浅析上庙水电站水力机械设计要点

杨平

（韶关市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 韶关512000）

随着社会经济的发展速度不断提高，我国水电项目获得了发展契机，小型水电站的水力机械设计过程的不同将导致水资源开发与投资产生不同的影响。许多小型水电站均在针对水力机械的实际应用功能进行优化，以降低运行中出现故障的几率以及提高电站的运行效率[1]。水电站的机械设备选型对水电站以后的工作情况有着直接影响，因此在前期设计时，必须要充分结合现场条件，遵循经济实用和可持续性原则。目前，我国在水利工程以及水力机械设计领域中仍存在许多待解决的问题以及一定的提升空间，一般可以根据水电站的实际水文情况和地理条件设计出性能优良且能良好运行的方案。水电站中的水力机械部分主要包括以下几部分:水轮机发电机组部分、油、汽、水辅助系统部分、电气部分，本文分别就这几部分进行分析和探讨[2]。

1 上庙水电站工程概况

上庙水电站工程位于广东省韶关市东南部的翁源县，位于北江支流的上游地带，是一座主要以灌溉、供水以及发电调度为目的的综合性水利工程。该水电站项目的机电专业设计由韶关市水利水电勘测设计咨询有限公司完成。根据工程布置，上庙水库坝址上有梯级坝后式电站2 座，属于多年调节的引水式厂房。

1.1 电站气候条件：上庙水电站所在的上庙水库处于北回归线以北，属于中亚热带季风区，夏季气温高且多雨，秋季凉爽干燥。年平均气温大约在20.3℃，最高气温为39.2℃，最低气温-5.1℃，多年平均最高气温为33.3℃，多年平均最低气温为6℃。年平均日照1856.5 小时，无霜期303 天。多年平均降雨量1869.69mm，最大年降雨量3042mm（1975 年，日历年），最小年降雨量1024.1mm（1991 年，日历年），最大日降雨量为225mm（1964 年6 月10 日）。

1.2 水库水位：上庙水库无实测水位流量资料，本阶段采用曼宁公式计算。在坝址位置及电站厂房处各实测一横断面；经分析该段河道比降采用综合比降J＝21‰；河道糙率根据河道情况选取n＝0.04。根据以上参数采用曼宁公式计算坝址的水位流量关系，计算结果见表1 及表2。

表1 上庙水库坝址水位流量关系成果表（1956 黄海高程）

表2 上庙水库厂房处河道水位流量关系成果表（1956 黄海高程）

2 电站基本参数及水轮机型号

根据目前国内水轮机研制单位研制的新转轮技术资料及生产厂家的生产情况，并结合该水电站项目水能利用原则，对该站机电设备进行技术选型，选定适合该站水头范围的水轮机为混流式。因此适合本站水头段的机组为卧式混流式水轮发电机组，该水头段合适的机型有：HLA194-WJ-42 和HLS2055-WJ-42等。其模型技术参数通过对转轮直径和效率等的比较，以及厂家提供的资料进行核实该水电站工程选用混流式机组。上庙水库电站为坝后式电站，采用坝后式地面厂房。根据水文水能计算结果，电站基本参数：大坝正常蓄水位268m、设计水头40m、最大水头48.5m、最小水头28m、电站设计流量1.5m3/s、装机容量2×250kW。

通过计算，并且在模型转轮综合特性曲线上，绘制出水轮机各种水头的特征工况点可看出，HLS2055-WJ-42 机型设计水头额定工况效率更高运行余量更大，其它性能指标HLS2055-WJ-42 机型也明显优于HLA194-WJ-42，该机型的工作范围基本上在各特征水头工况下都能处于特性曲线的高效率区，可以对该机型选择的正确性作出肯定。通过以上分析，初步选定的水轮发电机组的具体型号为：HLS2055-WJ-42 混流式水轮机与SFW250-6/740 发电机配套，作为该站主机。其主要技术参数如下：

（1）水轮机：型号HLS2055-WJ-42、转轮直径0.42m、额定水头40m、额定流量0.8m3/S、额定转速1000r/min、额定点效率88%、额定出力278 kW。

（2）发电机：型号SFW250-6/740、额定功率250kW、额定容量313kVA、额定电压400V、额定电流451.1A、额定转速1000r/min、额定效率92.5%、频率50Hz、功率因数0.8。

3 水力机械设计特点

根据机组安装尺寸并结合厂区地形，满足机组间通道要求，厂房内装有2 台水轮发电机组，安装高程220.75m，中间机组段长度亦即机组间距为6.0m；调速器布置水轮机旁靠下游侧。为满足厂房单套水轮发电机组大检修要求，主厂房总长为18.4m,总宽为7.5m，厂房总高度为7.1m，主厂房内设中控室，中控室前设安装场。

表3 水力机械主要设备清单

4 辅助水力机械设备系统的设计

上庙水库电站为坝后式水电站，压力管为两机一管，进水管为Q235 材质，进口设置闸门。一般情况下，机组正常开停机和事故停机均由调速器控制。

4.1 调速器：根据以下公式计算调速功：

式中：K=25、Q=0.753m3/s、Hmax=48.5m、D1=0.42m，计算的A=84.96 （kg.m） 因 而 可 选 用 调 速 功 为 300 kg·m 的GYWT-300-16 的高油压全数字式可编程组合式调速器，它具有高油压氮气气囊式油压装置，可免去高压气系统，减少部分油压装置自动化元件，减少故障率。

4.2 起重设备：根据相关资料显示，厂内单件最重件为发电机，重约3.5t。上述厂房布置图，主厂房长度为18.4m，宽度为7.5m，两台水轮机组间距6.0m，吊运范围需满足厂房内主要设备的基本要求。包括发电机、水轮机、调速器等自安装场直接起吊后就位。起重机吊钩最低吊件为水轮机主阀，长约3.6m，加上厂房地面层吊运高度0.6m，共计4.2m。综上比较，本站选用工作制度为5t 级电动单梁桥式起重机一台，起重量5t，跨度7.5m，起吊高度4.2m。

4.3 油系统：由于该站装机容量较小，用油量少，轴承无需外接压力油，采用人工添加油料，故不设置油系统。

4.4 高压气系统：高压气系统主要用于为调速器的压油槽补气。本站调速器由于采用高油压氮气气囊式油压装置，无需设置外部气源，自成系统，不需另设高压气系统。由于本项目装机容量小，机组设备少，运行期无需低压气源，不需设置低压气系统。

4.5 水力测量系统：为保证电站安全经济运行，本站要进行上、下游水位及水轮机蜗壳水压力、尾水管真空压力测量。上、下游水位测量，采用UYF-2 型浮子遥测液位发生器2 个，及XBZ-2 型浮子遥测液位受讯器两个来测量。顶盖真空压力、尾水管真空压力测量，表计Z-150T 由厂家提供。

4.6 技术供水系统及消防供水系统：技术供水主要用于推力和导轴承冷却器、以及厂区生产、生活用水等。根据本站水头范围，每台机压力管都设置两取水口，一个可直接连接消防栓，以满足发电机和厂房消火用水需要；另外一取水口用于技术供水，从进水口取水后经过滤水器过滤后直接汇集于Φ100 供水钢管，由Φ50 供水支管分别输送给各用水对象。水压力为0.015Mpa～0.02 Mpa。

4.7 排水系统：包括机组检修排水，厂房渗漏、厂区生产、生活用水排水，机组主轴密封排水和厂区排水。该电站装机台数少，容量不大，根据运行经验，本电站所有排水直接排至尾水流道，不设集水井，无排水设备。厂区排水：在洪水期及非洪水期，厂房的渗漏排水、检修排水、地面排水均可通过地面排水沟实现自流排水排入尾水流道。厂房防洪：发电机地面高程为220.0m,尾水设计洪水位219.5m,故无需设置防洪墙。

5 结论

上庙水电站在水力机械设备、通风、排水、消防等系统的设计有着自身特有的优势。在水力机械设备的设计以及选择方面需根本实际情况而定，合理的选择水力机械设备不仅能够保障电站的日常运转，又能在很大程度上提高水电站的商业效益[3]。水电机械设备的设计与优化是水电工程中两项重要的技术应用，应作为重点研究对象进行优化以及继续改进，使水利水电工程技术能够更安全高效。