南科三级水电站水力机械设备设计选择

李天文

1 电站及机组概况

越南南科三级水电站工程位于越南社会主义共和国老街省文斑县南斜社,距城区约70 km,距中越边境云南河口口岸约120 km。电站是以发电为主的水力发电工程,形式为引水式。本电站大坝、引水系统及压力钢管、厂房等部分工程的设计和施工由越南河内建筑大学建筑设计院负责完成;机电设备采用总承包(含设计和安装)方式进行国际招标,通过国际招标,由南宁发电设备总厂中标。南宁发电设备总厂委托广西河池水利电力勘测设计研究院进行电站机电部分的设计工作,设计工作目前已完成,设备正在安装。厂内机电设备和开关站设备由南宁发电设备总厂负责完成。主厂房内安装2台立轴冲击式水轮发电机组,容量为2×9 000 kW,厂房为地面式厂房,进厂公路直接通至主厂房安装间,设备由厂内的桥式起重机进行吊运安装。本电站于2007年11月动工,第一台机组计划于2010年4月发电。本电站水头较高,设计推荐采用立轴冲击式水轮发电机组,水轮机型号为CJA475-L-130/4×11.5,发电机型号为SF9000-10/2600。

2 水轮机机型及其参数选择

2.1 水轮机机型的选择

南科三级水电站为引水式电站,从电站水头看,可选用混流式和冲击式机组,经综合比较分析,从性能上,混流式最高效率比冲击式高,但额定点效率较低,说明机组不在高效区运行。从设备费用上看,虽然混流式转轮直径小,机组转速高,表面上可以降低机组成本,但发电机出力为 9 000 kW,机组转速高达600 r/min,必定会增加发电机的成本。混流式水轮机的价格是低一些,但水轮机吸出高度约为-3.5 m,会增加电站厂房的开挖量,导致整个工程造价增加。

对于冲击式水轮机,虽然最高效率比混流式低些,但额定效率却比混流式高,且冲击式效率曲线很平缓,经常处于高效区运行。冲击式机组价格相对较低,安装高程的确定不影响厂房开挖量,可减少土建投资,降低电站成本。另外,目前主机设备厂家在转轮加工上采用了新的材质和新的加工工艺,增加了转轮的强度,且在中国国内高水头冲击式电站较多,具有良好的运行经验,可靠性高。因此,本设计推荐采用冲击式机组进行设计。

2.2 水轮机主要结构特点

1)转轮。水轮机采用CJA475转轮配550/850喷嘴,水斗数18个,材料采用ZG00Cr16Ni5Mo钢,该转轮的优点是效率高,运行平稳,噪声小。转轮和喷嘴采用超汽蚀设计,强度高,抗腐蚀性良好。2)主轴。采用20SiMn钢锻造而成,两端法兰处装有法兰罩,以便于发电机和转轮连接。3)改进直流喷嘴减少了反馈杆的推力,简化其结构,使其控制管路布置简单。喷针杆等与水接触的零件采用不锈钢材料制作,提高表面光洁度,保证密封件长期可靠运行。4)配水管。配水管的岔管采用低流阻球岔(流阻系数0.035),以提高水轮机效率。5)水导轴承。水轮机导轴承采用稀油润滑筒式结构形式,它有良好的油循环和冷却系统,并能自动反映油位和轴承运行温度采用透平油润滑,采用水冷却,润滑油为L-TSA46号汽轮机油,用油量为 230 L,冷却用水量为20 m3/h,工作水压0.15 MPa～0.20 M Pa。

3 水轮机安装高程的确定

水轮机安装高程与尾水的排出高度有关,下游最低水位为512.00 m。经计算分析,最终确定水轮机的安装高程为518.00 m。

4 水轮发电机

采用与水轮机配套的常规水轮发电机,为立轴悬伞式结构,与水轮机采用法兰直连,采用密闭通风方式,空气冷却器冷却,冷却水量为98 m3/h。发电机采用环管喷雾方式灭火,灭火用水量9 L/s。发电机采用气压制动方式,工作压力为 0.5 MPa～0.7 MPa,制动时间2 min,制动用气量 2 L/s。

5 水轮机附属设备

1)调速器。采用可编程微机调速器,型号为CJWT-PLC-4/1-6.3,额定工作油压为6.3 MPa,调速器自带压力油源,油箱有效容积330 L。操作油选用L-TSA46号汽轮机油。2)进水阀门。采用自闭式液控球阀,型号为QF500-WY-750,直径为750 mm,额定工作油压为4.0 MPa。开阀时间在 30 s～120 s可调,快速关阀时间在5 s～30 s可调,慢速关阀时间在 10 s～120 s可调。每个进水球阀单独设有油压装置,型号为DK-40-16,额定工作油压为4.0 MPa。

6 调节保证计算

本电站压力输水管系统采用联合供水方式。根据电站电气主接线方式,两台机组存在同时甩全负荷的可能。经计算,得出调保计算成果如下:1)水轮机额定流量Q=2.9 m3/(s·台)。2)压力钢管段总水力损失:∑h=27.5 m。3)发电机飞轮力矩:GD2=150 t·m2。4)流道:∑LV=6 019 m2/s。5)喷针开关时间:T1=30 s。6)折向器关闭时间:T2=3 s。7)最大压力上升值:ξ=6.8%。8)最大速率上升值:β=18.5%。

机组的压力上升值、转速上升值均满足SDJ 173-85水力发电厂机电设计技术规范要求。

7 水力机械辅助设备

7.1 厂内桥式起重机

选用1台起重量为40/10 t电动双梁双钩桥式起重机,跨度10.5 m,主钩起升高度16 m,提升速度7.5 m/min,副钩起升高度18 m,提升速度19.5 m/min,工作级别为M5。

7.2 油系统

本电站仅设透平油系统。选用透平油牌号为GB 11120-89标准46号L-TAS汽轮机油。蓄油设备:一台机组最大用油量为1.53 m3,调速器用油量 330 L和进水蝶用油量100 L、进水球阀油压装置用油量135 L及管路存油量,并按1.1倍最大用油量确定油罐容积:选用1个3 m3净油罐,1个3 m3运行油罐,1个3 m3污油罐,即可满足。滤油设备:按用油量,选择1台CJZQ-2型透平油专用滤油机,Q=2.0 m3/h;1台LY-50型压力滤油机,Q=3.0 m3/h,配2个DX-1.0滤纸烘箱;2台KCB-33型齿轮油泵,Q=2.0 m3/h,2台WCB-30型移动式齿轮,Q=1.5 m3/h等设备,作为向设备添、排油和油处理用。油化验设备:由业主根据越南电站的运行需要自行配置(在合同谈判时已明确)。

7.3 气系统

本电站仅设低压压缩空气系统。低压压缩空气系统主要用于机组的正常制动用气,吹扫和风动工具用气,工作压力为0.7 MPa。选用1个1.5 m3储气罐和2台 UP5-7-10型低压空压机,Q=0.96 m3/min,N=7.5 kW,P=1.0 MPa,互为备用,即可满足系统供气需求。

7.4 水系统

1)技术供、排水系统。本电站设计水头为356.50 m,选择采用水泵供水作为技术供水方式,每台机设一个单独的供水系统,设2台水泵,一个滤水器。供水泵从512.50 m高程的技术供水池取水。每个供水系统选用1台ZLSH-200型全自动滤水器,过流量为340 m3/h,过滤精度 2.0 mm,工作压力不大于1.0 MPa,压力损失0.01 MPa～0.03 MPa,自动反冲洗时间5 min,对水源进行过滤。

2)厂内排水系统。a.机组检修排水。本电站为引水式电站,冲击式机组,无需设置检修排水系统。b.厂内渗漏排水。厂内渗漏排水主要包括厂房水下部分水工结构渗漏水,压力钢管伸缩节漏水、阀门漏水、厂内其他部位漏水等排水。在厂内512.50 m高程设置一渗漏集水井,集水井的有效容积为18.5 m3。选用2台80WQ/C470-3.0型移动式潜水排污泵进行排水,流量为65 m3/h,扬程为10 m,功率为3 kW,互为备用。2台水泵能自动切换,排水泵的启停由集水井中的液位信号器发出的信号自动控制。

7.5 水力监测系统

1)全厂性量测项目。a.进水口水位,采用XPT135型静压式液位变送器进行测量,量程:17.2 m,4 mA～20 mA输出,电压DC24 V。b.中间压力前池水位,采用 XPT135型静压式液位变送器进行测量,量程:16.4 m,4 mA～20 mA输出,电压DC24 V。c.尾水位,采用XPT135型静压式液位变送器进行测量,量程:3.0 m,4 mA～20 mA输出,电压 DC24 V。另外,电站工作人员可自行设置测水尺,供人工目测观察。d.过流量,采用FC-80FS型超声波流量计测量,测量周期500 m/s(每秒 2次),精度1%,4 mA～20 mA输出,电压DC24 V,通讯接口RS485。e.水池水位,各个需要测量水位的水池均采用WKD型液位变送器测量,4 mA～20 mA输出,电压DC24 V。

2)机组段量测项目。a.进水球阀前后采用压力表及压力变送器测量。b.冷却总管水温采用WZP,Pt100型温度传感器进行测量。c.冷却总管水压采用ZYB型压力变送器进行测量。

8 结语

本电站设计充分考虑了国内的设计经验和越南业主的实际需求,对厂内设备进行了合理的选择和布置,做到安全可靠、简单、节省、高效要求。在与越南设计院的合作中,双方能够开诚布公,真诚协作,充分谅解,使双方的设计工作得以顺利开展,及时出版施工图纸,保证电站施工进度。

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