淺析上廟水電站水力機械設(shè)計要點

楊平

（韶關(guān)市水利水電勘測設(shè)計咨詢有限公司，廣東 韶關(guān)512000）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展速度不斷提高，我國水電項目獲得了發(fā)展契機，小型水電站的水力機械設(shè)計過程的不同將導(dǎo)致水資源開發(fā)與投資產(chǎn)生不同的影響。許多小型水電站均在針對水力機械的實際應(yīng)用功能進行優(yōu)化，以降低運行中出現(xiàn)故障的幾率以及提高電站的運行效率[1]。水電站的機械設(shè)備選型對水電站以后的工作情況有著直接影響，因此在前期設(shè)計時，必須要充分結(jié)合現(xiàn)場條件，遵循經(jīng)濟實用和可持續(xù)性原則。目前，我國在水利工程以及水力機械設(shè)計領(lǐng)域中仍存在許多待解決的問題以及一定的提升空間，一般可以根據(jù)水電站的實際水文情況和地理條件設(shè)計出性能優(yōu)良且能良好運行的方案。水電站中的水力機械部分主要包括以下幾部分:水輪機發(fā)電機組部分、油、汽、水輔助系統(tǒng)部分、電氣部分，本文分別就這幾部分進行分析和探討[2]。

1 上廟水電站工程概況

上廟水電站工程位于廣東省韶關(guān)市東南部的翁源縣，位于北江支流的上游地帶，是一座主要以灌溉、供水以及發(fā)電調(diào)度為目的的綜合性水利工程。該水電站項目的機電專業(yè)設(shè)計由韶關(guān)市水利水電勘測設(shè)計咨詢有限公司完成。根據(jù)工程布置，上廟水庫壩址上有梯級壩后式電站2 座，屬于多年調(diào)節(jié)的引水式廠房。

1.1 電站氣候條件：上廟水電站所在的上廟水庫處于北回歸線以北，屬于中亞熱帶季風(fēng)區(qū)，夏季氣溫高且多雨，秋季涼爽干燥。年平均氣溫大約在20.3℃，最高氣溫為39.2℃，最低氣溫-5.1℃，多年平均最高氣溫為33.3℃，多年平均最低氣溫為6℃。年平均日照1856.5 小時，無霜期303 天。多年平均降雨量1869.69mm，最大年降雨量3042mm（1975 年，日歷年），最小年降雨量1024.1mm（1991 年，日歷年），最大日降雨量為225mm（1964 年6 月10 日）。

1.2 水庫水位：上廟水庫無實測水位流量資料，本階段采用曼寧公式計算。在壩址位置及電站廠房處各實測一橫斷面；經(jīng)分析該段河道比降采用綜合比降J＝21‰；河道糙率根據(jù)河道情況選取n＝0.04。根據(jù)以上參數(shù)采用曼寧公式計算壩址的水位流量關(guān)系，計算結(jié)果見表1 及表2。

表1 上廟水庫壩址水位流量關(guān)系成果表（1956 黃海高程）

表2 上廟水庫廠房處河道水位流量關(guān)系成果表（1956 黃海高程）

2 電站基本參數(shù)及水輪機型號

根據(jù)目前國內(nèi)水輪機研制單位研制的新轉(zhuǎn)輪技術(shù)資料及生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)情況，并結(jié)合該水電站項目水能利用原則，對該站機電設(shè)備進行技術(shù)選型，選定適合該站水頭范圍的水輪機為混流式。因此適合本站水頭段的機組為臥式混流式水輪發(fā)電機組，該水頭段合適的機型有：HLA194-WJ-42 和HLS2055-WJ-42等。其模型技術(shù)參數(shù)通過對轉(zhuǎn)輪直徑和效率等的比較，以及廠家提供的資料進行核實該水電站工程選用混流式機組。上廟水庫電站為壩后式電站，采用壩后式地面廠房。根據(jù)水文水能計算結(jié)果，電站基本參數(shù)：大壩正常蓄水位268m、設(shè)計水頭40m、最大水頭48.5m、最小水頭28m、電站設(shè)計流量1.5m3/s、裝機容量2×250kW。

通過計算，并且在模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線上，繪制出水輪機各種水頭的特征工況點可看出，HLS2055-WJ-42 機型設(shè)計水頭額定工況效率更高運行余量更大，其它性能指標HLS2055-WJ-42 機型也明顯優(yōu)于HLA194-WJ-42，該機型的工作范圍基本上在各特征水頭工況下都能處于特性曲線的高效率區(qū)，可以對該機型選擇的正確性作出肯定。通過以上分析，初步選定的水輪發(fā)電機組的具體型號為：HLS2055-WJ-42 混流式水輪機與SFW250-6/740 發(fā)電機配套，作為該站主機。其主要技術(shù)參數(shù)如下：

（1）水輪機：型號HLS2055-WJ-42、轉(zhuǎn)輪直徑0.42m、額定水頭40m、額定流量0.8m3/S、額定轉(zhuǎn)速1000r/min、額定點效率88%、額定出力278 kW。

（2）發(fā)電機：型號SFW250-6/740、額定功率250kW、額定容量313kVA、額定電壓400V、額定電流451.1A、額定轉(zhuǎn)速1000r/min、額定效率92.5%、頻率50Hz、功率因數(shù)0.8。

3 水力機械設(shè)計特點

根據(jù)機組安裝尺寸并結(jié)合廠區(qū)地形，滿足機組間通道要求，廠房內(nèi)裝有2 臺水輪發(fā)電機組，安裝高程220.75m，中間機組段長度亦即機組間距為6.0m；調(diào)速器布置水輪機旁靠下游側(cè)。為滿足廠房單套水輪發(fā)電機組大檢修要求，主廠房總長為18.4m,總寬為7.5m，廠房總高度為7.1m，主廠房內(nèi)設(shè)中控室，中控室前設(shè)安裝場。

表3 水力機械主要設(shè)備清單

4 輔助水力機械設(shè)備系統(tǒng)的設(shè)計

上廟水庫電站為壩后式水電站，壓力管為兩機一管，進水管為Q235 材質(zhì)，進口設(shè)置閘門。一般情況下，機組正常開停機和事故停機均由調(diào)速器控制。

4.1 調(diào)速器：根據(jù)以下公式計算調(diào)速功：

式中：K=25、Q=0.753m3/s、Hmax=48.5m、D1=0.42m，計算的A=84.96 （kg.m） 因 而 可 選 用 調(diào) 速 功 為 300 kg·m 的GYWT-300-16 的高油壓全數(shù)字式可編程組合式調(diào)速器，它具有高油壓氮氣氣囊式油壓裝置，可免去高壓氣系統(tǒng)，減少部分油壓裝置自動化元件，減少故障率。

4.2 起重設(shè)備：根據(jù)相關(guān)資料顯示，廠內(nèi)單件最重件為發(fā)電機，重約3.5t。上述廠房布置圖，主廠房長度為18.4m，寬度為7.5m，兩臺水輪機組間距6.0m，吊運范圍需滿足廠房內(nèi)主要設(shè)備的基本要求。包括發(fā)電機、水輪機、調(diào)速器等自安裝場直接起吊后就位。起重機吊鉤最低吊件為水輪機主閥，長約3.6m，加上廠房地面層吊運高度0.6m，共計4.2m。綜上比較，本站選用工作制度為5t 級電動單梁橋式起重機一臺，起重量5t，跨度7.5m，起吊高度4.2m。

4.3 油系統(tǒng)：由于該站裝機容量較小，用油量少，軸承無需外接壓力油，采用人工添加油料，故不設(shè)置油系統(tǒng)。

4.4 高壓氣系統(tǒng)：高壓氣系統(tǒng)主要用于為調(diào)速器的壓油槽補氣。本站調(diào)速器由于采用高油壓氮氣氣囊式油壓裝置，無需設(shè)置外部氣源，自成系統(tǒng)，不需另設(shè)高壓氣系統(tǒng)。由于本項目裝機容量小，機組設(shè)備少，運行期無需低壓氣源，不需設(shè)置低壓氣系統(tǒng)。

4.5 水力測量系統(tǒng)：為保證電站安全經(jīng)濟運行，本站要進行上、下游水位及水輪機蝸殼水壓力、尾水管真空壓力測量。上、下游水位測量，采用UYF-2 型浮子遙測液位發(fā)生器2 個，及XBZ-2 型浮子遙測液位受訊器兩個來測量。頂蓋真空壓力、尾水管真空壓力測量，表計Z-150T 由廠家提供。

4.6 技術(shù)供水系統(tǒng)及消防供水系統(tǒng)：技術(shù)供水主要用于推力和導(dǎo)軸承冷卻器、以及廠區(qū)生產(chǎn)、生活用水等。根據(jù)本站水頭范圍，每臺機壓力管都設(shè)置兩取水口，一個可直接連接消防栓，以滿足發(fā)電機和廠房消火用水需要；另外一取水口用于技術(shù)供水，從進水口取水后經(jīng)過濾水器過濾后直接匯集于Φ100 供水鋼管，由Φ50 供水支管分別輸送給各用水對象。水壓力為0.015Mpa～0.02 Mpa。

4.7 排水系統(tǒng)：包括機組檢修排水，廠房滲漏、廠區(qū)生產(chǎn)、生活用水排水，機組主軸密封排水和廠區(qū)排水。該電站裝機臺數(shù)少，容量不大，根據(jù)運行經(jīng)驗，本電站所有排水直接排至尾水流道，不設(shè)集水井，無排水設(shè)備。廠區(qū)排水：在洪水期及非洪水期，廠房的滲漏排水、檢修排水、地面排水均可通過地面排水溝實現(xiàn)自流排水排入尾水流道。廠房防洪：發(fā)電機地面高程為220.0m,尾水設(shè)計洪水位219.5m,故無需設(shè)置防洪墻。

5 結(jié)論

上廟水電站在水力機械設(shè)備、通風(fēng)、排水、消防等系統(tǒng)的設(shè)計有著自身特有的優(yōu)勢。在水力機械設(shè)備的設(shè)計以及選擇方面需根本實際情況而定，合理的選擇水力機械設(shè)備不僅能夠保障電站的日常運轉(zhuǎn)，又能在很大程度上提高水電站的商業(yè)效益[3]。水電機械設(shè)備的設(shè)計與優(yōu)化是水電工程中兩項重要的技術(shù)應(yīng)用，應(yīng)作為重點研究對象進行優(yōu)化以及繼續(xù)改進，使水利水電工程技術(shù)能夠更安全高效。