左燕霞　張乃瑾　于　紅

(河北省石津灌區(qū)管理局，河北 石家莊　050051)

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豎井貫流式機(jī)組在土賢莊水電站的應(yīng)用

左燕霞張乃瑾于紅

(河北省石津灌區(qū)管理局，河北 石家莊050051)

本文對(duì)豎井貫流式機(jī)組在土賢莊水電站的應(yīng)用從裝機(jī)容量計(jì)算、機(jī)組選型比較和裝機(jī)方案確定等方面進(jìn)行了分析比較，對(duì)整個(gè)電站的工程布置、機(jī)組運(yùn)行和維護(hù)情況作了介紹，對(duì)機(jī)組運(yùn)行維護(hù)中出現(xiàn)的增速器油溫偏高、噪音過大等問題提出了解決措施，確保了電站的順利安全發(fā)電。

豎井貫流式機(jī)組；裝機(jī)方案；工程布置；運(yùn)行；維護(hù)

1　電站概況

土賢莊水電站由河北省石津灌區(qū)管理局負(fù)責(zé)運(yùn)行和管理，位于石家莊市土賢莊村的石津總干渠上，是石津灌區(qū)梯級(jí)開發(fā)建設(shè)的第三座水電站。電站主要功能為通過南水北調(diào)配套工程石津總干渠向滄州和衡水兩市供水(以下簡(jiǎn)稱“引江水”)以及由總干渠灌溉水在土賢莊跌水處形成的落差發(fā)電。工程主要由前池、進(jìn)水閘、泄水閘、主廠房、副廠房、尾水閘、尾水池、升壓站組成，總裝機(jī)容量2×2000kW，多年平均年發(fā)電量1298.60萬kW·h，工程規(guī)模為小(2)型，工程等別為V等，建筑物等級(jí)為5級(jí)，電站設(shè)計(jì)流量89.02m3/s。

2　裝機(jī)方案

2.1裝機(jī)容量計(jì)算

土賢莊水電站在進(jìn)行裝機(jī)容量確定時(shí)，充分考慮了石津灌區(qū)歷年的灌溉水量和南水北調(diào)通水后的分配水量，按典型年法計(jì)算了灌溉水和南水北調(diào)來水量的疊加情況，考慮了引水渠首至電站區(qū)間的水量蒸發(fā)、滲漏等，實(shí)際應(yīng)用流量經(jīng)測(cè)算乘以0.95的系數(shù)；計(jì)算內(nèi)容主要包括：多年平均年發(fā)電量、裝機(jī)容量、多年平均利用小時(shí)數(shù)、加權(quán)平均水頭及水能利用率等。

發(fā)電設(shè)計(jì)水頭根據(jù)實(shí)際測(cè)量，電站上、下游總落差為5.63m，水頭損失合計(jì)為0.13m，計(jì)算電站設(shè)計(jì)凈水頭為5.5m；發(fā)電用水量計(jì)算時(shí)根據(jù)頻率分析的計(jì)算結(jié)果，選擇與設(shè)計(jì)值相近、徑流及其他資料較為完整、對(duì)電站未來運(yùn)行較不利的年份作為典型年，經(jīng)比較分析確定三個(gè)典型年的供水量均按平水年計(jì)算，為4.67億m3，最終按典型年實(shí)際年徑流與設(shè)計(jì)年徑流的比值進(jìn)行修正，得到不同保證率下的逐日流量和發(fā)電的日用水量；經(jīng)電站日出力和年電能計(jì)算，得出土賢莊水電站水能計(jì)算成果，見表1[1]。

表1　水能計(jì)算成果

根據(jù)表1的水能計(jì)算成果，以75%年裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)在3000h左右、多年平均裝機(jī)年利用小時(shí)數(shù)在3300h左右為原則，最終確定裝機(jī)容量宜在4000kW左右。

2.2機(jī)組選型比較

在機(jī)組選型時(shí)根據(jù)電站的裝機(jī)容量和基本參數(shù)，考慮如何適應(yīng)電站水頭的不斷變化情況，選用新型實(shí)用且具有高效轉(zhuǎn)輪的水輪發(fā)電機(jī)組，同時(shí)綜合考慮了不同型式水輪機(jī)的機(jī)組價(jià)格、土建工程量和運(yùn)行維護(hù)成本。電站最大水頭6.7m，設(shè)計(jì)水頭5.5m，最低水頭5.0m，根據(jù)其運(yùn)行水頭，初步選擇對(duì)豎井貫流式機(jī)組、燈泡貫流式機(jī)組和軸伸貫流式機(jī)組進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較。

燈泡貫流式機(jī)組，具有轉(zhuǎn)輪直徑小、體積小的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)和安裝過程中要考慮把大體積的發(fā)電機(jī)放入尺寸很小的燈泡體內(nèi)，存在著較大的困難，同時(shí)在后期的維護(hù)保養(yǎng)方面也存在諸多不便，而且工程造價(jià)和維護(hù)費(fèi)用也相對(duì)較高。

軸伸貫流式機(jī)組，具有造型、結(jié)構(gòu)布置相對(duì)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)、安裝和維護(hù)檢修較方便的特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)和安裝過程中將增速器和發(fā)電機(jī)放在流道外；但軸伸貫流式機(jī)組的彎尾水管對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行過程中的整體性能影響較大，使機(jī)組的發(fā)電效率和出力明顯降低。若要滿足相同裝機(jī)容量的發(fā)電要求，應(yīng)采取措施來加大整個(gè)機(jī)組的規(guī)格尺寸，但同時(shí)機(jī)組的工程造價(jià)和土建工程量也將增加。

豎井貫流式機(jī)組，具有結(jié)構(gòu)布置簡(jiǎn)單、安裝維修方便、運(yùn)行中水力條件好等特點(diǎn)，在設(shè)計(jì)和安裝的過程中采用鋼筋混凝土開敞豎井式結(jié)構(gòu)，將水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)沿水量方向分別布置于不同的開敞式豎井中，在水輪機(jī)經(jīng)增速器增速后通過軸承與發(fā)電機(jī)相連，減小發(fā)電機(jī)尺寸。該機(jī)組安裝布置在地面以下，工程占地面積較小，機(jī)組的工程造價(jià)相對(duì)較低，對(duì)發(fā)電機(jī)的要求也降低，機(jī)組運(yùn)行的可靠性明顯提高[2]。

2.3裝機(jī)方案確定

在初步設(shè)計(jì)中，經(jīng)過水能計(jì)算，土賢莊水電站裝機(jī)容量宜在4000kW左右，據(jù)此選擇了3個(gè)裝機(jī)容量方案進(jìn)行比較，各方案的機(jī)組性能基本參數(shù)見表2。

表2　機(jī)組性能參數(shù)比較

由表2中的數(shù)據(jù)綜合分析，豎井貫流轉(zhuǎn)槳式(手動(dòng)轉(zhuǎn)漿)單機(jī)流量從最大44.51m3/s 至最小12.71m3/s，當(dāng)流量較大時(shí)水能利用率較高，高效率運(yùn)行區(qū)域較寬，小流量時(shí)通過手動(dòng)調(diào)節(jié)葉片角度，能充分利用引江水量輸水發(fā)電。根據(jù)石津總干渠多年運(yùn)行資料及管理經(jīng)驗(yàn)，充分利用水力資源并考慮電站建成后發(fā)揮的最大經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)，考慮各機(jī)組的優(yōu)缺點(diǎn)，最終選用豎井貫流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組。

另外，充分考慮小水電站根據(jù)裝機(jī)容量，應(yīng)盡量按規(guī)范要求選擇同型號(hào)、同規(guī)格、同容量的兩臺(tái)機(jī)組，相應(yīng)的安裝和運(yùn)行的性價(jià)比較高，也有利于備用備件的通用，節(jié)省維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。因?yàn)榕_(tái)數(shù)過多或過少都會(huì)存在弊端，若安裝的臺(tái)數(shù)少、單臺(tái)功率較大，在運(yùn)行的過程中會(huì)造成平均效率低，在來水量較少的情況下，機(jī)組無法正常發(fā)電，達(dá)不到額定出力，甚至只夠空載損耗；若安裝的臺(tái)數(shù)過多，會(huì)造成建設(shè)過程中的工程投資增大，在今后的運(yùn)行中，維護(hù)檢修費(fèi)用會(huì)偏高。最終，選擇了采用2臺(tái)2000kW的豎井貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的方案Ⅰ作為土賢莊水電站的發(fā)電機(jī)組進(jìn)行建設(shè)。

3　樞紐工程布置

土賢莊水電站布置在石津總干渠上，采用渠道引水式布置方式，電站所在的石津總干渠段位于石家莊市二環(huán)路上、下行車道之間，被二環(huán)路和新城大道高架橋所包圍，總干渠北側(cè)距離二環(huán)快速路約13.27m，南側(cè)僅為4.43m，電站下游200m即為新城大道高架橋，故電站的布置位置相對(duì)狹窄，更不宜選用較大型的機(jī)組進(jìn)行布置，選用豎井貫流式機(jī)組可以充分利用地下空間，節(jié)省工程量和投資。

電站的主要布置為地下主廠房、地上副廠房，2臺(tái)機(jī)組并排布置在左側(cè)，位于地面高程以上，上邊預(yù)留進(jìn)水閘和過水流道的位置，泄水閘位于工程的最右側(cè)，主廠房?jī)?nèi)的發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)沿水流方向分別布置在兩個(gè)敞開式的豎井中，稀油站、接力器和調(diào)速器也布置在發(fā)電機(jī)的豎井內(nèi)；副廠房分三層布置， 一、二層有中央控制室，高低壓開關(guān)柜室，技術(shù)供水設(shè)施，啟閉機(jī)室，空壓機(jī)以及發(fā)電機(jī)勵(lì)磁變壓器等，三層主要為辦公用房。

4　水輪機(jī)組的應(yīng)用

4.1運(yùn)行情況

土賢莊水電站自2013年3月17日—2015年5月6日，累計(jì)安全運(yùn)行137天，安全生產(chǎn)無事故，累計(jì)發(fā)電540萬kW·h，基本形成了一套適合該電站的運(yùn)行管理模式，機(jī)組、水工建筑物等設(shè)備設(shè)置運(yùn)行情況基本正常，水工建筑物穩(wěn)定，無滲、漏水現(xiàn)象；閘門操作靈活，狀況良好；通風(fēng)、防潮、排水、消防、照明等設(shè)施完好；所有設(shè)備設(shè)施各項(xiàng)指標(biāo)均基本達(dá)到設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

由于電站在建設(shè)安裝過程中為了減少發(fā)電機(jī)尺寸和投資，選擇豎井貫流式發(fā)電機(jī)組，而增速器作為一套變速裝置機(jī)構(gòu)是專門為豎井貫流式發(fā)電機(jī)組研究設(shè)計(jì)安裝的，主要通過軸承安裝在水輪機(jī)與發(fā)電機(jī)之間，由變速箱、潤(rùn)滑油箱及控制設(shè)備組成。在運(yùn)行維護(hù)過程中，可能是由于油冷卻器油質(zhì)不干凈、油冷卻器不工作、輸送的油和水太少以及冷卻器未開啟等原因造成機(jī)組存在著增速器油溫較高現(xiàn)象，同時(shí)，由于增速器位于豎井內(nèi)且一直在高轉(zhuǎn)速和高負(fù)荷下工作運(yùn)行，持續(xù)不斷地產(chǎn)生較大噪音，運(yùn)行環(huán)境較差，對(duì)運(yùn)行人員的心理產(chǎn)生了一定的不良影響[3]。

4.2維護(hù)措施

土賢莊水電站在運(yùn)行過程中也注重加強(qiáng)對(duì)機(jī)組的保養(yǎng)、檢修和維護(hù)，出現(xiàn)問題能夠做到及時(shí)處理，確保電站順利安全運(yùn)行。在維護(hù)過程中，采取清潔冷卻器、檢查進(jìn)液管和冷卻器、檢查溫度調(diào)節(jié)閥及設(shè)備控制系統(tǒng)等措施來降低油溫，加大潤(rùn)滑油的流量并保持足夠的壓力，使供油充足，能充分達(dá)到對(duì)行星齒輪和軸套進(jìn)行潤(rùn)滑的作用。尤其在機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，盡量采取措施減少磨蝕，并使磨蝕出的金屬粉末和片狀物質(zhì)能通過油回路及時(shí)排出，防止逐漸堆積造成潤(rùn)滑油出油通道和行星輪潤(rùn)滑油通道的進(jìn)口堵塞，同時(shí)在出現(xiàn)堵塞后及時(shí)對(duì)夾雜的金屬物進(jìn)行清除和充分潤(rùn)滑，避免造成行星輪和軸套摩擦發(fā)熱，最終被燒壞的更為嚴(yán)重的后果[4]。

另外，在增速器和發(fā)電機(jī)的豎井內(nèi)采取吸音、隔音、降音等措施來改變?cè)胍舻膫鞑ネ緩胶蛡鞑ヮl率，達(dá)到降低噪音分貝值的效果，同時(shí)提高工作效率盡量減少運(yùn)行人員在豎井內(nèi)的工作時(shí)間，采取措施改善工作環(huán)境，給運(yùn)行人員配備防護(hù)用具，降低噪聲對(duì)運(yùn)行人員的危害，保障運(yùn)行人員的身心健康。

5　結(jié)　語

目前，豎井貫流式發(fā)電機(jī)組在我國(guó)小水電行業(yè)中的應(yīng)用不是很廣泛，還處于初期發(fā)展階段，在機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行、維護(hù)和管理方面都沒有足夠成熟的經(jīng)驗(yàn)可借鑒，還存在著諸多的不足和問題需要在今后的應(yīng)用中通過不斷的探索來解決和完善。土賢莊水電站的豎井貫流式發(fā)電機(jī)組也是河北省第一座運(yùn)行該類型機(jī)組發(fā)電的小水電站，無運(yùn)行和管理經(jīng)驗(yàn)可參考，更需要電站的運(yùn)行人員在運(yùn)行過程中逐漸摸索和掌握機(jī)組的運(yùn)行性能和規(guī)律，多積累保養(yǎng)、檢修和維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，確保電站的順利運(yùn)行。

[1]明時(shí)玉.野鴨河生態(tài)電站裝機(jī)容量選擇分析[J].中國(guó)水能及電氣化，2003(12)：46-47.

[2]任柏青,孫媛媛.貫流式機(jī)組在河盤橋電站的應(yīng)用[J].浙江水利科技，1999(2)：14-15.

[3]孫海波,趙偉,孟佳佳.新型水輪機(jī)的研究與開發(fā)[J].中國(guó)水能及電氣化，2015，118(1)：42-44.

[4]楊平.豎井貫流式機(jī)組在小龍水電站中的應(yīng)用及問題分析[J].四川水力發(fā)電，2011，30(5)：144-146.

Application of shaft bulb turbine unit in Tuxianzhuang Hydropower Station

ZUO Yanxia, ZHANG Naijin, YU Hong

(HebeiShijinIrrigationAreaAdministration,Shijiazhuang050051,China)

In the paper, the application of shaft bulb turbine unit in Tuxianzhuang Hydropower Station is analyzed and compared from the aspects of installed capacity calculation, unit model selection comparison and installed plan determination, etc. Project arrangement, unit operation and maintenance condition of the whole station are introduced. Solution measures are proposed for the problems in speed increasers, such as higher oil temperature, higher noise, etc., during unit operation maintenance. Smooth and safe power generation of the power station is ensured.

shaft turbine unit; installed plan; engineering arrangement; operation; maintenance

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2016.04.012

TV734.1

B

1673-8241(2016)04- 0045- 04