高水头小容量水轮发电机组的选型设计

简介： 根据三斗水库电站水轮机组为高水头、小容量的特点，结合溪屯溪水电站群在建瓯市电力系统中为辅助调频电站的情况，走访主要水轮发电机组设备制造厂，在机组订货和施工设计时就采取相应改进措施。投运后，达到设计要求，机组运行状况良好，经济效益可观。
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１工程简况

　　三斗水库为建瓯市溪屯溪流域水电资源开发规划的龙头水库，总库容５３０万ｍ３，兴利库容４３７万ｍ３，为年调节水库。电站压力引水隧洞长２１６０ｍ，明敷压力钢管长４３８ｍ，最高水头２００．４３ｍ，设计水头１７４．７ｍ，最低发电水头１５２．９ｍ，设计流量１．８４ｍ３／ｓ，装机容量２×１２５０ｋＷ。多年平均发电量８２７．５８万ｋＷ·ｈ，Ｐ＝７５％保证出力６９０ｋＷ，设备年利用小时３３１０ｈ，水库及电站概算总投资２０３７万元。

　　三斗水库电站及赤坑水电站（装机２０００ｋＷ）为溪屯溪规划开发的第一期工程，１９８６年１２月动工，赤坑电站于１９９８年５月竣工发电，三斗电站于１９９９年９月开始试运行。

２水轮发电机组的选型设计

　　三斗水库电站设计水头１７４．７ｍ，单机容量１２５０ｋＷ，为高水头、小容量水轮发电机组，查“中小型反击式水轮机使用范围综合图”，本电站水轮机选择在冲击式水轮机范围。冲击式水轮机具有构造简单、出力变化时对机组效率影响较小等优点，特别是其折向器的作用对调保有利，可节省调压井等水工建筑物的造价，但其转速低，机组体积大；混流式水轮机则其转速高，机组体积小，且运转可靠效率较高，并有适应水头范围宽的优势，还可利用尾水管回收能量，减少厂房开挖工程，但在低负载时机组效率降低较多。经机型选择计算，初选了ＣＪＡ２３７－Ｗ－１２５／１４．５水轮机，配套ＳＦＷ１２５０－１４／１７３０发电机和ＨＬＤ５４－ＷＪ－５５水轮机，配套ＳＦＷ１２５０－４／１１７０发电机两种机型。

　　走访闽、浙、赣三省主要水轮发电机设备制造厂，厂家表示两种机型均可生产供货，对高转速机组的运行都有所担心，推荐本站采用冲击式机组。初步报价两种机型的水轮机和发电机主设备价格相差悬殊，冲击式１套１４１．２万元，混流式１套只７０万元。初设中经两种机型的辅助设备配套和水工建筑物不同方案的投资对比，在造价上选用混流式机组仍可节省８４．２万元；此外选用ＨＬＤ５４－ＷＪ－５５水轮机在本站的水力条件下，运行区域很理想，溪屯溪水电站群在建瓯市电力系统中为辅助调频电站，对有水库调节的更应发挥顶峰作用，一般时间在较高出力区运行，既使水库水位变化，机组也运行在较高效率区内，为此初设推荐选用ＨＬＤ５４－ＷＪ－５５配ＳＦＷ１２５０－４／１１７０水轮发电机组。

３小转轮高转速混流式水轮发电机组的运

　　行问题和改进措施选用混流式水轮发电机组，其额定转速达到１５００ｒ／ｍｉｎ，其运行状况是我们最为关注的问题，据设备生产厂家介绍，当时浙、赣两省尚没有相近规模高水头小转轮高转速的水电站，仅福建水力发电设备厂制1000造安装在龙岩大片溪水电站（Ｈ＝１７７．７ｍ，ＨＬＤ５４－ＷＪ－６０，ＳＦＷ１６００－４／１１７０）和漳平岭兜水电站（Ｈ＝１８０ｍ，ＨＬＡ１７９－ＷＪ－６０，ＳＦＷ１６００－４／１１７０）有４台机组水力条件和装机规模相近，机组额定转速为１５００ｒ／ｍｉｎ，并已建成发电。

　　经现场考察，两站４台机组均已投产１年以上，运行中主要问题为：机组转速高、噪音大，轴承温度偏高（推力轴承６３℃，导轴承５５℃），轴承润滑油为油泵供油外循环水冷却系统，设置了重力油箱、回油箱、油泵及冷却水池等设施，不仅增加投资加大运行维护工作量，而且供油或供水系统发生故障时易发生烧瓦事故或被迫停机维修而影响正常发电。

　　在机组订货和施工设计时，经与福建水力发电设备厂设计、生产、经营有关人员多次协商探讨，拟定了几项改进措施：

１）推力轴承采用尼龙轴瓦，改进导轴承底瓦冷却装置降低轴承温度，同时润滑油改为自供内循环，取消油泵供油外循环冷却系统。不仅简化供油供水系统，节省投资节约厂用电，而且减轻运行人员的维修工作量，关键是减少了烧瓦事故和停电损失。

２）技术供水采用顶盖取水，改变初步设计时的水泵供水方案，施工设计时技术供水系统改为以顶盖取水为主，水泵供水为备用的设计方案，并在供水总管设置压力控制器和排水电磁阀等元件，电气自动化回路设计中增加了供水压力过高（超０．３５ＭＰａ）时自动排水降压，过低时（０．２ＭＰａ）自动开启供水泵增加供水压力和水量。

３）发电机采用空冷器密闭循环空气冷却，并采取其他措施降低机组噪音。在改进措施逐项落实后才签署订货合同，付诸工程实施。

４试运行效果及经济效益

　　三斗水库电站在大坝、引水系统、厂房土建工程进行预验收后，开始进行蜗壳充水、机组启动、带负荷、甩负荷等试验，并经７２ｈ试运行。由于有关单位的重视、配合和安装队的精湛工艺，机组试车基本上一次成功。当时大坝砌筑尚未达设计高程，水库水位７５４．００ｍ，电站毛水头１６７．６ｍ，导水叶开度７６％时发电机出力即达到１２５０ｋＷ，其顶盖取水的供水压力、水量，各部温度以及甩１００％负荷的压力、转速上升率均能符合设计和运行条件的要求。

１）技术供水由顶盖取水是成功的三斗水库电站为高水头小转轮卧式混流式水轮机，Ｄ１＝５５ｃｍ，采用顶盖取水附近省份尚无先例，可能是采用顶盖取水作为技术供水最小的转轮。按设备制造厂的技术资料，技术供水的压力０．１ＭＰａ～０．２ＭＰａ，每台机空冷器需水量３４ｍ３／ｈ，推力轴承７ｍ３／ｈ，加２个导轴承总需水量约５５ｍ３／ｈ；试运行时测得机组空载时供水总管压力０．２１ＭＰａ～０．２７ＭＰａ，供水量６１ｍ３／ｈ，满载时供水压力０．３ＭＰａ，供水量７３ｍ３／ｈ（经各分支阀门调节控制进入冷却器水压为０．１３ＭＰａ～０．１５ＭＰａ），随着大坝的继续砌筑和水库水位的升高，顶盖取水的压力和水量还将加大，可满足机组自空载至满载时技术供水的需要。

２）取消轴承润滑油由油泵供油外循环冷却的供油系统是可行的２台机组在７２ｈ试运行中，以电阻法测得推力轴承温度为４８℃～５０℃，导轴承为３２℃～３８℃，发电机定子温度在７０℃左右（１号机最高点为８７．５℃），均符合设备制造技术文件和规范规定长期安全运行的要求。

３）机组运行稳定、噪音明显降低机组安装各部间隙、摆度达到规范的优良水平，在甩１００％负荷时测量推力轴承最大振幅０．０１ｍｍ，垂直振幅０．００５ｍｍ～０．０１５ｍｍ，联轴器摆度０．２０ｍｍ～０．２５ｍｍ，机组运行稳定。三斗电站为压力管跨河布置的半封闭防洪厂房，靠河边一侧主厂房大部分又被爆破膜室所遮盖，噪音扩散条件较差，一般厂内噪音较大，试运行时厂房噪音与同类型中低转速机组的厂房相近，厂内运行条件尚可。

　　三斗水库电站选用ＨＬＤ５４－ＷＪ－５５配ＳＦＷ１２５０－４／１１７０水轮发电机组，运行状况良好，其经济效益也是可观的。

１）机组及配套设备加上水工建筑等因素，混流式比冲击式节省建设投资８４．２万元。

２）在三斗的水力和运行条件下，混流式机组的运行效率比冲击式机组高３％，年可多发电２４．８万ｋＷ·ｈ，尾水管回收能量多利用水头每年可多发电８．６４万ｋＷ·ｈ，每年可增加售电收入１７万元；按同样设备年利用小时计，相当于多装机１００ｋＷ。

３）顶盖取水和取消轴承润滑油由油泵供油外循环冷却系统，不仅节省了设备和土建投资，每年可节约厂用电１４万ｋＷ·ｈ，每年可增加售电收入７万元。

４）三斗水库电站选用混流式水轮发电机组试运行后，其运行状况良好，而且有较好的经济效益，为今后高水头、小容量的水轮发电机组选型设计扩大选型范围提供了很好的经验。