)方案比較見表2。

        表2 初步設(shè)計(jì)階段機(jī)型和裝機(jī)臺(tái)數(shù)方案比較

        通過對(duì)國(guó)內(nèi)中、高水頭水斗式水輪機(jī)應(yīng)用情況、國(guó)內(nèi)中、高水頭混流式水輪機(jī)應(yīng)用情況及國(guó)外高水頭大容量混流式水輪機(jī)應(yīng)用情況的比較,綜合電站投資、能量指標(biāo)、機(jī)組運(yùn)行情況、廠區(qū)布置,結(jié)合國(guó)內(nèi)外的生產(chǎn)制造水平,經(jīng)與動(dòng)能、水工等專業(yè)共同研究后,初設(shè)階段推薦選用2臺(tái)混流式機(jī)組方案。

        2.2 招標(biāo)設(shè)計(jì)階段

        招標(biāo)設(shè)計(jì)階段,針對(duì)斜卡水電站機(jī)組機(jī)型及裝機(jī)臺(tái)數(shù)選擇的問題進(jìn)行進(jìn)一步的研究:(1)對(duì)與本電站水頭及容量相似的電站運(yùn)行情況進(jìn)行了進(jìn)一步的調(diào)查及了解;(2)邀請(qǐng)相關(guān)水輪機(jī)專家及主機(jī)設(shè)備生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)專家進(jìn)行了深入的技術(shù)交流,并對(duì)當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)外水電設(shè)備的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及市場(chǎng)現(xiàn)狀進(jìn)行了探討與交流。得出以下結(jié)論:

        (1)當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)高水頭混流式水輪機(jī)的運(yùn)行情況不是很理想,運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)和不穩(wěn)定運(yùn)行范圍均較大。

        (2)能夠設(shè)計(jì)、生產(chǎn)斜卡水電站2臺(tái)混流式機(jī)組的生產(chǎn)廠家有GEHA、哈電、東電、力源、天阿、東芝杭州等,機(jī)組可選擇面還是相當(dāng)大的。但到當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)水電市場(chǎng)發(fā)展迅速,GEHA、哈電、天阿、東芝杭州等國(guó)內(nèi)大型及合資廠生產(chǎn)任務(wù)繁重,對(duì)斜卡水電站的主機(jī)設(shè)備制造不感興趣,因此,選擇面變窄了很多。

        考慮到上述情況,專家一致意見如果選用水斗式水輪機(jī),則昆電、重水等國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家也能生產(chǎn),在水頭范圍內(nèi),水斗式機(jī)組的運(yùn)行會(huì)很可靠,檢修維護(hù)也方便。因此,建議招標(biāo)階段可考慮同時(shí)對(duì)混流式及水斗式水輪機(jī)兩種方案進(jìn)行招標(biāo),并通過比選最終選出更適合本電站特性的水輪機(jī)型。

        招標(biāo)采購(gòu)時(shí),為了選出適合本電站的機(jī)組機(jī)型,分別對(duì)2臺(tái)、3臺(tái)水斗式及2臺(tái)混流式兩種方案進(jìn)行招標(biāo)?;炝魇椒桨竷H1家公司投標(biāo),水斗式方案2家公司投標(biāo)。關(guān)于水斗式機(jī)型,當(dāng)時(shí)投入運(yùn)行的國(guó)產(chǎn)水斗式機(jī)組的單機(jī)容量?jī)H為35MW,斜卡電站的單機(jī)容量達(dá)到了65MW,國(guó)產(chǎn)水斗式有相當(dāng)大的風(fēng)險(xiǎn)。如果采用進(jìn)口方案,兩家的報(bào)價(jià)較混流式機(jī)組報(bào)價(jià)高,2臺(tái)水斗式水輪機(jī)(轉(zhuǎn)輪進(jìn)口方案)的投標(biāo)總價(jià)比3臺(tái)機(jī)投標(biāo)總價(jià)(轉(zhuǎn)輪國(guó)產(chǎn)方案)高很多,其總價(jià)接近3臺(tái)機(jī)方案的2倍,且采用進(jìn)口轉(zhuǎn)輪方案其運(yùn)行維護(hù)成本較高,也不利于今后的備品轉(zhuǎn)輪采購(gòu)。因此,如果選擇2臺(tái)混流式方案,只有1家可以選擇,而且報(bào)價(jià)較高;如果選擇水斗式方案,可選擇的廠家有兩家。如果選2臺(tái)機(jī)選國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)輪,風(fēng)險(xiǎn)較大,選轉(zhuǎn)輪進(jìn)口,價(jià)格很高,選3臺(tái)機(jī)國(guó)產(chǎn)轉(zhuǎn)輪較為合理。水斗式方案,廠房的開挖量明顯比混流式機(jī)組小,且水斗式水輪機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性及出力調(diào)節(jié)范圍均比混流式好,更利于梯級(jí)調(diào)度,3臺(tái)水斗式水輪機(jī)方案,所有設(shè)備均可實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn),設(shè)備采購(gòu)成本將大大降低,后期運(yùn)行與維護(hù)成本也相應(yīng)降低。機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)的最大轉(zhuǎn)速升高率保證值:當(dāng)機(jī)組容量占系統(tǒng)工作總?cè)萘康谋戎夭淮螅虿粨?dān)負(fù)調(diào)頻時(shí),宜小于60%;沖擊式機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率宜小于30%。機(jī)組甩負(fù)荷的蝸殼最大壓力升高率保證值:額定水頭大于300m時(shí),宜小于25%[3]。水斗式機(jī)組可通過調(diào)整折向器及噴針的關(guān)閉時(shí)間獨(dú)立地控制轉(zhuǎn)速升高率及壓力升高率,通過折向器的快速關(guān)閉控制機(jī)組轉(zhuǎn)速上升,可有效地將機(jī)組最大轉(zhuǎn)速升高率控制在30%以內(nèi),同時(shí)通過增加噴針的關(guān)閉時(shí)間控制配水環(huán)管進(jìn)口最大壓力升高率;混流式機(jī)組只能通過導(dǎo)葉的關(guān)閉時(shí)間控制壓力升高率及轉(zhuǎn)速升高率,因此水斗式機(jī)組在流道及發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造難度相對(duì)較低。

        招標(biāo)設(shè)計(jì)階段機(jī)型和裝機(jī)臺(tái)數(shù)方案比較見表3。

        表3 招標(biāo)設(shè)計(jì)階段機(jī)型和裝機(jī)臺(tái)數(shù)方案比較

        從機(jī)電設(shè)備投資、能量指標(biāo)、梯級(jí)調(diào)度、運(yùn)行維護(hù)、設(shè)備設(shè)計(jì)及制造難度、設(shè)備生產(chǎn)廠家的選擇及廠房布置等方面綜合考慮,確定斜卡水電站選擇裝設(shè)3臺(tái)單機(jī)45MW的水斗式水輪機(jī)方案。水斗式水輪機(jī)主要參數(shù)為:水輪機(jī)型號(hào):CJA237-L-230/4×21;轉(zhuǎn)輪直徑:2300mm;噴嘴數(shù):4;射流直徑:210mm;額定水頭447m;額定流量11.9m3/s;額定出力46.4MW、最大出力51MW;額定轉(zhuǎn)速375r/min、最大飛逸轉(zhuǎn)速703r/min;機(jī)組旋轉(zhuǎn)方向:俯視順時(shí)針;額定效率89.1%、最高效率91%;水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量30t、水輪機(jī)總重量212t;最小排出高度3.0m;安裝高程2661.60m。

        3 水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

        根據(jù)當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)及加工能力,針對(duì)斜卡水電站水輪機(jī)組水頭及容量特性,重慶水輪機(jī)廠有限公司吸取了國(guó)內(nèi)外同類型機(jī)組的成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),采取了以下針對(duì)性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

        (1)轉(zhuǎn)輪采用ZG00Cr13Ni4Mo不銹鋼整鑄結(jié)構(gòu),水斗根據(jù)模板進(jìn)行研磨,在保證水力性能及不影響充分排流前提下,適當(dāng)增大水斗根部厚度,水斗根部、斗與斗之間均以圓弧過渡,降低水斗根部應(yīng)力。

        (2)噴管采用直流內(nèi)控式,雙向油壓操作,控制機(jī)構(gòu)設(shè)在噴管內(nèi),各噴嘴以相同的開口和其他噴嘴并列同步投入運(yùn)行,也可單獨(dú)投入運(yùn)行。整個(gè)行程范圍內(nèi)噴針具有水力自關(guān)閉能力。每個(gè)噴嘴有一個(gè)可更換的噴嘴口環(huán)和噴針頭,并裝有一個(gè)調(diào)整法蘭及不銹鋼護(hù)板。水輪機(jī)的噴針頭,噴嘴口還能方便地在機(jī)坑內(nèi)拆修更換。每個(gè)噴管都設(shè)有一個(gè)偏流器,偏流器的切水刀板為整鑄,偏流器采用油壓開啟及關(guān)閉,關(guān)閉腔設(shè)置有彈簧以保證在調(diào)速器油壓消失后偏流器可靠關(guān)閉。

        (3)水輪機(jī)主軸與轉(zhuǎn)輪采用液壓預(yù)緊螺栓的摩擦式聯(lián)接方式,以便于轉(zhuǎn)輪的檢修與更換。

        (4)水輪機(jī)導(dǎo)軸承采用稀油潤(rùn)滑巴氏合金瓦襯的自潤(rùn)滑筒式軸承,其結(jié)構(gòu)可靠和便于檢修。

        (5)補(bǔ)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)方式為在水導(dǎo)軸承處均勻布置有4根補(bǔ)氣管,在機(jī)殼處均勻布置有8根補(bǔ)氣管(不同的兩個(gè)高程,每個(gè)高程4根),補(bǔ)氣管的分部位、分高程均勻布置,保證了補(bǔ)氣的均勻性及可靠性,能保證水輪機(jī)輸出預(yù)定功率、運(yùn)行穩(wěn)定以及正常運(yùn)行條件下實(shí)際排出高度不小于設(shè)計(jì)值。

        4 電站現(xiàn)狀

        斜卡水電站已于2014年順利投產(chǎn)發(fā)電,目前電站機(jī)組運(yùn)行靈活穩(wěn)定,檢修維護(hù)方便,作為踏卡河龍頭水庫(kù)電站在梯級(jí)調(diào)節(jié)上發(fā)揮著重要的作用。目前正在建設(shè)斜卡水光互補(bǔ)光伏電站(裝機(jī)14萬kW),光伏電站以一回220kV線路接入斜卡水電站開關(guān)站,水光總?cè)萘?7.5萬kW,通過不完全年調(diào)節(jié)的庫(kù)容和水斗式機(jī)組(0.56萬kW~13.5萬kW負(fù)荷范圍)調(diào)節(jié)能力更大,能充分發(fā)揮水光互補(bǔ)的優(yōu)勢(shì),為電網(wǎng)提供穩(wěn)定電源,還可為業(yè)主創(chuàng)造更大的效益,助力新能源開發(fā)。

        5 總結(jié)

        斜卡水電站屬于高水頭電站,而且水頭變幅較大,選型難度大。在該水頭段可采用的機(jī)型有混流式和水斗式。重點(diǎn)是根據(jù)機(jī)電設(shè)備投資、能量指標(biāo)、梯級(jí)調(diào)度、運(yùn)行維護(hù)、設(shè)備設(shè)計(jì)及制造難度、設(shè)備生產(chǎn)廠家的選擇及廠房布置等方面綜合考慮,為電站選出合適的機(jī)型。

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