黄河龙口水利枢纽水轮机机型及比转速优化
1997年第2期 水利水电工程设计
黄河龙口水利枢纽水轮机机型及比转速优化
张 彬 龚长年 王超羽
(水利部天津水利水电勘测设计研究院 天津 300222)
摘 要 龙口水电站位于黄河中游, 水头变化幅度大, , 适与否, 将直接影响今后机组是否经济、转速的优化过程
关键词 1轮机机型、机组参数、台数的选择作进一步优化。
3 龙口水电站机型及参数选择的原则
部, 上游距万家寨水利枢纽2516km , 下距天桥水电站70km 。电站型式为河床式, 电站建成后, 将与上游万家寨水电站联合组成梯级电站, 担负华北、晋、蒙电网的调峰任务。
初步设计电站主要参数:最大净水头36m ; 额定净水头31m ; 水轮机设计水头30m ; 加权平均水头2414m ; 电站总装机容量500MW ; 水库有效库容017093亿m 3; 年平均过机含沙量8143kg m 3;
汛期平均过机含沙量1519kg ～1816kg m 3m 3; 水库运用方式“蓄清排浑”季调节, 汛期日调节。
2 水轮机机型及比转速优化问题的提出
龙口电站水轮机参数设计中, 不仅存在有多泥沙电站的一些共性问题, 而且还具有特殊的问题, 主要表现以下几个方面:
(1) 龙口水电站水轮机水头变化范围为2414m
到36m , 变幅较大。低水头含沙量为1519kg m 3～
1816kg m 3, 运行时间较短, 但对水轮机的磨蚀损坏
较严重; 高水头水质较清, 历时时间较长, 要求机组满出力运行, 保证最大的调峰容量。因此所选的水轮机应有宽广的高效区, 以适应水头的变化。
(2) 龙口水电站位于万家寨水电站下游, 相距仅2516km , 两电站均为调峰电站, 且龙口电站库容很
小, 因此存在一个流量的匹配问题。尤其在汛期, 万家寨电站调峰放下的流量要求龙口电站充分利用, 尽量减少由于机组过流能力不足造成弃水。根据万家寨水电站水轮机汛期运行下泄的流量, 要求龙口电站水轮机汛期总平均过流能力不小于1350m 3 s ,
(3) 龙口水电站水头较低, 无论选用轴流还是混
龙口电站于1988年底完成了可行性研究阶段的设计。电站总装机容量为400MW , 电站最大净水头35m 、最小净水头2119m , 加权平均水头2911m , 额定净水头29m , 选定的水轮机机型为轴流转桨式, 装机4台, 单机容量为102MW , 水轮机比转速为
420m ・k W 。1993年5月龙口水电站可研报告通过
流机型, 水轮机转轮均超过7m 。因此, 运输问题也是水轮机参数设计中的一个重要因素。
基于以上因素及多泥沙电站实际运行的经验, 我们认为对于龙口水电站的水轮机参数设计原则应以机组安全、可靠、稳定运行, 减少泥沙磨蚀破坏为主, 不一味追求高参数。
4 优化方案411 机型优化
了规划总院的审查。
1994年开始初步设计工作, 针对审查意见作进
一步动能经济分析论证, 认为龙口电站总装机容量可由400MW 提高到500MW 。由于总装机容量的增大, 水头略有变化, 引起了水轮机机型选择、单机容量和水轮机参数等的变化, 有必要对龙口电站的水
龙口水电站40m 水头段, 可选的机型为轴流转
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浆式和混流式的两种, 两种机型各有其优缺点。
从运行工况来看, 轴流转桨式机组由于具有双调节的特性, 且有较宽的高效区, 更能适应水头的变化。不论是高水头还是低水头均能在较优的工况点运行。这对减少由于偏离最优工况而造成的磨蚀破坏尤为重要。而混流机型, 要完全适应整个水头的变幅较为困难。
从水轮机性能看, 在同等水头段, 轴流机单位转速高于混流机, 因此混流机机组转速低, 发电机重量增加, 桥机吨位加大、厂房宽度增加, 但混流机组转速低, ,
7m ～8为, 龙口水电站水轮机机型宜选用轴流转桨式机组。
412 单机容量优化
总装机容量由400MW 增加到500MW 后, 是按可研阶段的102MW 单机容量通过增加一台机来实现, 还是维持4台机不变把单机容量提高到
127MW , 针对这两种方案进行优化比较单机容102MW , 五台转轮直径
715m MW
3
, 机流1334m s ～331350m s 的要求, 年
126219G W ・h , 机电设备较四台机多
430万元左右。
单机容量127MW , 四台机方案, 水轮机转轮直径814m , 汛期一台机检修时, 电站调峰出力为
27715MW ～331MW (小于102MW 方案) , 水轮机过
程近1000, 8座, 隧洞3个, 铁道口8个, 其中2个电气化铁道口限高412m , 2个渡槽限高4m , 通过时拆迁后修复。公路运输超高、超宽虽可强行通过, 但运输费用很昂贵。此外还会有预想不到的困难。
从运行维护来看, 按常规论, 混流式水轮机由于结构简单, 检修较方便。但对多泥沙电站, 机组检修主要是对转轮的磨蚀破坏进行补修、补焊。由于混流机叶片型线复杂, 片多且薄, 间距又小, 补焊、打磨受到限制, 整形、工艺处理难以进行, 延长了补焊工期。而轴流机只有几个大叶片, 机组检修时可将叶片拆下平行作业, 补焊、修型、打磨工艺处理较容易。多泥沙河流电站, 一般为了缩短检修工期, 已逐步采取设置备用转轮或备用叶片的方案, 混流机设置备用转轮, 轴流机设置备用叶片。不言而喻, 备用转轮的投资要远远大于几个叶片的费用, 混流机备用设备投资多。
从两种机型机电设备投资、土建投资、年发电量、调峰容量、检修工期等诸多因素的综合比较认
流能力为1255m 3 ～1334m 3 s s , 无法满足平均过流
1350m 3 s 的要求, 所发电量124515G W ・h (小于102MW 方案) 。
综合比较, 认为五台机单机出力102MW 方案优于四台机127MW 方案, 因此龙口水电站宜选用单机容量102MW , 五台机组。
413 比转速优化
水轮机的比转速:n s =3113n Q ′11Γ为水轮机技术经济水平的一个主要参数, 随着设计制造水平的提高, 也在逐步提高。
41311 按统计经验公式计算比转速
按不同的统计经验公式计算龙口电站水轮机应具有的比转速n s 见表1。
从表1可见按照不同经验公式计算出的比转速系数K 值在2150～2500范围内, 相应的比转速在
390m ・k W ～460m ・k W 范围内。需要指出, 以上得
出的结果均是指清水条件下该水头段水轮机应达到
表1 采用不同公式计算的比转速
采用方法
国内外现有运行机组统计值哈尔滨电机厂推用国内外统计的回归公式
1964年以前1965～1970年1970～1992年
n s =n s =
公 式
H r +20
n s H r =31m
(m ・k W )
+50+50
[***********][1**********]0
K =n s H
[***********][1**********]0
H r +40
r r r
n s =2096H n s =2195H n s =2419H
-0. 489-0. 489-0. 489
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的比转速水平, 对于浑水河流电站应适当降低。
41312 制造厂为龙口电站提供的比转速
41314 按转轮叶片出口流速计算比转速
大量的试验与实际运行表明, 水轮机的气蚀破坏与磨损都随着水轮机流道内的流速的增大而迅速增大, 通常认为与流速的3～5次方成正比。但不同的含沙量、不同的矿物成分对磨损破坏影响很大。为
K
不同的厂家针对龙口电站提供的比转速见表2表2 厂家提供的比转速及比速系数K
制造厂哈尔滨电机厂东方电机厂天津阿尔斯通
n s (m ・k W )
了确定龙口电站含沙水流对水轮机材料的磨蚀情况, 、, 1816kg m 3, 流速大因此建设s 时, 材料的磨蚀失重量急剧加大。龙口电站水轮机转轮出口流速宜控制在33m s 以内。
龙口电站水轮机比转速在350m ・k W ～380m ・
k W 间选取, 其相应的出口流速是否超过33m s 。为
[**************]
[***********]
从表2三个厂家提供的数值来看速值4361・k , 在统计值的中间偏上水平, 是按照阿尔斯通的水轮机设计水平提出的。三个厂家提出的比转速在360m ・k W ～440m ・k W 之间。
41313 类比多泥沙河流电站后的比转速
了进一步验证, 我们又采用成都院佟文敏同志1993年《水机磨蚀》专刊上推荐的方法进行了计算, 计算结果见表4。
表4 不同比转速对应的额定
水头下的出口流速W
比转速(m ・k W )
[1**********]0
H r (m )
2
多泥沙河流电站水轮机参数的选择应适当降低参数的设计水平, 目前已成共识。但具体比清水条件下降多少, 目前还没有一个设计准则, 但可以参照含沙量相近的电站进行类比。龙口电站上游有万家寨电站, 下游有小浪底电站, 且三个电站含沙的矿物成分相近。汛期平均过机含沙量分别是:万家寨8kg
m ～12kg m , 龙口1519kg m ～1816kg m , 小浪底3619kg 通过以上两个电站比转速的降低水平可m 。
3
3
3
3
3
n s (r m in ) D 1(m ) W 2(m s )
31313131
[***********]
[***********]00
[***********]2
以类比出龙口电站的降低水平。表3列出了万家寨和小浪底水电站的比转速和比转速降低的百分比。
表3 万家寨、小浪底电站比转速水平
电站
名称万家寨小浪底
汛期平均实际采用降低的
过机含沙量的n s 百分数n s =
H r +108153) (%) (kg () m m ・k W (m ・k W )
26816215
8～123619
21916214
18152415
由表4可见, 比转速在350m ・k W ～380m ・k W 之间, 水轮机出口流速W 2均位于33m s 左右。这说明, 对龙口水电站而言, 比转速的范围定在350m ・
k W ～380m ・k W 之间是可行的, 且以不大于370m
清水条件下
・k W 为宜。
综合以上几方面对比转速选择分析, 我们认为龙口水电站水轮机比转速宜在350m ・k W ～380m ・就目前国内水轮机设计、制造水平看, k W 之间选取。
龙口电站比转速的选择主要从减少泥沙对水轮机的磨蚀破坏这一方面作重点考虑。根据抗磨试验结论, 转轮出口流速不大于33m s , 相对应的比转速不大于370m ・k W 为宜。但随着水轮机设计、制造水平的不断提高, 尤其是对抗磨蚀材料的研究不断深入, 经论证还可适当提高。
(收稿日期 1997—02—25)
从表3可见, 两电站由于含沙量不同, 比转速的降低也不同, 含沙量越高比转速降低越大。龙口电站汛期过机含沙量1519kg m 3～1816kg m 3, 位于两者中间, 相应其比转速的降低水平亦应在18%～24%之间。按照百分数计算, 龙口电站的实际应选用的比转速应在350m ・k W ～380m ・k W 之间, 该范围亦与东方厂和哈尔滨厂提出的比转速值相符。
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