YBS水电站水轮机选型设计

2012-03-12刘晓薇

东北电力大学学报 2012年3期

刘晓薇

(大连市轻工业学校数理教研室，辽宁大连116024)

伴随着国民经济的飞速发展，我国的用电量也在与日俱增，出现严重的供需不平衡。据统计2006年，全社会用电量继续保持快速增长，前三季度，全社会用电量20 757.98亿千瓦时，同比增长13.70%。2006年前三季度全国电力供需仍呈现供需紧张形势，国家电网公司经营区域累计拉闸限电一万余次，拉闸限电损失电量1.41×108千瓦时。从总体上看，前三季度全国尖峰负荷最大电力缺口在1×107千瓦左右。

目前电力供应紧张成为制约国民经济发展的瓶颈，解决这一矛盾最有效的方法就是大力发展电力事业。随着人们对环保意识的增强，火力发电逐渐受到制约，技术的不成熟也阻碍了风力发电和核电发展的脚步。相比之下，技术成熟的水力发电倍受人们青睐，而且水又是无污染的可再生能源。目前我国用电需求迫在眉睫，需大兴水电，来满足我国经济发展的需要。

根据全国水力资源复查结果，我国大陆水力资源理论蕴藏量为6.94×108kW，年发电量为6.08×1012kW·h，技术可开发发装机容量为5.42×108kW，到2006年已开发和正在开发的装机容量为1.3×108kW。国家初步规划到2010年常规水电装机容量达到194 000 MW，开发程度35%。到2020年常规水电装机容量达到328 000 MW，开发程度达60%。可见我国水力资源有非常大的开发潜力。

在这样的背景下，为了加快我国水电事业，促进国民经济快速稳定发展，进行了本次设计。

2 水轮机选型设计

2.1 水电站设计条件

YBS水电站基本设计参数:

该电站远离负荷中心，在系统中担任基荷。

2.2 水轮机选型的任务

(1)确定电站台数及单机功率;

(2)选择水轮机的类型和型号;

(3)确定机组布置方式;

(4)确定转轮直径，额定转速等参数。

2.3 水轮机台数及水轮机型式的选择

在水电站装机容量已确定的情况下，机组台数的确定，也就是单机容量的确定。机组台数的多少直接影响到电厂的动能经济指标与运行的灵活性、可靠性，还影响到电厂建设的投资等，有时是与水轮机型号的选择及其主要参数的计算同时进行，这实际上是一个技术经济比较过程。

一般来说，中小型机组台数以2－3台较为合适，最大不超过4台，当多种机组性能均符合电站基本参数时，机组台数的选择应在经济技术比较的基础上选择最优方案，选择出合理的机组台数。

YBS电站从工程投资和技术方面综合考虑，装两台机方案机电设备投资较省，综上考虑，确定该电站装机台数为2台，单机容量为8.5 MW。

根据水电站的实际情况正确的选择水轮机的型式是水轮机设计的一个重要环节。虽然各类水轮机有明确的适用水头范围，但由于它们的适用范围存在着交叉水头段，因此，必须根据水电站的具体条件对可供选择的水轮机进行分析比较。

如表1所示［1］，比较水头范围可知，混流式和轴流式较合适。

表1 中小型水电站水轮机的主要类型和使用范围

考虑到混流式水轮机具有比转速高、机组尺寸小、造价低，水头可以全部利用以及满载时效率高等优点，而适合该电站水头范围的水轮机主要以混流式为主，因此该电站选择混流式水轮机形式，且选择立式布置。

1.4 水轮机选型设计步骤

1.4.1 确定水轮机模型转轮型号

根据YBS水电站的几个特征水头(最大水头、最小水头、额定水头等)，特别是其最大水头Hmax。在满足水头条件的情况下，初选模型转轮为:HL260/A244，参数如表2所示。

1.4.2 水轮机基本参数的计算

表2 不同型号转轮参数

(1)初选设计工况点［2］

式中:n11r为初选设计工况点的单位转速，r/min;n110为模型转轮在最优工况时的单位转速，为80 r/min;Hw为水电站平均水头，45.6 m;Hr为水电站额定水头，38 m。计算得:n11r=87.64 r/min。

从HL260/A244模型综合特性曲线上查得设计工况点为A，其单位流量为Q11r=1.246 m3/s，单位转速为n11r=82.3 r/min。

(2)转轮直径D1的计算

式中为D1为水轮机转轮直径，m;Pr为水轮机额定功率，计算为8894.167 kW;Pg为发电机额定功率，8.5 MW;ηg为发电机效率，中小型机组取0.95～0.97;本次设计取0.96;η为原型水轮机效率，由初选设计工况点的效率再加上1%～2%的修正值得到:η=ηmA+ε%(1≤ε≤3)。另外，η也可根据水轮机型号近似选取，即HL水轮机η=0.89－0.90［3］;本次取0.9。经计算:D1=1.85 m。根据现在水轮机厂家的制造能力，初步确定D1=2.0 m。

(3)水轮机额定转速n的选择计算

1)确定水轮机额定转速n

水轮机转速的选择主要考虑［4］:①转速与机组尺寸的关系，转速每提高一个档次，发电机就可以减少1到2对磁极，可以减少机组尺寸、降低机组造价;②对于已确定了型号及容量的水轮机来说，转速的选择主要保证水轮机在高效率区运行;③转速提高时，转轮内的相对流速可能有较大增加，会加剧泥沙磨损的速度;④转速提高时发电机转子的离心力增大，应考虑发电机转子强度。

2)水轮机转速n的初步选择计算

式中:n11为单位转速(r/min)，在模型综合特性曲线上选取，对混流式水轮机按(1～1.05n110)选取;Hw为电站加权平均水头(m);n11取1.05n110，得到n11=84 r/min，Hw=45.6 m，得到n=270.12(r/min)。对照水轮发电机标准同步转速，如表3所示。

表3 水轮发电机额定转速系列表(部分)

根据发电机的同步转速，考虑到水轮机的效率，发电机的造价和制造可能性等因素，比较后选取n=250 r/min和n=300 r/min。

(3)校验水轮机的运行范围

根据D1和n值，分别计算出Hmax和Hmin下对应的单位转速，在模型综合特性曲线上绘出运行范围。如包含了大部分高效区，说明D1和n值是合适的，否则改变D1和n值。

当n=250 r/min时，

式中:n11max、n11min分别为最小水头和最大水头下的单位转速，r/min;Hmax、Hmin分别为电站最大水头和最小水头，Hmax=53.1 m，Hmin=27.1 m。

计算得:n11max=96.65 r/min，n11min=68.62 r/min。

经判断n11r=87.64 r/min在n11max、n11min之间，同时该区域包含水轮机大部分高效率区。同理，当n=300 r/min时，n11max=115.4 r/min，n11min=80.3 r/min，尽管包含初选工况点，但与当n=300 r/min时相比，水轮机工作范围不在高效区。因此，最终确定D1=2.0 m，n=250 r/min。

(4)效率及单元参数的修正

1)效率换算及其效率修正值Δη，由国际电工委员会推荐的公式，将模型机最优的工况效率换算成真机的最优工况效率。换算公式为