小型水电站水轮机选型的探讨

小型水电站水轮机选型的探讨

1小型水轮机选型存在的问题随着国家投资的增加，近年来该地区水电工程发展呈现出另一个高潮，各地区小型水电工程发展迅速。与大型水轮机相比,小型水轮机选型工作不易引起足够的重视,且受市场环境影响较大。在已运行的机组中,因选型造成的问题也较多。在当前的形势下,如何做好小型水电站水轮机的设计选型工作,尤其是在高原地区(大部分县、乡级电站为孤立运行电站),如何提高我区小型水轮机的应用技术水平,增加电站的运行效益,值得从事这项工作的设计人员认真研究、总结。2小型重机设计设计阶段方案水轮机的选型工作,最重要的是合理确定水轮机的参数。小型水电站虽然容量不大,但其对于业主而言,其运行效益仍是至关重要的。而水轮机的性能参数是影响电站运行效益的重要因素。选择、确定水轮机的参数,有以下两种方法:一种是根据已有的水轮机型谱和模型资料选择水轮机;另一种是以实践经验和资料为基础,用比转速作为重要依据,应用统计比较的方法选择,确定水轮机参数。这两种方法运用于小型水轮机选型时,均有一定的局限性。如按照已有的型谱和模型资料选择水轮机,常会因为掌握的资料有限,无法选择参数较优的机型;而根据预估算的参数选择水轮机,则又会因为缺乏针对性,容易与小型设备生产厂家掌握的机型和生产制造技术、能力脱节。造成这种现象的原因,主要是小型水轮机的设计选型,受市场和厂家因素制约是很大。首先,小型电站投入少,建设周期短,生产厂家一般不会专为某个电站的需要而研发一个新的转轮;其次,对于小型机组,一些掌握较多先进机型的大型设备厂家往往不感兴趣,而一些主要从事小型机组制造工作的中小设备厂家因为掌握的先进机型较少,技术能力和制造水平也参差不齐。另外,一些从事设计工作的中小设计院,对水轮机的技术发展和优秀转轮模型资料的掌握尚有欠缺,而小型电站设计投入少、时间紧,也导致在设计选型中,常出现按产品样本,甚至委托厂家代为选型的情况,在西藏,这种现象更为普遍。针对以上情况,西藏自治区水利规划勘测设计院在小型水轮机的设计选型上,摸索、总结了一些方法,以提高选型设计水平。具体方法如下:首先,小型水轮机的选择,通常采用成熟技术和已运行过的机型,故设计人员平时应注意多收集区内各水头段已运行的一些电站和机型资料,重点关注引进技术或新开发的一些机型资料和运行情况。其次,加强与中小水轮机生产厂家的沟通与联系,了解这些厂家的技术水平和掌握机型情况。最后,调整设计思路。在可行性研究和初步设计阶段,根据电站的基本参数,重点加强资料的收集,尤其是对相关厂家资料和收集、摸底,在此基础上,估算并确定水轮机的参数范围,同时初步确定候选的机型和生产厂家;在招标设计阶段,结合水轮机组的招标采购,配合业主对各方案进行详细的技术经济比较,最终确定机型。在小型水轮机设计选型中,应根据现有条件尽量选择参数优、经济性好的方案,但也要避免片面追求高参数的趋向。应重点跟踪、了解候选机型的实际运行情况,尤其是运行的稳定性。3根据实际情况选择合适的水基承载体小型水轮机在交界水头段的选择,与大型水轮机存在着一定的差异,在具体设计、选择时,应注意根据现场实际情况,通过详细、客观的技术经济比较后确定。3.1有中小型电站的检测设备及制造难点近年来,我国灯沟贯流式水轮机发展较快,许多实际工程的运用情况证明,在水头低于25m的情况下,灯泡贯流式水轮机同轴流转桨式水轮机相比,有非常明显的技术经济优势。甚至有的文献认为,在这一水头段,前者有逐步代后者的趋势。小型水电站采用灯泡贯流式水轮机,尚有几个问题值得重视:3.1.1有的小型电站位于深山峡谷,河道窄,洪峰流量大,厂房下游尾水位变幅很大,设计洪水位很高。在这种条件下,如采用卧轴布置的灯泡贯流式机组,则厂房下部开挖大,其防洪土建投资较高,厂房与进厂公路的衔接也较困难,在土建投资上不具有优势。3.1.2灯泡贯流式机组相对制造难度较大,国内一些中小设备厂家尚不完全具备设计、生产能力,也无好的转轮模型。如盲目选用,一旦一些有实力的厂家不参与竞标,将给机组的招标采购带来极大的困难,多数情况无法形成招标。在有些情况下,灯泡贯流式机组投资省、效率高的优势不但不能体现,反而还将在机组的供货和质量上存在诸多问题。3.1.3许多小型电站是引水式电站,灯泡贯流式机组GD2较小,调保要求往往难以满足。3.1.4灯泡贯流式机组结构形式与常规立轴机组有较大差异,运行、检修、管理也有诸多不同,是否采用,应征求业主单位的意见。3.2桨式水轮机比选轴流式水轮机分为转桨式和定桨式两种型式。在小型水电站,轴流定桨式水轮机运用较多。其主要优点是结构简单、造价低、不存在转轮漏油的问题。但由于结构限制,定桨式水轮机应用于小型水电站,问题也较多,主要是运行效率低,运行稳定性差。我区的低水头电站,多数为径流式电站,水头、流量的变化很大,这就使定桨式水轮机的运行受到很大影响,很多电站运行效益很差。例如:内地某新建电站,选用了定桨式水轮机,电站运行后,水轮机在空载和部分负荷工况均出现了严重的振动。由于效率低,实际流量超过了设计流量,水头损失加大,运行水头降低,在导叶全开的状态下,无法发出额定出力,使刚建成的电站面临难以解决的损失等问题。因此,在水轮机转轮直径大于2.0m时,应优先选用轴流转桨式水轮机。在低水头中、小电站中,采用混流式水轮机的也较普遍。混流式水轮机虽然机组选价较高,但空化性能好,Hs值较大,机组安装高程高,土建投资省。根据对一些已运行中小电站的跟踪调查,混流式水轮机的运行稳定性优于轴流定桨式水轮机,在高尾水位运行时,也不存在轴流式机组常出现的抬机现象。近年来,随着一些优秀的轴流式水轮机转轮模型的开发、引进,通过多个电站的比较要优势是加权平均运行效率高且运行稳定;负荷调节范围大,有利于减少装机台数;机组选价低20%～30%;出力裕度大,其出力主要受空化条件限制,在汛期下游尾水较高时,其出力远大于混流式水轮机。轴流转桨式水轮机的Hs值较小,土建工程量较大。为适当抬高机组安装高程,一般在选型时,通过适当加大转轮直径,使额定工况点附近取较小的额定单位流量和空化系数。这样即使水轮机造价高一点,但发电机的造价仍远低于混流式机组,同时节省土建投资,机组出力裕度也较大。综合比较,采用轴流式机组的工程总投资低于混流式机组。3.3抗磨蚀性能好80年代以前,受设计、制造、材料水平限制,我国高水头混流式水轮机运行并不成功。在此情况下,水斗式水轮机得到了非常普遍的运用。20世纪80年代末,随着鲁布革机组的成功运行以及90年代后合资厂水轮机技术的引进,我国近年在高水头混流式机组的设计、制造水平上取得了很大的进步。在国内已运行或订货的电站中,最大运行水头已接近或超过500m。由于采用了长、短叶片转轮、大轴颈导师叶、高刚度顶盖等一系列成熟、先进的技术,高水头混流式水轮机不但抗磨蚀性能有了较大提高,而且运行稳定性很好。尽管混流式水轮机与水斗式水轮机比较,具有机组造价低、效率高,水头利用充分的特点,但是否在小型高水头电站中使用,还应考虑以下几方面的问题:3.3.1混流式水轮机单位流量较大,单位转速高,当机组容量较小时,选型时常出现转速超出范围而需加大转轮直径,降低转速。但这样会增加机组造价,同时使部分负荷运行时的效率和稳定性较差。由于机组转速很高,通常达到1000r/min,甚至1500r/min,使机组的加工制造难度加大,运行中出现问题的可能性相对较大。3.3.2在高水头电站,混流水轮机Hs值一般为负值,机组安装高程低,土建开挖量较大,对一些地处深山峡谷,存在高边坡开挖和高尾水位的电站,土建投资较大。3.3.3小型高水头电站,一般均是引水式电站,由于小型机组的GD2均较小,因此,冲击式水轮机调节保证容易满足。而混流式水轮机一般很难满足要求。如通过增设调压井、调压阀,扩大洞(管)径,加大GD2的方法解决,则增加的工程投资可能超过在机组造价上节省的投资。4影响小型重机械选型的因素及对策在过去相当长一段时间,小型水电站在进行初步设计时,设计院即确定水轮机机型。工程开工后,业主根据已确定的机型进行招标采购,其实就是各厂家针对某一个机型进行价格竞争。20世纪90年代以来,随着我国技术引进和一些合资厂的建立,一些有实力的大厂和合资厂,陆续参与了一些小型水轮机组的设计、制造工作,这些厂家拥有一批先进的转轮模型,掌握了较先进的设计、制造技术。因此,在一些小型水轮机组的招标中,已不局限于价格竞争,而更多的是机组性能、生产能力和工艺方面的竞争,原有的在初设阶段即确定机型的办法已不能适应市场的需要,也不利于业主获得性价比最优的方案。技术的引进和进步,本应使小型水轮机的选型面临更多的选择,但在当前的形势下,仍有一些因素制约着小型水轮机的选型工作,制约在小型电站中选用较先进的机型。近年来,随着又一个水电建设高潮的到来,水轮发电机组制造市场异常火爆,甚至出现了供不应求的局面。在此情况下,一些有实力的合资厂商由于大型水电项目都忙不出来,因此很少参与小型水电项目的建设。而一些参与小型水电站项目的小型水轮机生产厂家,也同样由于生产饱和,虽然实际掌握的优秀转轮模型等技术很有限,但也没有时间和动力去引进并提高生产技术。这是目前在小型水轮机选型和采购中常常遇到的一种尴尬局面。在西藏,设备招标的条件已具备,如何将水轮机选型设计与机组的招标采购有机结合起来,尽可能获取较优的机型,更好地为业主服务,是值得研究的问题。近年来,我院参与了部分小型水电站项目的设计工作,对这方面的问题也进行了一些有益探索,取得较好的效果,主要有以下几方面经验。4.1在招标订货前,针对电站的具体情况,加强与有意向生产厂家的沟通,了解各厂家掌握的转轮模型、生产能力等各方面资料。同时,对同类电站已运行的一些较先进的机型情况也应了解。4.2在编制招标或订货技术文件时,应先大致明确水轮机的参数范围。但在文件中,不宜将水轮机参数限制太死,一般可采用2～3个转速方案供厂家选择,鼓励厂家多方案投标或多方考察。4.3对厂家的投标方式灵活掌握。鼓励厂家为获得先进机型而采取的技术转让或转轮整体分包加工方式。4.4加强与业主的配合和沟通,制定合理的评标办法。在投标时,为降低报价,厂家一般均倾向于推荐转速高,转轮直径小的方案。这种方案价格虽然较低,但一般Hs值小,土建投资大,运行经济性较差。因此,制定廉政标办法和评标时,应综合价格、效率、电量、土建投资、运行等各方面的因素考虑,选择最适合的方案。4.5在合同谈判和签订技术协议时,应严格落实各项条款,确保选定机型方案的顺利实施。虽然目前在小型水电站选用优秀机型存在一定困难,但通过各方面的努力,采取灵活的方式是可以实现的。5影响小型电站运行效能的因素小型水轮发电机组,在加工制造难度和影响力方面不能和大型机组相比,但却是关系到电站能