苏丹上阿特巴拉水电站调相压缩气系统计算

代佰亮

(哈尔滨电气国际工程有限公司，哈尔滨 150000)

苏丹上阿特巴拉水电站调相压缩气系统计算

代佰亮

(哈尔滨电气国际工程有限公司，哈尔滨 150000)

苏丹上阿特巴拉水电站要求机组具备调相运行功能，调相运行需要压缩空气将转轮室内水位下压，使得转轮暴露在水面以上转动。论述了该项目调相压缩气系统的计算过程，根据理想气体状态方程，结合经济适用性原则，计算和选定了储气罐的容积和空压机的排气量。实践证明,计算结果满足工程要求，降低了工程投资。

水轮机；调相运行；空压机

机组的调相运行模式是指机组从电网吸收有功，通过改变机组自身励磁电流的大小，进而向电网发出无功，用以提高电网功率因数或者调节电网电压的一种运行模式。对于混流式机组或轴流式机组，其尾水位高于蜗壳水位，因此,当它们作为调相机运行时，电网拖动机组转动，转轮会淹没在水中搅动，这时会消耗大量的有功，并且机组振动会比较大。为了避免这种情况，需要用压缩气体将转轮室和尾水锥管内一定高度的水压出，使整个转轮暴露在空气中转动[1]。

1 项目情况

苏丹上阿特巴拉水电项目(Upper Atbara Project)位于苏丹国境内上阿特巴拉河与塞提河交汇处上游约20 km处，距离苏丹首都喀土穆约600 km。业主咨询公司为德国拉美尔咨询公司(Lahmeyer)，机电包合同采用菲迪克(EPC)交钥匙条款。合同内容包含4台轴流转桨机组、13台单相变压器、220千伏GIS、其它辅机设备等的设计、供货、安装等。

苏丹上阿特巴拉项目标书要求提供单独的调相压缩气系统用来提供压水气源，系统包含空压机、储气罐、冷干机、控制器等一系列设备。

1.1 主机参数

机组型式 立式双调节轴流转桨机组

机组数量 4台

水轮机额定出力 80 MW

额定净水头 34.3 m

转轮直径 5.60 m

额定同步转速 136.36 r/min

发电机额定出力 93 MVA

发电机电压等级 13.8 kV

发电机功率因数 0.85

1.2 标书技术要求

标书要求4台机组最多同时有2台机组投入调相模式运行，调相运行时尾水位取值为海拔EL482.0 m。整个气系统的设计压力为4.0 MPa，包含4台水冷式空压机，6台储气罐及冷干机等其它辅助设备。系统又分为2个子系统：每2台空压机、3台储气罐组成1个子系统用于提供1台机的气源，两个子系统之间用总管相连。

标书对每个子系统的参数有如下规定：

1)3台气罐的总气量应能满足在不往气罐补气的情况下，实现连续两次对1台机进行压水操作并留有20%余量。

2)2台空压机总排量应能在2小时之内把3个储气罐从大气压经过不断充气加压到设计压力(4.0MPa)。

1.3 修改后的技术参数

详细设计阶段，发现标书的要求有过多余量，本着经济适用性原则，承包方积极进行优化设计。例如系统压力为4.0 MPa的情况下，计算得出的储气罐体积将很大，难以安装，由于储气罐的体积和系统压力成反比关系，因此有必要提高系统压力来减小储气罐体积。经综合考虑，并征得业主和咨询工程师批准，最终优化设计方案如下：

1)考虑到高于4.0 MPa的常用中压空压机出口压力为7.0 MPa，因此系统设计压力变更为7.0 MPa。

2)每3台储气罐组成1个子系统不变，由2台空压机供1个子系统用气，变更为首次充气时，4台空压机同时工作供1个子系统用气；平时运行空压机三主一备。

3)其它参数及要求不变

2 计算过程

如图1所示，调相命令开始后，调相供气管上的供气阀打开，高压气从储气罐压入锥管，压力平衡后，气体主要存在于储气罐内(设体积为Vg)、管路及连通腔内(设体积为V5)、导叶部分(设体积为V1)、转轮室部分(设体积为V2)、锥管部分(设体积为V3)，计算时取压水后尾水锥管内最低水位在转轮泄水锥以下1 m，则得锥管内最低水位为EL465.3m，设容纳这部分气体的总容积为Vd。总体的计算思路是：首先需要计算出Vd的值，然后计算椎管内空气压力Pz，这两个值代入理想气体状态方程，得出压水前气体总容积Vg，再根据标书要求换算出单个储气罐容积以及空压机排气量。

2.1 单个储气罐容积计算

根据前期详细设计图纸查得水轮机各部件尺寸见表1

图1 水轮机剖面图Fig.1 turbine cross-section

表1 水轮机尺寸Table 1 water turbine dimensions m

2.1.1 压水后尾水管内气体总容积Vd的计算

4)转轮室自身体积V4=10.83 m3(哈尔滨电机厂提供)

5)管路和其它连通腔V5=22.87 m3(哈尔滨电机厂提供)

那么Vd=V1+V2+V3-V4+V5+Vg= 220.7+Vg(m3)

2.1.2 尾水管内气压计算

现场大气压(根据GB/T 15613—2008)[2]：

Pabm= 101 325(1-2.2558·10-5·Z)5.255= 101 325(1-2.2558·10-5·482)5.255= 95 667.9 Pa

式中：Z为海拔高程，根据标书要求取值为EL482.0 m;Pabm为现场气压 Pa。

尾水位和锥管内水柱压差：

Ps=ρ·g·ΔH=997.0×9.784×(482.0-465.3) =162 902.6 Pa

式中：ΔH为尾水位和调相运行时锥管内最低水位高程差,m;ρ为25℃时水的体积质量,kg/m3;g为当地重力加速度,m/s2。

根据连通器原理，椎管内气压等于尾水大气压加上尾水和锥管水位高差的水压，那么尾水管内气压Pz=Pabm+Ps=95 667.9+162 962.6=258 570.5 Pa，考虑到实际调相时，机组处于小负荷运行状态，此时锥管上部会出现一定程度的负[3]，计算时可加50 000 Pa予以修正，最后取值为Pz=308 570.5 Pa

2.1.3 储气罐容积计算

根据理想气体状态方程[4]，压水前和压水后存在如下等式：

式中：P1为储气罐初始压力，70×105Pa;P2为调相时尾水管内压力，值为3.085×105Pa;Vg为压水前压缩气体总容积;Vd为压水后压缩气体总容积。

其中温度变化可以忽略不计，则T1=T2，代入前面的计算值,可求出Vg= 10.18 m3

又根据标书的要求：3台气罐的总气量应能满足在不往气罐补气的情况下，实现连续两次对1台机进行压水操作并留有20%余量。那么单个气罐的容积：

为保险起见，最终制造时单个储气罐容积选择为9 m3，共6个气罐，每3个气罐组成一组。

2.2 空压机排气量计算

整个调相供气系统设置4台空压机，只有首次充气，所有空压机同时运行，空压机总排量应满足：4台空压机同时生产应能在2 h之内把3个储气罐从大气压达到设计压力(7.0 MPa)。平时正常运行条件下，4台空压机3台工作，1台备用。那么每台空压机排气量Qk：

式中：PN为调相压水系统设计压力和大气压的比值,PN= 70;Qk为空压机总生产率,m3/min;ΔT为储气罐充气时间,ΔT =120 min;Vg为3个储气罐总容积，27 m3。

最后计算得Qk= 3.94 m3/min，实际选型时，还需考虑空压机的冷却方式、安装方式等因素，综合考虑选择了生产率为4.7 m3/min,功率75 kW的水冷式空压机。验证该选型时空压机首次充气时间：

说明首次充气时，4台空压机同时工作，100 min即可充满3个气罐，满足标书要求。

3 结 论

本文提供了一种计算调相压缩气系统中储气罐容积和空压机排气量的思路，并利用该计算来复核了业主标书中技术参数的合理性，发现标书中有不尽合理的地方，通过优化设计合理论证，说服业主接受了承包方的方案，从而降低了承包方的投资。

由于电厂中供给调速器动作的另外一套压缩气系统压力为6.3 MPa，承包方将调相压缩气系统压力由4.0 MPa修改为7.0 Mpa，为日后用调相气补充调速器中压系统用气提供了可能，这样能充分利用调相空压机的闲置生产力，而更细致的方案需要在今后结合电厂运行实践来完成。

[1] 代佰亮.越南宣光水电站调相排气的研究与实践[J].电站系统工程,2012,27(4):73-75.Dai Bailiang.Research of Exhausting during Condense Mode of Tuyen Quang Hydro Power Plant[J].Power System Engineering,2012,27(4):73-75.

[2] GB/T 15613-2008.水轮机、蓄能泵和水泵水轮机模型验收试验[S].

[3] 高宁，孙俊涛，张超.越南宣光水电站机组压水调相系统及其试验浅析[J].西北水电,2009,27(5):61-66.Gao Ning,Sun Juntao,Zhang Chao.Discussion on unit phase modulation pressuring water system and test of Tuyen Quang hydro electric project in Vietnam [J].Northwest Hydropower,2009,27(5):61-66.

[4] 华彤文，陈景祖.普通化学原理[M].北京大学出版社,2005.Hua Tongwen,Chen Jingzu.Principles of General Chemistry[M].Peking University Press,2005.

(编辑 陈银娥)

Calculation of phase-shifting air compression system in Sudan Upper Atbara hydro power plant

Dai Bailiang

(Harbin Electric International Company Limited,Harbin 150000,China)

The Sudan Upper Atbara hydro power plant requires the unit to be equipped with a phase-shifting operation.That operation requires compressed air to press the runner's internal water level down so that the runner is exposed above the water surface.In this paper,the calculation process of phase-shifting air compression system is discussed and the volume of the gas tank and the displacement of the air compressor are calculated and selected,according to the ideal gas state equation and the principle of economic suitability.Practice has proved that the calculation results meet the engineering requirements and reduce the investment of the project.

water turbine; phase-shifting operation; air compressor

2017-05-17。

代佰亮(1983—)，男，工程师，主要从事电站机务专业相关工作。

TK73

A

2095-6843(2017)04-0362-03