银盘电站水轮发电机组主要参数及容量选择（季定泉,宋木仿,代开锋）

时间：2022-02-20 15:12:40 浏览量：次

摘要: 根据水轮发电机组技术的发展水平，参考国内外同类电站资料及制造商的建议，通过分析比较，提出了银盘水电站合理的机组参数，并对装机容量600MW的不同单机容量方案进行技术经济比较，即单机容量150MW（装机4台）和单机容量200MW（装机3台）两个方案。结果表明，3台机方案水轮机制造的难度系数较大，且工程投资较4台机方案多3040万元，决定选择4台机方案。在此基础上，编制了水轮发电机组招标文件。

关键词: 轴流转浆式水轮发电机组;参数;容量;银盘水电站

中图分类号: TK733 文献标识码: A

1 工程概况

银盘水电站的开发任务是发电和航运，是上游彭水电站的反调节电站，建成后可解除彭水电站的航运基荷。水库根据反调节的要求设置日调节库容，其运行方式为:为了满足下游航道的通航，在电力系统日负荷低谷时段（彭水电站不发电），银盘水电站担任基荷，发电下泄流量不少于345m3/s，以满足库区及其下游航运对最小水深的要求。在电力系统日负荷高峰时段（彭水电站担任调峰、调频任务，释放不恒定流）银盘水电站承担部分腰荷。

银盘水电站正常蓄水位215m，死水位211.5m，保证出力161.7MW，装机容量600MW，多年平均发电量27.08亿kW?h，库水位每天在正常蓄水位215m和死水位211.5m之间变化。

2 水轮机型式及主要参数选择

2.1 水轮机型式选择

银盘水电站水轮机正常运行水头范围为13～35.12m，加权平均水头为29.66m，额定水头26.5m。其运行水头属低水头且水头变幅较大，该水头是轴流转桨式机型较理想的运行范围。轴流转桨式水轮机具有效率曲线平坦、单位转速高、稳定运行区域较宽广等优点，适用于低水头段且水头变幅大的电站。经综合分析比较，本电站选用轴流转桨式水轮发电机组方案。

2.2 水轮机比转速选择

比转速是表征水轮机技术经济性的综合指标，既反映了水轮机的能量、空化和效率等特性，也反映了当前水轮机的水力开发、设计和制造等技术水平。提高比转速可以获得较好的经济效益，但比转速的提高同时又受到上述诸多因素的制约。

国内外相同水头段部分电站已投产发电的大型轴流转浆水轮机的统计资料表明:比转速在470～620m?kW之间，比速系数K值在2430（万安电站）与3026（巴西PEXI电站）之间，比转速的平均值约为518m?kW，比速系数k值的平均值为2702。

综合考虑银盘水电站水流含沙量、运行水头范围、水轮机的能量特性和空化特性等因素，其水轮机比速系数取2700左右较为合适，相应的比转速为520m?kW左右。

2.3 水轮机单位参数选择

从比转速ns =3.13n′1 （Q′1 η）0.5 关系式可知，同样的ns 值，可由不同的单位转速n′1 和单位流量Q′1 以及η的组合来实现。由于效率的提高是有限的，因而比转速ns 的提高主要通过提高n′1 或Q′1 来实现。提高水轮机的单位转速可提高发电机同步转速，减轻发电机重量，降低机组造价。但单位转速的提高会对水轮机的空化、磨蚀、运行稳定性带来不利影响。提高水轮机的单位流量，既可以减小水轮机尺寸、降低机组造价，又可以减小厂房尺寸、节省土建投资。但单位流量的提高也受到水轮机的空化性能、强度条件和其他一些因素的约束。过高的Q′1 会恶化水轮机的综合性能。国内外水电站的实际运行经验表明，水轮机的综合性能（效率η、空化系数σ、水压脉动相对值A）的优劣，很大程度上决定于n′1 、Q′1 的匹配好坏，只有当n′1 与Q′1 处于最优匹配时，才能获得最优的水轮机综合性能。

根据上述分析，结合目前水轮机技术现状与发展趋势，提出银盘水电站水轮机的单位转速和单位流量范围为:n′10 =132r/min左右、Q′10 =1.1m3/s左右为水轮机最优工况;Q′1 =1.63m3/s左右为水轮机限制工况。

2.4 水轮机效率选择

随着水轮机研制开发工作的不断深入，水轮机的效率稳步提高。目前国内外优秀轴流转轮的模型最优效率ηOM 已达93%左右。对于银盘水电站这样的大型轴流水轮机，其效率水平的高低对经济效益影响较大，但片面追求过高的水轮机效率，将会对水轮机的综合性能产生不利影响。综合考虑，银盘水电站的水轮机模型最优效率应不低于92.8%，真机最高效率应不低于94.7%。

2.5 水轮机空化系数选择

水轮机抗空化性能的好坏直接影响机组运行的安全可靠性和电站的经济性，空化性能也是衡量水轮机综合性能的一个重要指标，一般用空化系数表征水轮机的空化性能。电站装置空化系数（σp ）的大小，直接影响电站开挖深度和水轮机运行的综合性能，其大小主要由模型空化系数σm 决定。

根据选定的银盘水电站水轮机的ns 、n′1 、Q′1 参数范围，以及国内主要制造厂咨询意见，银盘水电站模型水轮机限制工况空化系数宜控制在0.62以内。

2.6 水轮机性能参数水平的确定

根据对国内外大型轴流式水轮机性能参数的统计分析，结合银盘水电站的基本参数及运行特点，确定的银盘电站水轮机性能参数水平如下:

比转速ns ≈520m?kW

比速系数k≈2700

最优单位转速n′10 ≈132r/min

最优单位流量Q′10 ≈1.1m3/s

限制点单位流量Q′1 ≈1.63m3/s

模型最优效率ηOM ≥92.8%

真机最高效率ηOT ≥94.7%

模型空化系数σm ≤0.62

3 机组容量选择

3.1 方案拟定

根据装机容量比较结果，银盘水电站总装机容量为600MW，在此基础上拟定单机容量150MW（装机4台）和单机容量200MW（装机3台）两个方案进行综合分析和比较。

3.2 两方案机组主要技术参数

根据确定的水轮机性能参数水平，并参考模型资料和国内主要机组制造厂商的建议方案，单机容量150MW（装机4台）和单机容量200MW（装机3台）两方案的机组主要参数如下。

方案Ⅰ 方案Ⅱ

装机容量 600MW 600MW

单机容量 150MW 200MW

装机台数 4台 3台

水轮机主要参数

最大水头 35.12m 35.12m

最小水头 13.0m 13.0m

加权平均水头 29.66m 29.66m

额定水头 26.5m 26.5m

转轮直径 8.8m 10.2m

额定功率 152.6MW 203.3MW

额定流量 635.8m3/s 846.1m3/s

额定转速 83.3r/min 71.4r/min

额定单位流量 1.595m3/s 1.580m3/s

额定单位转速 142.4r/min 141.5r/min

加权平均水头对应的单位转速 134.6r/min 133.7r/min

额定效率 92.5% 92.6%

最高效率 94.7% 94.75%

安装高程（导叶中心线） 176.4m 177.5m

比转速 541.2 535.4

比速系数 2786 2756

转轮重量 300t 400t

水轮机总重量 1400t 1900t

发电机主要参数

额定容量 166.7MVA 222.2MVA

额定功率 150MW 200MW

额定功率因数 0.9 0.9

额定电压 13.8kV 13.8kV

额定效率 98.3% 98.4%

额定转速 83.3r/min 71.4r/min

发电机冷却方式全空冷全空冷

推力负荷 3500t 4500t

转子重量 680t 910t

发电机总重量 1350t 1820t

单台机组总重量 2750t 3720t

全电站机组总重量 11000t 11160t

3.3 水轮机技术分析比较

由上述主要参数可知，两方案水轮机的比转速、比速系数、单位流量、单位转速、效率等均达到上述确定的水轮机性能参数水平，且两方案的水轮机性能参数水平基本一致。

3.3.1 水轮机制造难度

水轮机的制造难度与运行水头和转轮直径密切相关。一般情况下，水轮机运行水头越高、转轮直径越大，水轮机的座环、顶盖、转轮等部件受强度限制所需材料在强度、厚度等方面的要求就越高，水轮机的制造难度也越大。通常用D21 Hmax 来表征水轮机的制造难度系数。银盘水电站4台机方案的水轮机制造难度系数约2827，与葛洲坝电站2809和铜街子电站2890的水轮机制造难度系数相当。葛洲坝电站机组、铜街子电站机组均由国内厂商设计制造，且分别有20多年和10多年的运行经验，可以说国内外厂商均有足够的能力和经验制造银盘水电站4台机方案的水轮机。

3台机方案的水轮机制造难度系数达3797，比水口电站3699、乐滩电站3407和委内瑞拉Macagua（Ⅱ）电站3433的水轮机制造难度系数还要大。

综上所述，3台机方案的水轮机制造难度系数远大于4台机方案的水轮机制造难度系数，且属于目前国内外轴流水轮机制造难度系数最大的一档。从银盘水电站3台机方案的水轮机名义直径、最大水头以及目前国内外水轮机制造技术水平来看，国内外主要水轮机制造厂商得经过努力，才能进行设计制造。

3.3.2 运行性能

银盘水电站为彭水水电站的反调节梯级，为保证下游航道的通航，电站发电时的最小下泄流量为345m3/s，电站相当于发106MW的基荷。在最小通航流量单机运行时，4台机方案单机功率约为额定功率的71%，3台机方案单机功率约为额定功率的53%。在航运基荷特定条件下，4台机方案运行特性优于3台机方案。

当电站1台机组检修时，3台机方案的运行容量小于4台机方案的运行容量。检修期电站需调峰运行时，3台机方案的调峰容量只有最大调峰容量的66.6%，而4台机方案的调峰容量尚有最大调峰容量的75%。

4台机方案的单机容量为150MW，3台机方案的单机容量为200MW，4台机方案机组运行灵活性总体优于3台机方案。4台机方案能更好地适应电网的运行调度要求，特别是在枯水期与彭水水电站联合运行，同时担任调峰任务时，4台机方案的机组运行工况好、效率高。

3.4 发电机技术分析比较

从两方案的主要参数可以看出:两方案发电机主要电气参数和性能参数基本一致，均能满足银盘水电站所在重庆电力系统的运行要求。另外，从两方案发电机制造难度、发电机结构型式、冷却方式等方面进行分析，两方案发电机均在国内外主要制造厂的设计制造能力范围内。但3台机方案的推力负荷远大于4台机方案，且超过水口电站机组和葛洲坝170MW机组的推力负荷，制造难度大于4台机方案。

3.5 投资比较

按照国家水电工程概算编制规定和现行价格水平计算，银盘水电站3台机方案与4台机方案的投资差额详见表1。

由表1可以看出银盘水电站装机3台方案比4台方案的工程静态总投资多3040万元。

3.6 综合分析

从以上分析可以看出:两方案总体经济指标基本相当，但4台机方案与3台机方案相比，节省工程投资3040万元。4台机方案机组制造难度远小于3台机方案，运行灵活性明显优于3 台机方案，且厂房施工强度和施工难度均小于3台机方案。

因此，确定银盘水电站装设4台单机容量为150MW轴流转浆式水轮发电机组。

4 结语

根据上述确定的机组主要参数以及机组容量，编制的《银盘水电站4×150MW水轮发电机组及其附属设备招标文件》于2007年2月15日在国内公开发售，并已于2007年4月15日在重庆开标，国内主要制造厂均勇跃参加了竟标。

作者简介: 季定泉，男，长江水利委员会设计院机电处，高级工程师。

推荐访问:水轮电站机组主要参数发电