英布鲁水电站水轮发电机组选型及研究

张泽太 高普新 杨富超 杨 旭

1 机组型式选择

在中国或电网容量较大的国家,水电站的容量占电网的容量很小,电站建成后,机组的并网、运行条件很好；即使机组出现突然甩负荷时,对电网的冲击影响较小,同时甩负荷后,机组也能很快地进入稳定的状态；因此大电网条件下的机组选型,往往只考虑机组的能量效率指标高、设备及工程造价相对便宜的机组；如在大电网条件下,像英布鲁这样的低水头电站 (设计水头16.1 m,水头范围16.08～21.33 m,单机容量为30 MW,4台机组),灯泡贯流式水轮发电机组是首选的机组。贯流式水电站厂房较立式机组,具有土建投资省、建设周期短、节省工程投资的优点,也是英布鲁水电站枢纽工程投标阶段重点推荐的机型。实际上,由于刚果英布鲁水电站是刚果首都电网中惟一一座大型水电站,其建成后几乎是其独立承担首都布拉柴维尔及北方重要城市的供电任务；且电站距负荷中心较远,供电的距离约320 km,即英布鲁水电站的供电方式是:长线路孤立电源负荷的条件。这之前,刚果首都的用电是长期从邻国 (刚果金)购电40～60 MW。在进行重要技术方案决策中,重点研究孤网条件下灯泡式水轮机对本工程的适用性,及灯泡式水轮机与轴流转桨式水轮机的技术方案比较问题,并进行了电网条件下的大、小波动的过渡过程计算。计算结果表明,如采用灯泡贯流式机组,由于电网的自调节能力小于0,灯泡贯流式机组的转动惯量G D2值仅为2 200 t◦m2,无论调速器的参数如何调整,机组在该电网中的稳定域小于50%；而采用轴流转桨式水轮机,尽管电网的自调节能力小于0,其转动惯量GD2值可达到6 600 t◦m2,合理调整调速器的参数值,机组在该电网中的稳定域为95%～100%；经过详细的分析论证,本电站毫无争议地选择立式轴流转桨式机组,并合理地降低机组的参数 (如:转速、单位流量值等),适当加大转轮直径,提高机组的转动惯量,增加机组的运行稳定性。经2010年6月至2011年6月机组的调试、运行的检验,选择的机型及参数是合理的,目前该机组成功地完成启动、停机、运行、增减负荷、甩负荷及独立带首都布拉柴维尔供电的任务,其运行稳定；截止至2011年6月该电站各台机组的已经连续运行10个月,并签订初步验收证书。

2 水轮机发电机主要技术参数的选择

2.1 水轮机主要技术参数选择

英布鲁水电站水轮机为孤网运行,要求水轮机既要有良好的水力性能,又要具有很高的稳定性；同时,电站所在的河流 (莱菲尼河)两岸为赤道附近的原始森林,水流中腐植质较多,水流为弱酸性 (有机酸pH=4.9～5.3)；当地气候炎热,常年气温较高,英布鲁水电站为径流式水电站,河水的水温较高,实测水温为28～30℃,运行初期水中含有一定量的沼气,水流更容易汽化加剧空化气蚀。

为此,在水轮机参数选择上,在关注保持较好效率指标的同时,更注意提高水轮机的空化气蚀性能及运行稳定性；并在模型试验台实际测量模型水轮机的各项性能参数指标,以验证真机的可能状态；为提高水轮机局部抗气蚀性能,转轮叶片出口增加了抗气蚀裙边,工程措施上,给出合理水轮机的安装高度,保证机组无气蚀运行。选定的水轮机参数如下:

水轮机型号 ZZ660-LH-550

最大水头/m 20.36

最小水头/m 16.08

额定水头/m 16.10

额定功率/MW 30.77

额定流量/(m3◦s-1) 215

额定转速/(r◦min-1) 107.1

飞逸转速/(r◦min-1) 270

额定比转速/(m◦kW) 561.2

额定工况点效率/% 92.5

最高效率/% 93.5

加权平均效率/% 92.8

安装高程/m 286.50

2.2 发电机的技术参数选择与决策

发电机参数选择与确定是本电站又一重要技术问题之一。

(1)为适合孤网长线路运行的要求,要求发电机具有很好的运行稳定性及合理的转动惯量值,按照分析计算机组 GD2不小于6 600 t◦m2。

(2)电站的任务近期主要是多发电能担任基荷运行,远期电网容量大了,英布鲁机组可承担调峰运行的功能,据此,发电机需具有很好的效率指标。

(3)电站的接入系统为:机组发出电能通过自己220 kV的开关站,首先送入78 km处的恩格变电站 (220 kV变电站),再送入260 km处的220 kV迪吉利变电站,最后送入约300 km处的220 kV杰兰勃变电站,沿途无用电负荷,该种送电方式要求机组具有较强的吸收容性无功功率的能力；为此,发电机参数选择上适当地降低机组的功率因数值(为cos Φ=0.85),提高其无功补偿能力,最大可连续吸收无功能力21 Mvar；正常情况下吸收无功能力为15～16 Mvar。

(4)考虑英布鲁水电站处的最大湿度为98%,发电机的定子线棒,转子线圈均采用优质线棒,提高绝缘耐压水平,并在国内工厂进行线棒的绝缘耐压抽检试验。

由于水轮发电机组采用以上技术措施,经运行检验这些措施是十分有效和完全必要的。发电机的技术参数如下:

发电机型号 SF30-56/7800

额定容量 30MW/35.294MVA

额定电压/kV 10.5

额定电流/A 1 940.7

额定功率因数 0.85

额定转速/(r◦min-1) 107.1

飞轮力矩/(t◦m2) 6 000

机组旋转方向 俯视顺时针

最大连续无功补偿能力为/Mvar 21

3 机组的系统安全保护措施

由于刚果的电网薄弱,机组除自身发电及柴油发电机作为保安电源外,无其它外接电源作为厂用电；所以在全电站失去交流电的情况下,保证机组安全也是十分关键的技术问题。

3.1 安全的拦污系统及清污设备

设计上采用提高拦污上的设计压力为6 m,增加其刚度强度,防止其被污物及水推力压垮；清污设备采用的悬臂梁及专用机械手抓斗。在2010年5～6月英布鲁电站蓄水初期,漂浮污物堆积如山的情况下,栏污栅及清污设备发挥了重要的作用。

3.2 水轮机导水机构的弹簧连杆安全结构

作为机组从机械上安全保护的第2道防线是水轮机导水机构的弹簧连杆安全结构。当小的树枝或小块木头穿过拦污栅的栅条间隙,或拦污栅局部栅条破坏使之小直径的树干、水草,穿过拦污栅进入固定导叶、活动导叶或水轮机流道其它部分,此时活动导叶容易被卡死,导水机构无法关闭活动导叶,机组无法按照机组LCU的控制要求实现停机,从而会引起严重的事故。为解决此问题,作为安全措施之一,水轮机的导水机构采用弹簧连杆安全机构,当1个或几个活动导叶被卡住无法正常关闭时,该部分的弹簧机构被拉长,保护该部分的操作机构不被拉坏,其它导叶在操作机构的作用下可实现正常关闭,保障机组不产生飞逸或长时间飞逸；同时在相邻导叶关闭过程中,流道中的流速、流态发生变化,有利于卡在导叶中的异物被水流冲走；最终卡在导叶中的污物机组停机后可采用人工清理排除。

3.3 电气测量与调速器、事故配压阀协联配合

英布鲁水电站机组,从系统设计上使调速器、事故配压阀、接力器、导水操作机构根据电气测量出转速的变化,制定一套完整、严密的安全系统,以保障机组在可能出现的异常工况下的安全。

机组在正常运行时 (含正常运行、启动、停机、增加或减少负荷工况),机组负荷调节由调速器与励磁装置的配合去完成。

当机组出现异常状态时,机组的转速升高,机组的转速达110%额定转速时,调速器配压阀动作,通过接力器、导水机构停止机组运行。

当调速器出现事故、拒动作,无法实现关闭机组的任务时,此时机组的转速继续升高,至140%额定转速时,液压系统的事故配压阀动作,直接经过接力器、导水机构停止机组运行。

当调速器和事故配压阀均出现事故,均拒动时,此时机组转速继续升高、达 158%额定转速时,机组LCU直接给进口快速闸门 (位于水轮机进口流道上)下达关闭指令,快速闸门可实现2 min(实际是1.46 min)关闭,切断水流而停机。

3.4 机组的安全两段关闭装置

英布鲁水电站为河床式水电站,引水流道相对较短；由于水头低 (设计水头为16.1 m),水轮机的单机过流量较大(水轮机的额定流量为:215 m3/s),机组正常停机和事故停机过程中,防反向水推力和防止抬机是必须解决的问题,专题研究计算成果及工程运行实际经验都证明了这一点。为此,除其它措施外,本工程水轮机导叶的采用两段关闭措施是解决此问题的关键的、有效的措施之一。

当机组的停机由调速器完成时,调速器液压操作系统可以实现两段导叶关闭的功能:第1段为快速关闭,关闭时间为8 s；第2段为慢关闭,关闭时间为15 s,拐点位置为导叶20%开度。桨叶关闭时间为40 s。经过计算,最大压力上升和转速上升发生在额定工况下甩全负荷时,计算值如下:

蜗壳进口最大水压/kPa 230

最大压力上升/% 42

最大转速上升/% 41

尾水管最小压力/kPa 27.7

当调速器拒动,机组的关机由事故配压阀及其相关装置实现时,通过导叶位置信号及机组LCU控制指令,使事故配压阀的两段关闭阀组实现对导叶的两段关闭功能。

3.5 机械防飞逸装置

目前,英布鲁水电站是刚果布首都惟一的重要的电源点,由于该国家的电力建设还在刚刚起步阶段,无法像中国或其它电力发达国家那样,为水电站运行控制提供可靠的交流外接电源 (第2厂用电源)；电厂内部的直流控制电源,由于其模块在高温高湿度的条件下使用,对其安全性也有一定的影响；电站的备用保障电源——柴油发电机采用自动启动方式,但柴油机的启动需要一定的时间 (30～120 s)才能完成。为保障机组安全,本工程设置了机械防飞逸安全装置,该装置安装在水轮机的主轴上,当机组的转速达到158%额定转速时,机械防飞逸的机械装置的舌瓣碰击压力控制油阀,油阀开启给接力器供油,导水机构关闭导叶停机,同时给进水口快速门输出无源节点信号,关闭快速闸门。机械防飞逸装置在全厂失去电源的极端情况下,保障了机组的安全；在英布鲁水电站的机组调试及11个月运行中,该系统发挥了重要的作用。

3.6 进水快速闸门

快速闸门是作为机组安全保护及厂房防止水淹的最后保护措施。在英布鲁水电站所在河流 (莱菲尼河)漂浮物多、电站厂用电保障率低的特殊条件下,电站进水口采用快速闸门作为机组防飞逸、防事故扩大、保护电站厂房安全的最后措施,是十分有效合理的,经运行检验该项措施也是十分必要的；可作为成功的经验为类似电站采用；在英布鲁水电站的初期调试、试运行、运行过程中,快速闸门与其它安全系统配合,很好地保障了机组及电站厂房的安全。

3.7 安全的测速系统

测速系统是水电站机组运行、控制、事故判断、事故处理、设备动作的重要信息之一。英布鲁水电站的机组采用可靠齿盘测速装置作为主要测速方式,同时残压测速作为备用的测速方式；两种测速均可以实现机组、调速器、励磁装置、保护装置的控制、动作、保护信号。在两种测速方式均失效时,机械防飞逸装置承担了机组及电站安全最后保障。

4 结 语

刚果英布鲁水电站4台机组已于2010年6月16日前进行了各项试验及完成72 h试运行,截止至2011年6月8日,机组顺利地完成30 d的考验运行及近10个月的商业运行；机组成功地实现独立给首都布拉柴维尔供电,并根据用电量的变化增减负荷,机组运行平稳。机组在运行中,发电机的无功补偿能力稳定在15～17 Mvar,机组在启动或停机过程中无功功率达18～19 Mvar,在设计的预定范围内。机组在试验调试、72 h试运行、30 d考验运行及商业运行中,机组的安全保护系统很好地保证机组的安全。