高水頭小容量水輪發電機組的選型設計

　　摘要：根據三鬥水庫電站水輪機組為高水頭、小容量的特點，結合溪屯溪水電站群在建甌市電力系統中為輔助調頻電站的情況，走訪主要水輪發電機組設備製造廠，在機組訂貨和施工設計時就採取相應改進措施。投運後，達到設計要求，機組運行狀況良好，經濟效益可觀。

　　關鍵詞：小型水電站 水輪發電機組 小型水輪機 高水頭水輪機 水輪機選型 經濟效益

　　1工程簡況

　　三鬥水庫為建甌市溪屯溪流域水電資源開發規劃的龍頭水庫，總庫容530萬m³，興利庫容437萬m³，為年調節水庫。電站壓力引水隧洞長2160m，明敷壓力鋼管長438m，最高水頭200.43m，設計水頭174.7m，最低發電水頭152.9m，設計流量1.84m³／s，裝機容量2×1250kW.多年平均發電量827.58萬kW·h，P＝75％保證出力690kW，設備年利用小時3310h，水庫及電站概算總投資2037萬元。

　　三鬥水庫電站及赤坑水電站（裝機2000kW）為溪屯溪規劃開發的第一期工程，1986年12月動工，赤坑電站於1998年5月竣工發電，三鬥電站於1999年9月開始試運行。

　　2水輪發電機組的選型設計

　　三鬥水庫電站設計水頭174.7m，單機容量1250kW，為高水頭、小容量水輪發電機組，查「中小型反擊式水輪機使用範圍綜合圖」，本電站水輪機選擇在衝擊式水輪機範圍。衝擊式水輪機具有構造簡單、出力變化時對機組效率影響較小等優點，特別是其折向器的作用對調保有利，可節省調壓井等水工建築物的造價，但其轉速低，機組體積大；混流式水輪機則其轉速高，機組體積小，且運轉可靠效率較高，並有適應水頭範圍寬的優勢，還可利用尾水管回收能量，減少廠房開挖工程，但在低負載時機組效率降低較多。經機型選擇計算，初選了CJA237－W－125／14.5水輪機，配套SFW1250－14／1730發電機和HLD54－WJ－55水輪機，配套SFW1250－4／1170發電機兩種機型。

　　走訪閩、浙、贛三省主要水輪發電機設備製造廠，廠家表示兩種機型均可生產供貨，對高轉速機組的運行都有所擔心，推薦本站採用衝擊式機組。初步報價兩種機型的水輪機和發電機主設備價格相差懸殊，衝擊式1套141.2萬元，混流式1套只70萬元。初設中經兩種機型的輔助設備配套和水工建築物不同方案的投資對比，在造價上選用混流式機組仍可節省84.2萬元；此外選用HLD54－WJ－55水輪機在本站的水力條件下，運行區域很理想，溪屯溪水電站群在建甌市電力系統中為輔助調頻電站，對有水庫調節的更應發揮頂峰作用，一般時間在較高出力區運行，既使水庫水位變化，機組也運行在較高效率區內，為此初設推薦選用HLD54－WJ－55配SFW1250－4／1170水輪發電機組。

　　3小轉輪高轉速混流式水輪發電機組的運

　　行問題和改進措施選用混流式水輪發電機組，其額定轉速達到1500r／min，其運行狀況是我們最為關注的問題，據設備生產廠家介紹，當時浙、贛兩省尚沒有相近規模高水頭小轉輪高轉速的水電站，僅福建水力發電設備廠製造安裝在龍巖大片溪水電站（H＝177.7m，HLD54－WJ－60，SFW1600－4／1170）和漳平嶺兜水電站（H＝180m，HLA179－WJ－60，SFW1600－4／1170）有4臺機組水力條件和裝機規模相近，機組額定轉速為1500r／min，並已建成發電。

　　經現場考察，兩站4臺機組均已投產1年以上，運行中主要問題為：機組轉速高、噪音大，軸承溫度偏高（推力軸承63℃，導軸承55℃），軸承潤滑油為油泵供油外循環水冷卻系統，設置了重力油箱、回油箱、油泵及冷卻水池等設施，不僅增加投資加大運行維護工作量，而且供油或供水系統發生故障時易發生燒瓦事故或被迫停機維修而影響正常發電。

　　在機組訂貨和施工設計時，經與福建水力發電設備廠設計、生產、經營有關人員多次協商探討，擬定了幾項改進措施：

　　1）推力軸承採用尼龍軸瓦，改進導軸承底瓦冷卻裝置降低軸承溫度，同時潤滑油改為自供內循環，取消油泵供油外循環冷卻系統。不僅簡化供油供水系統，節省投資節約廠用電，而且減輕運行人員的維修工作量，關鍵是減少了燒瓦事故和停電損失。

　　2）技術供水採用頂蓋取水，改變初步設計時的水泵供水方案，施工設計時技術供水系統改為以頂蓋取水為主，水泵供水為備用的設計方案，並在供水總管設置壓力控制器和排水電磁閥等元件，電氣自動化迴路設計中增加了供水壓力過高（超0.35MPa）時自動排水降壓，過低時（0.2MPa）自動開啟供水泵增加供水壓力和水量。

　　3）發電機採用空冷器密閉循環空氣冷卻，並採取其他措施降低機組噪音。在改進措施逐項落實後才籤署訂貨合同，付諸工程實施。

　　4試運行效果及經濟效益

　　三鬥水庫電站在大壩、引水系統、廠房土建工程進行預驗收後，開始進行蝸殼充水、機組啟動、帶負荷、甩負荷等試驗，並經72h試運行。由於有關單位的重視、配合和安裝隊的精湛工藝，機組試車基本上一次成功。當時大壩砌築尚未達設計高程，水庫水位754.00m，電站毛水頭167.6m，導水葉開度76％時發電機出力即達到1250kW，其頂蓋取水的供水壓力、水量，各部溫度以及甩100％負荷的壓力、轉速上升率均能符合設計和運行條件的要求。

　　1）技術供水由頂蓋取水是成功的三鬥水庫電站為高水頭小轉輪臥式混流式水輪機，D1＝55cm，採用頂蓋取水附近省份尚無先例，可能是採用頂蓋取水作為技術供水最小的轉輪。按設備製造廠的技術資料，技術供水的壓力0.1MPa～0.2MPa，每臺機空冷器需水量34m³／h，推力軸承7m³／h，加2個導軸承總需水量約55m³／h；試運行時測得機組空載時供水總管壓力0.21MPa～0.27MPa，供水量61m³／h，滿載時供水壓力0.3MPa，供水量73m³／h（經各分支閥門調節控制進入冷卻器水壓為0.13MPa～0.15MPa），隨著大壩的繼續砌築和水庫水位的升高，頂蓋取水的壓力和水量還將加大，可滿足機組自空載至滿載時技術供水的需要。

　　2）取消軸承潤滑油由油泵供油外循環冷卻的供油系統是可行的2臺機組在72h試運行中，以電阻法測得推力軸承溫度為48℃～50℃，導軸承為32℃～38℃，發電機定子溫度在70℃左右（1號機最高點為87.5℃），均符合設備製造技術文件和規範規定長期安全運行的要求。

　　3）機組運行穩定、噪音明顯降低機組安裝各部間隙、擺度達到規範的優良水平，在甩100％負荷時測量推力軸承最大振幅0.01mm，垂直振幅0.005mm～0.015mm，聯軸器擺度0.20mm～0.25mm，機組運行穩定。三鬥電站為壓力管跨河布置的半封閉防洪廠房，靠河邊一側主廠房大部分又被爆破膜室所遮蓋，噪音擴散條件較差，一般廠內噪音較大，試運行時廠房噪音與同類型中低轉速機組的廠房相近，廠內運行條件尚可。

　　三鬥水庫電站選用HLD54－WJ－55配SFW1250－4／1170水輪發電機組，運行狀況良好，其經濟效益也是可觀的。

　　1）機組及配套設備加上水工建築等因素，混流式比衝擊式節省建設投資84.2萬元。

　　2）在三鬥的水力和運行條件下，混流式機組的運行效率比衝擊式機組高3％，年可多發電24.8萬kW·h，尾水管回收能量多利用水頭每年可多發電8.64萬kW·h，每年可增加售電收入17萬元；按同樣設備年利用小時計，相當於多裝機100kW.

　　3）頂蓋取水和取消軸承潤滑油由油泵供油外循環冷卻系統，不僅節省了設備和土建投資，每年可節約廠用電14萬kW·h，每年可增加售電收入7萬元。