下湘水电站轴流式水轮发电机组选型方案

下湘水电站轴流式水轮发电机组选型方案

1厂内水库系统改造下湘水库于1973年重建，水库原始泵站于1968年竣工。电站坝址集雨面积3035km2,多年平均来水量为67.2m3/s,坝前正常高水位为181.0m,电站装机5×125kW,年均发电量约270万kW,没有充分利用水资源。由于年久失修,电站挡水坝破损严重,多处漏水,造成水资源浪费。厂内设备已严重老化,且超过更新期,效率及利用率很低。1994年12月设计院编报的《环江毛南族自治县下湘水电站技改扩建初步设计报告》,拟拆除原电站小坝,加高重建,改建后水库正常水位为193.00m,总库容3620万m3,总装机9.6MW。由于上游社村水库未建,调节性能差,故按一期装2×3200kW,设计年发电量2888.3万kW·h,装机年利用4513h。二期装1×3200kW开发。2项目背景和设备选型方案下湘电站为河床式水电站,最大水头15.12m,最小水头4.58m,加权平均水头13.4m,总装机9.6MW,单机容量小,水头变幅大,水头低,引用流量小。在这一水头、流量和机组容量段,适于选用轴流式水轮发电机组。为充分利用水力资源,宜选用转轮直径较小、流道小、且效率高、高效率区运行范围广的水轮机。但在国内已生产的设备序列型号中,没有技术参数适合的效率高和高效率区范围较宽的轴流转桨机组可选用。因此,本项目设计时,面临要么需放弃高效率和理想的稳定和高出力工况,要么只能要求厂家提高技术水平和加工工艺,生产小型号转轮的新机组。初步设计阶段,进行了装机3×2500kW和3×3200kW的容量规模及轴流定桨ZD560和轴流转桨ZZ560a水轮发电机组型号的方案比选。由于转桨式水轮机转轮结构复杂,转轮直径越小,就要求置于转轮主轴空腔内承担转动桨叶巨大扭力的操纵机构越精密和体形尺寸小型化,各种器件制造加工精度要求也越高。当时国内生产过的转桨式水轮机转轮直径最小仅为2.5m,制造更小直径转轮的转桨式水轮机缺少成熟技术。鉴于有关专家对国内是否具备生产这种小型转轮转桨操纵机构的能力亦持有怀疑,并建议尽量在已生产过的设备型谱中,改选转轮直径较大的机组,虽设备参数与本电站特征技术参数不甚吻合,运行工况和设备出力会有一些偏差,但不致冒失败的风险。经向国内多家水轮机生产厂家咨询和征求意见,厂家均承诺有设计制造最小直径为2.25m转轮的能力(需要40万元的设备设计开发费用)。故在初步设计阶段选择的机型为ZZ560a-LH-225型水轮机,转轮直径为2.25m,配SF3200-24/3250型发电机。1995年4月,广西区水电厅以桂水电技字第19号文批复,同意下湘水电站技改扩建。项目筹建阶段,考虑到下湘水电站机组的特殊性,设计院进一步对水轮机的选型作分析论证,充分了解了水轮机型谱提供的机型,并对多个水轮机生产厂家提供的机型及设备技术参数进行综合比较。为落实设备生产厂家,保证该工程水轮发电机组选型和生产制造取得成功,经研究后,1995年6月设计院与电站指挥部、应邀专家共同对可能具备该机组生产能力的部分厂家,进行了技术力量和生产能力及厂家对本项目机组选型意见方面的考察,在对考察结果评估后,向建设单位提出了推荐选择杭州发电设备厂作为下湘水电站技改扩建工程设备生产厂家的书面意见,并与杭州发电设备厂商签了ZZ560a-LH-225配SF3200-24/3250水轮发电机组的技术协议。技施设计阶段,在机组定货期,杭州发电设备厂已与挪威克瓦纳公司组建了克瓦纳(杭州)发电设备有限公司,引进了挪威克瓦纳公司的K305711转轮和挪威发电设备生产技术。克瓦纳公司具有优久的水电设备设计制造历史,拥有雄厚的水电设备设计能力,对K305711转轮拥有成功的设计制造经验,该转轮模型水轮机最高效率可达93%。作为对选用新型号水轮机的支持,和凭借自身拥有的雄厚技术实力,克瓦纳(杭州)发电设备有限公司免收了新机型设备设计费用,为工程节省投资40万元。机组主要参数见表1,其中列出了下湘水电站技改扩建工程设计中所选的几种机型技术参数,以作分析比较选择。从表1的资料可看出,与相同单机容量的轴流式水轮发电机组比较,在相同出力情况,克瓦纳公司的K305711转轮直径小,引用流量少,效率高(额定效率比ZD560型机组高5.5%,比ZZ560型机组高3.4%),比国内常用的ZZ560转轮具有更优良的性能。由于有先进技术支持,下湘水电站扩建指挥部、设计院与克瓦纳(杭州)发电设备有限公司经充分协商后,最终确定在下湘水电站项目采用ZZ(K305711)-LH-215配SF3200-J24/3250水轮发电机组。1998年2月下湘水电站技改扩建一期工程开工建设,同期机组设备订货合同签订。1998年4月厂家提交了该水轮发电机组初步设计图纸,同时设计院与建设单位和厂家对机组设计图进行了会审。1998年6月设备投入制造,2000年9月一期工程的两台机组开始安装,2000年12月设备安装完成并进行投产试运行;2003年1月二期工程建设,2003年7月第三台设备安装完成投入运行,整个工程完建。4工程建设效益自2000年12月一期工程投入运行以来,机组设备运行稳定,运行工况良好,没有出现明显的空蚀和振动现象,整机和水轮机桨叶调节机构操作稳定灵活,机械故障少,设备维护保养检修方便,没有出现一般机组常见的漏油情况。机组能在各水头工况下稳定运行,额定工况下出力达到3200kW;在高水头工况下可超出力运行,最大出力达3700kW,各运行参数均达到设计要求指标。从2001年至2004年,虽遇连续枯水年份(2003年为秋冬春旱,2004年秋冬旱,部分地方属50年一遇大旱),累计发电量仍达9730kW·h,发电收入3405.5万元,利税919.5万元,年均创造社会效益62105万元。一期工程从2001年至2003年电站累计发电量为7000万kW·h,年均发电量2333.3万kW·h,比未扩建时增加年发电量约2063.33万kW·h,增加发电收入722.2万元。完建后的2004年发电量为2730万kW·h,比未扩建工程增加发电量2460万kW·h,增幅为911%,增加发电收入766.5万元。电站出力基本达到设计指标。5国内高精度水轮机生产及转桨操纵机构精密化、模块化技术当前国内中、高水头,以及较大些装机规模的中、小型水电站几乎已经开发完毕,仅剩下一些水头较低,装机较小的小型项目可以开发。ZZ(K305711)-LH-215水轮机的成功生产制造和在下湘水电站安全稳定运行,填补了国内小直径转桨式转轮(直径2.15m)的技术