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40%
方解石:
30%
石英:
10%
钾长石:
3%
黑云母:
辉石:
2%
褐铁矿:
角闪石:
1%
白云母:
泥沙成分数据为2011年9月(非汛期)取样的检测成果。
河水水质
PH值6.6~8.4
总硬度8.2~9.5德国度
地震烈度
基本地震烈度Ⅷ度
设防地震烈度Ⅷ度
7.1.3机组机型选择
克屯那木水电站水头为392.04~450.40m,在该水头段可供选择的水轮机型式有混流式与水斗式两种。
水斗式水轮机国内应用状况简析
水斗式水轮机的最高效率低于混流式水轮机,但其最高效率区广,在25~100%额定负荷的出力范围内均具有较高效率,调节能力优于混流式水轮机,其结构较混流式水轮机简单,检修更换部件方便,检修周期短。
但由于排出高度的要求,水斗式水轮机转轮需装设在最高尾水位以上。
因此,水斗式水轮机会因水头利用不充分而造成多年平均年发电量较混流式较少,但可减少主厂房下部的开挖量。
国内中、高水头大型水斗式水轮机应用情况见表7.1.3-1。
国内中、高水头大型水斗式水轮机应用统计表
表7.1.3-1
序号
电站
名称
投产年份
额定水头
水头范围(m)
单机容量MW
水轮机型号
转速
(r/min)
单喷嘴比转速(m·
kW)
制造厂家
1
冶勒
2004
580
546.7-644.8
120
CJ-L-
375
18.8
阿尔斯通
2
吉沙
2008
485
480.66-539.88
60
428.6
昆电引进阿尔斯通转轮
3
仁宗海
560
547.6-610
19.7
东电引进安德里茨转轮
4
金窝
595
594.9-619.8
140
5
大发
482
482-513.8
300
哈电引进安德里茨转轮
6
跑马坪
在建
600
597.21-615.4
500
重水引进安德里茨转轮
7
烟岗
586.84-631.75
8
高桥
555
550-591
30
19.26
9
阿鸠田
398
398-421.27
35
19.3
重水
10
布仑口
607
607-665
67
17.76
昆电引进安德里茨转轮
由表7.1.3-1可看出,国内中、高水头大型水斗式水轮机转轮大多采用引进国外设备。
混流式水轮机国内应用状况简析
混流式水轮机最高效率和额定工况点效率均比水斗式水轮机高,有较高的比转速,使得机组尺寸小、重量轻、厂房平面尺寸较小、主机设备投资比水斗式水轮机低。
但同水头、容量机组相比,混流式水轮机转速较水斗式水轮机高,生产制造难度较大,运行后易发生振动、噪音及运行不稳定等故障;
且在小负荷区运行时,混流式水轮的稳定性较水斗式水轮机差。
近年来,国内制造企业通过引进国外先进成熟的高水头混流式的设计、制造技术及经验,已在国内多座大中型水电站得到应用。
部分国内中、高水头大中型混流式水轮机应用情况见表7.1.3-2。
国内中、高水头大中型混流式式水轮机应用统计表(H>300m)
表7.1.3-2
序
号
水头范围
(m)
单机
容量
(MW)
转轮
直径
比转速
(m·
比速
系数
硗碛
490
456-553.6
2.3
73.6
1629
引进安德里茨转轮
周宁
400
388.8-437.2
125
2.928
84.7
1694
克瓦纳、杭发
自一里
445
439.95-474.1
65
2.15
74.8
1578
冷竹关
362
361.3-387.5
2.34
77.5
1475
鲁布革
312
295-372.5
153
3.442
333.3
99.4
1756
挪威KB、哈电
小天都
358
351.5-392.9
2.7
78.9
1685
GE亚洲水电
金康
458
457.7-498
75
78.7
联补
416.9
411.5-457.2
82.4
1682
大七孔
320
320-328
16
1.2
1000
94.7
1695
不同机型的技术经济比较
按GB/T15468-2006《水轮机基本技术条件》5.4.2条规定,混流式水轮机应在45%~100%的功率范围内稳定运行,水斗式水轮机应在25%~100%的功率范围内稳定运行。
由于本电站装机为55MW,而保证出力仅为2.88MW,按规范规定,采用混流式机组时单机容量不宜大于2.88/0.45=6.4MW,采用水斗式机组时单机容量不宜大于2.88/0.25=11.52MW。
由于采用等容量机组将造成机组台数过多,故在机型比较时暂按3台机方案(1大2小)进行。
初定混流式机组的装机方案为2×
6MW+1×
43MW,水斗式机组的装机方案为2×
8MW+1×
39MW。
机组额定水头根据机型不同而略有不同。
不同机型比较表
表7.1.3-3
机型
混流式
水斗式
装机方案
2×
43MW
39MW
单机容量Nr(MW)
43
39
机组台数(台)
水轮机最大水头Hmax(m)
453.94
450.32
加权平均水头Hcp(m)
418.67
额定水头Hr(m)
392.5
水轮机最小水头Hmin(m)
398.60
392.04
多年平均发电量(万kW·
h)
15996.21
15661.78
多年平均发电量差
(亿kW·
+0.083
水轮机额定出力NTr(MW)
6.27
44.36
8.29
40.41
转轮直径D1(m)
0.7
1.8
1.35
2.65
射流直径d0(mm)/喷嘴数Z0
/
95/4
210/4
额定转速nr(r/min)
1500
750
飞逸转速nR(r/min)
2804.4
1090.6
1100.3
560.5
额定流量Qr(m3/s)
1.76
12.35
2.37
11.53
额定点效率r(%)
91
吸出高度Hs(m)
-7.0
排出高度(m)
+3
安装高程
1243.00
1253.60
HL***-LJ-70
HL***-LJ-180
CJxxx-L-135/4×
115
CJxxx-L-265/4×
255
发电机型号
SF6-4/1900
SF43-8/3600
SF8-10/2700
SF39-20/5400
单台水轮机重量(t)
15
92
37.31
181.91
单台发电机重量(t)
29
166
62.7
286.0
进水球阀直径(m)
0.4
1.1
1.4
进水球阀重量(t)
38
22
桥机重量(t)
138
静态总投资(万元)
42670
43323
从表7.1.3-3可以看出,采用混流式机组将比采用水斗式机组减少投资653.2万元,且由于排出高度和吸出高度的要求,水斗式水轮机转轮需装设在最高尾水位以上约3m,而混流式水轮机转轮需装设在设计尾水位以下7m,考虑下游尾水位变幅,由此水斗式水轮机会因水头利用不充分造成一定电量损失。
经初步估算,水斗式水轮机比混流式水轮机将少利用水头约3m,造成年电量损失约83万kW·
h。
从纯经济角度而言,选用混流式机组较为合理。
但水斗式机型与混流式机型相比,有以下特点:
(a)最高效率比混流式水轮机低2~3%,但其效率曲线较平缓,当负荷仅为额定负荷的25%时仍可以运行,而混流式水轮机要求运行在额定出力50%以上。
(b)水斗式转轮露出水面,不存在因气蚀要求而增加开挖问题。
因水斗式转轮在1个大气压下工作,其气蚀磨损较混流式轻,转轮材质要求较低,同时,转轮检修工作量小。
水斗式转轮的气蚀磨损与运行负荷变化关系不大,而混流式水轮机在某些工况运行时,气蚀磨损破坏加剧较明显。
(c)对于水斗式水轮机,机组甩负荷时,可利用折向器迅速遮开水流,从而控制压力和转速上升,解决了大波动稳定性问题,提高了机组的可靠性。
(d)由于在小负荷区运行时,水斗式水轮机的效率反而比混流式水轮机高。
这一点对于长期担任基荷运行任务的克屯那木电站机组非常重要。
(e)混流式水轮机结构复杂,易损部件较水斗式水轮机多,检修、更换和维护工作量大,运行维护费用较高。
(f)混流式水轮机过流部件多,迷宫及导叶端面间隙小,受泥沙磨损影响后更换不方便,检修工作量大。
(g)水斗式水轮机在含沙水流下运行,喷针头、喷嘴口环及水斗分水刃的磨损也非常剧烈,但这些部件相对独立,更换方便(在有备件的情况下,1~2天即可完成)。
(h)如选用混流式机组,则机组转速过高,生产制造有较大难度,运行后易发生振动、噪音及运行不稳定等故障。
鉴于以上原因,因此本阶段推荐选用水斗式机型。
7.1.4水轮机工作水头
上游水位
由于本电站为径流式电站,前池无调节能力,因此电站发电时上游水位均为前池正常蓄水位,既1704m。
下游水位
由于水斗式水轮机转轮需安装在最高尾水位以上3m左右,既转轮安装高程为1253.60m左右。
而由于水斗式水轮机的特殊性,应视转轮安装高程为下游水位,既下游水位为1253.60m。
水轮机最大水头
根据规范定义,本电站水轮机最大水头为:
上游水位(1704m)-下游水位(1253.60m)-一台机组空载时对应的水头损失。
按表7.1.3-3中一台小水斗式水轮机满发流量2.37m3/s的15%为空载流量,既空载流量为:
0.355m3/s。
查表7.1.4-1,可知此时的水头损失约为0.08m。
故水轮机最大水头为:
1704m-1253.60m-0.08m=450.32m。
流量——水头损失对应表
表7.1.4-1
对应流量
水头损失
0.22
0.88
1.981
3.522
5.503
7.924
10.786
14.07
17.793
11.00
12.00
13.00
14.00
15.00
16.00
17.00
18.00
19.00
20.00
26.552
31.589
37.063
42.975
49.325
56.112
63.337
71
79.101
96.614
水轮机最小水头
根据规范定义,本电站水轮机最小水头为:
上游水位(1704m)-下游水位(1253.60m)-电站满发时对应的水头损失。
按表7.1.3-3,电站满发流量为16.27m3/s,查表7.1.4-1,可知此时的水头损失约为58.04m。
1704m-1253.60m-58.04m=392.36m。
水轮机额定水头
水轮机额定水头Hr是指水轮发电机组发出额定出力的最小净水头。
对于径流式水电站,水轮机额定水头应保证水电厂发足装机容量。
额定水头≤上游水位(1704m)-下游水位(1253.60m)-电站所有机组满发时对应的最大水头损失。
根据公式:
N=9.81×
Q×
H×
ηt×
ηf(公式1)
式中:
N为机组功率,Q为发电流量,H为水头,ηt为水轮机效率,ηf为发电机效率。
对公式1进行换算可得:
H=N/(9.81×
ηf)
水轮机效率ηt暂按91%控制,发电机效率ηf暂按97%控制,N=55MW,由此可以算得:
H=6351.5622
式中水头H应小于450.4m(上游水位1704m-下游水位1253.6m),由此可知流量Q应大于14.102m3/s。
根据水工专业提供的流量——水头损失对应关系表(表7.1.4-1),进行了大量计算发现,只有当电站的引用流量Q=16.266m3/s时,此时水头损失为57.92m(对表7.1.4-1进行插值计算得出),对应的水头为:
上游水位1704m-下游水位1253.6m-水头损失(57.92m)=392.48m。
此时N=9.81×
ηf
=9.81×
16.266×
392.48×
0.91×
0.97
=55281.6kW>
55000KW
满足出力要求,故本阶段推荐额定水头为392.5m。
额定水头的合理性和经济性
按规范要求,当额定水头接近最小水头时,应论证其合理性和经济性。
现分析本电站额定水头等于最小水头的原因如下:
本电站前池无调蓄能力,上游水位无变幅,正常发电时上游水位始终保持在1704m;
由于水斗式水轮机的特殊性,安装高程以下的水能无法利用,而安装高程又无法随意调整,故造成计算水轮机水头时下游水位无变幅;
在上、下游水位不变的前提下,机组满发的水头及流量受水头损失的影响而具有唯一对应性。
故本阶段推荐额定水头为392.5m是合理的。
同时,由于额定水头具有唯一性,故不对其进行经济性分析论证。
7.1.5模型参数分析
水斗式水轮机模型参数
1)单喷嘴比转速选择
前苏联型谱K600型转轮ns1≈20m·
kW。
哈厂统计公式ns1=284.2Hr-0.4388=19.94m·
挪威“免气蚀”曲线,当Hr=426.32m时,ns1=21m·
表7.1.3-1的统计数据中,单喷嘴比转速在17.16~19.7m·
kW之间。
结合本电站实际情况,水轮机立足国内制造,单喷嘴比转速不宜太高,故机组取15~17m·
kW为宜。
2)喷嘴数选择
根据电站参数,水斗式水轮机可以选择2喷嘴或4喷嘴。
结合我国水斗式水轮机的应用情况和本电站水头、容量,并考虑同水头、容量机组选2喷嘴时,水轮机的转轮直径大转速低,同时由于转速降低将导致发电机尺寸增加,这一方面增大了机组投资,另一方面将增加厂房尺寸和开挖量。
另外,根据制造厂提供的资料,4喷嘴水斗式水轮机的效率要高于2喷嘴水斗式水轮机。
基于以上原因,故本阶段水斗式水轮机暂按4个喷嘴进行参数计算。
7.1.6不同装机台数比较
克屯那木水电站水轮机工作水头范围392.36~450.32m,装机容量55MW,保证出力2.88MW。
按GB/T15468-2006《水轮机基本技术条件》5.4.2条规定,混流式水轮机应在45%~100%的功率范围内稳定运行,水斗式水轮机应在25%~100%的功率范围内稳定运行。
故采用水斗式机组时单机容量不宜大于2.88/0.25=11.52MW。
由于采用等容量机组将造成机组台数过多,因此初拟采用大、小机装机方案。
为确定具体的单机容量,对水文专业提供的典型年下泻流量、出力过程进行了统计,统计结果见表7.1.6-1。
电站可发出力分布情况表
表7.1.6-1
可发功率(MW)
出现次数
占比(%)
0~1
1~2
20
2~3
201
11.01
3~4
277
15.17
4~5
126
6.9
5~6
142
7.78
6~7
103
5.64
7~8
48
2.63
8~9
66
3.61
9~10
61
3.34
10~11
2.08
11~12
26
1.42
12~13
24
1.31
13~14
23
1.26
14~15
0.82
15~16
21
1.15
16~17
17
0.93
17~18
13
0.71
18~19
19~20
20~21
0.55
21~22
12
0.66
22~23
18
0.99
23~24
11
0.6
24~25
25~26
0.49
26~27
27~28
14
0.77
28~29
29~30
0.27
30~31
31~32
0.38
32~33
33~34
34~35
35~36
36~37
37~38
38~39
39~40
40~41
41~42
42~43
43~44
44~45
45~46
46~47
47~48
48~49
49~50
19
1.04
50~51
51~52
52~53
53~54
54~55
>
55
209
11.49
由表7.1.6-1可以看出,可发出力的分布极不均匀。
可发出力在2~3MW、3~4MW及>
55MW的比重均超过了10%,可发出力在4~5MW、5~6MW和6~7MW的比重在5%至10%之间,其余均小于5%。
对表7.1.6-1进行进一步统计,结果见表7.1.6-2。
不同出力范围统计表
表7.1.6-2
出力范围(MW)
出现几率
0~2
1.32
0~3
225
12.33
0~4
502
27.5
0~5
628
34.4
0~6
770
42.18
0~7
873
47.82
0~8
921
50.45
0~9
987
54.06
0~10
1048
57.4
0~11
1086
59.48
0~12
1112
60.9
0~13
1136
62.21
0~14
1159
63.47
0~15
1174
64.29
0~16
1195
65.44
0~17
1212
66.37
0~18
1225
67.08
0~19
1238
67.79
0~20
1251
68.5
0~21
1261
69.05
0~22
1273
69.71
0~23
1291
70.7
0~24
1302
71.3
0~25
1317
72.12
0~26
1326
72.61
0~27
1335
73.1
0~28
1349
73.87
0~29
1358
74.36
0~30
1363
74.63
0~31
1372
75.12
0~32
1379
75.5
0~33
1389
76.05
0~34
1396
76.43
0~35
1401
76.7
0~36
1412
77.3
0~37
1426
78.07
0~38
1435
78.56
0~39
1442
78.94
0~40
1447
79.21
0~41
1458
79.81
0~42
1467
80.3
0~43
1474
80.68
0~44
1487
81.39
0~45
1496
81.88
0~46
1508
82.54
0~47
1522
83.31
0~48
1540
84.3
0~49
1545
84.57
0~50
1564
85.61
0~51
1571
85.99
0~52
1585
86.76
0~53
1602
87.69
0~54
1607
87.96
0~55
1617
88.51
>55
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