小型水電站水輪機選型的探討

1小型水輪機選型存在的問題隨著國家投資的增加，近年來該地區水電工程發展呈現出另一個高潮，各地區小型水電工程發展迅速。與大型水輪機相比,小型水輪機選型工作不易引起足夠的重視,且受市場環境影響較大。在已運行的機組中,因選型造成的問題也較多。在當前的形勢下,如何做好小型水電站水輪機的設計選型工作,尤其是在高原地區(大部分縣、鄉級電站為孤立運行電站),如何提高我區小型水輪機的應用技術水平,增加電站的運行效益,值得從事這項工作的設計人員認真研究、總結。2小型重機設計設計階段方案水輪機的選型工作,最重要的是合理確定水輪機的參數。小型水電站雖然容量不大,但其對于業主而言,其運行效益仍是至關重要的。而水輪機的性能參數是影響電站運行效益的重要因素。選擇、確定水輪機的參數,有以下兩種方法:一種是根據已有的水輪機型譜和模型資料選擇水輪機;另一種是以實踐經驗和資料為基礎,用比轉速作為重要依據,應用統計比較的方法選擇,確定水輪機參數。這兩種方法運用于小型水輪機選型時,均有一定的局限性。如按照已有的型譜和模型資料選擇水輪機,常會因為掌握的資料有限,無法選擇參數較優的機型;而根據預估算的參數選擇水輪機,則又會因為缺乏針對性,容易與小型設備生產廠家掌握的機型和生產制造技術、能力脫節。造成這種現象的原因,主要是小型水輪機的設計選型,受市場和廠家因素制約是很大。首先,小型電站投入少,建設周期短,生產廠家一般不會專為某個電站的需要而研發一個新的轉輪;其次,對于小型機組,一些掌握較多先進機型的大型設備廠家往往不感興趣,而一些主要從事小型機組制造工作的中小設備廠家因為掌握的先進機型較少,技術能力和制造水平也參差不齊。另外,一些從事設計工作的中小設計院,對水輪機的技術發展和優秀轉輪模型資料的掌握尚有欠缺,而小型電站設計投入少、時間緊,也導致在設計選型中,常出現按產品樣本,甚至委托廠家代為選型的情況,在西藏,這種現象更為普遍。針對以上情況,西藏自治區水利規劃勘測設計院在小型水輪機的設計選型上,摸索、總結了一些方法,以提高選型設計水平。具體方法如下:首先,小型水輪機的選擇,通常采用成熟技術和已運行過的機型,故設計人員平時應注意多收集區內各水頭段已運行的一些電站和機型資料,重點關注引進技術或新開發的一些機型資料和運行情況。其次,加強與中小水輪機生產廠家的溝通與聯系,了解這些廠家的技術水平和掌握機型情況。最后,調整設計思路。在可行性研究和初步設計階段,根據電站的基本參數,重點加強資料的收集,尤其是對相關廠家資料和收集、摸底,在此基礎上,估算并確定水輪機的參數范圍,同時初步確定候選的機型和生產廠家;在招標設計階段,結合水輪機組的招標采購,配合業主對各方案進行詳細的技術經濟比較,最終確定機型。在小型水輪機設計選型中,應根據現有條件盡量選擇參數優、經濟性好的方案,但也要避免片面追求高參數的趨向。應重點跟蹤、了解候選機型的實際運行情況,尤其是運行的穩定性。3根據實際情況選擇合適的水基承載體小型水輪機在交界水頭段的選擇,與大型水輪機存在著一定的差異,在具體設計、選擇時,應注意根據現場實際情況,通過詳細、客觀的技術經濟比較后確定。3.1有中小型電站的檢測設備及制造難點近年來,我國燈溝貫流式水輪機發展較快,許多實際工程的運用情況證明,在水頭低于25m的情況下,燈泡貫流式水輪機同軸流轉槳式水輪機相比,有非常明顯的技術經濟優勢。甚至有的文獻認為,在這一水頭段,前者有逐步代后者的趨勢。小型水電站采用燈泡貫流式水輪機,尚有幾個問題值得重視:3.1.1有的小型電站位于深山峽谷,河道窄,洪峰流量大,廠房下游尾水位變幅很大,設計洪水位很高。在這種條件下,如采用臥軸布置的燈泡貫流式機組,則廠房下部開挖大,其防洪土建投資較高,廠房與進廠公路的銜接也較困難,在土建投資上不具有優勢。3.1.2燈泡貫流式機組相對制造難度較大,國內一些中小設備廠家尚不完全具備設計、生產能力,也無好的轉輪模型。如盲目選用,一旦一些有實力的廠家不參與競標,將給機組的招標采購帶來極大的困難,多數情況無法形成招標。在有些情況下,燈泡貫流式機組投資省、效率高的優勢不但不能體現,反而還將在機組的供貨和質量上存在諸多問題。3.1.3許多小型電站是引水式電站,燈泡貫流式機組GD2較小,調保要求往往難以滿足。3.1.4燈泡貫流式機組結構形式與常規立軸機組有較大差異,運行、檢修、管理也有諸多不同,是否采用,應征求業主單位的意見。3.2槳式水輪機比選軸流式水輪機分為轉槳式和定槳式兩種型式。在小型水電站,軸流定槳式水輪機運用較多。其主要優點是結構簡單、造價低、不存在轉輪漏油的問題。但由于結構限制,定槳式水輪機應用于小型水電站,問題也較多,主要是運行效率低,運行穩定性差。我區的低水頭電站,多數為徑流式電站,水頭、流量的變化很大,這就使定槳式水輪機的運行受到很大影響,很多電站運行效益很差。例如:內地某新建電站,選用了定槳式水輪機,電站運行后,水輪機在空載和部分負荷工況均出現了嚴重的振動。由于效率低,實際流量超過了設計流量,水頭損失加大,運行水頭降低,在導葉全開的狀態下,無法發出額定出力,使剛建成的電站面臨難以解決的損失等問題。因此,在水輪機轉輪直徑大于2.0m時,應優先選用軸流轉槳式水輪機。在低水頭中、小電站中,采用混流式水輪機的也較普遍。混流式水輪機雖然機組選價較高,但空化性能好,Hs值較大,機組安裝高程高,土建投資省。根據對一些已運行中小電站的跟蹤調查,混流式水輪機的運行穩定性優于軸流定槳式水輪機,在高尾水位運行時,也不存在軸流式機組常出現的抬機現象。近年來,隨著一些優秀的軸流式水輪機轉輪模型的開發、引進,通過多個電站的比較要優勢是加權平均運行效率高且運行穩定;負荷調節范圍大,有利于減少裝機臺數;機組選價低20%～30%;出力裕度大,其出力主要受空化條件限制,在汛期下游尾水較高時,其出力遠大于混流式水輪機。軸流轉槳式水輪機的Hs值較小,土建工程量較大。為適當抬高機組安裝高程,一般在選型時,通過適當加大轉輪直徑,使額定工況點附近取較小的額定單位流量和空化系數。這樣即使水輪機造價高一點,但發電機的造價仍遠低于混流式機組,同時節省土建投資,機組出力裕度也較大。綜合比較,采用軸流式機組的工程總投資低于混流式機組。3.3抗磨蝕性能好80年代以前,受設計、制造、材料水平限制,我國高水頭混流式水輪機運行并不成功。在此情況下,水斗式水輪機得到了非常普遍的運用。20世紀80年代末,隨著魯布革機組的成功運行以及90年代后合資廠水輪機技術的引進,我國近年在高水頭混流式機組的設計、制造水平上取得了很大的進步。在國內已運行或訂貨的電站中,最大運行水頭已接近或超過500m。由于采用了長、短葉片轉輪、大軸頸導師葉、高剛度頂蓋等一系列成熟、先進的技術,高水頭混流式水輪機不但抗磨蝕性能有了較大提高,而且運行穩定性很好。盡管混流式水輪機與水斗式水輪機比較,具有機組造價低、效率高,水頭利用充分的特點,但是否在小型高水頭電站中使用,還應考慮以下幾方面的問題:3.3.1混流式水輪機單位流量較大,單位轉速高,當機組容量較小時,選型時常出現轉速超出范圍而需加大轉輪直徑,降低轉速。但這樣會增加機組造價,同時使部分負荷運行時的效率和穩定性較差。由于機組轉速很高,通常達到1000r/min,甚至1500r/min,使機組的加工制造難度加大,運行中出現問題的可能性相對較大。3.3.2在高水頭電站,混流水輪機Hs值一般為負值,機組安裝高程低,土建開挖量較大,對一些地處深山峽谷,存在高邊坡開挖和高尾水位的電站,土建投資較大。3.3.3小型高水頭電站,一般均是引水式電站,由于小型機組的GD2均較小,因此,沖擊式水輪機調節保證容易滿足。而混流式水輪機一般很難滿足要求。如通過增設調壓井、調壓閥,擴大洞(管)徑,加大GD2的方法解決,則增加的工程投資可能超過在機組造價上節省的投資。4影響小型重機械選型的因素及對策在過去相當長一段時間,小型水電站在進行初步設計時,設計院即確定水輪機機型。工程開工后,業主根據已確定的機型進行招標采購,其實就是各廠家針對某一個機型進行價格競爭。20世紀90年代以來,隨著我國技術引進和一些合資廠的建立,一些有實力的大廠和合資廠,陸續參與了一些小型水輪機組的設計、制造工作,這些廠家擁有一批先進的轉輪模型,掌握了較先進的設計、制造技術。因此,在一些小型水輪機組的招標中,已不局限于價格競爭,而更多的是機組性能、生產能力和工藝方面的競爭,原有的在初設階段即確定機型的辦法已不能適應市場的需要,也不利于業主獲得性價比最優的方案。技術的引進和進步,本應使小型水輪機的選型面臨更多的選擇,但在當前的形勢下,仍有一些因素制約著小型水輪機的選型工作,制約在小型電站中選用較先進的機型。近年來,隨著又一個水電建設高潮的到來,水輪發電機組制造市場異常火爆,甚至出現了供不應求的局面。在此情況下,一些有實力的合資廠商由于大型水電項目都忙不出來,因此很少參與小型水電項目的建設。而一些參與小型水電站項目的小型水輪機生產廠家,也同樣由于生產飽和,雖然實際掌握的優秀轉輪模型等技術很有限,但也沒有時間和動力去引進并提高生產技術。這是目前在小型水輪機選型和采購中常常遇到的一種尷尬局面。在西藏,設備招標的條件已具備,如何將水輪機選型設計與機組的招標采購有機結合起來,盡可能獲取較優的機型,更好地為業主服務,是值得研究的問題。近年來,我院參與了部分小型水電站項目的設計工作,對這方面的問題也進行了一些有益探索,取得較好的效果,主要有以下幾方面經驗。4.1在招標訂貨前,針對電站的具體情況,加強與有意向生產廠家的溝通,了解各廠家掌握的轉輪模型、生產能力等各方面資料。同時,對同類電站已運行的一些較先進的機型情況也應了解。4.2在編制招標或訂貨技術文件時,應先大致明確水輪機的參數范圍。但在文件中,不宜將水輪機參數限制太死,一般可采用2～3個轉速方案供廠家選擇,鼓勵廠家多方案投標或多方考察。4.3對廠家的投標方式靈活掌握。鼓勵廠家為獲得先進機型而采取的技術轉讓或轉輪整體分包加工方式。4.4加強與業主的配合和溝通,制定合理的評標辦法。在投標時,為降低報價,廠家一般均傾向于推薦轉速高,轉輪直徑小的方案。這種方案價格雖然較低,但一般Hs值小,土建投資大,運行經濟性較差。因此,制定廉政標辦法和評標時,應綜合價格、效率、電量、土建投資、運行等各方面的因素考慮,選擇最適合的方案。4.5在合同談判和簽訂技術協議時,應嚴格落實各項條款,確保選定機型方案的順利實施。雖然目前在小型水電站選用優秀機型存在一定困難,但通過各方面的努力,采取靈活的方式是可以實現的。5影響小型電站運行效能的因素小型水輪發電機組,在加工制造難度和影響力方面不能和大型機組相比,但卻是關系到電站能