代佰亮

(哈爾濱電氣國(guó)際工程有限公司，哈爾濱 150000)

蘇丹上阿特巴拉水電站調(diào)相壓縮氣系統(tǒng)計(jì)算

代佰亮

(哈爾濱電氣國(guó)際工程有限公司，哈爾濱 150000)

蘇丹上阿特巴拉水電站要求機(jī)組具備調(diào)相運(yùn)行功能，調(diào)相運(yùn)行需要壓縮空氣將轉(zhuǎn)輪室內(nèi)水位下壓，使得轉(zhuǎn)輪暴露在水面以上轉(zhuǎn)動(dòng)。論述了該項(xiàng)目調(diào)相壓縮氣系統(tǒng)的計(jì)算過(guò)程，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，結(jié)合經(jīng)濟(jì)適用性原則，計(jì)算和選定了儲(chǔ)氣罐的容積和空壓機(jī)的排氣量。實(shí)踐證明,計(jì)算結(jié)果滿足工程要求，降低了工程投資。

水輪機(jī)；調(diào)相運(yùn)行；空壓機(jī)

機(jī)組的調(diào)相運(yùn)行模式是指機(jī)組從電網(wǎng)吸收有功，通過(guò)改變機(jī)組自身勵(lì)磁電流的大小，進(jìn)而向電網(wǎng)發(fā)出無(wú)功，用以提高電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的一種運(yùn)行模式。對(duì)于混流式機(jī)組或軸流式機(jī)組，其尾水位高于蝸殼水位，因此,當(dāng)它們作為調(diào)相機(jī)運(yùn)行時(shí)，電網(wǎng)拖動(dòng)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)輪會(huì)淹沒(méi)在水中攪動(dòng)，這時(shí)會(huì)消耗大量的有功，并且機(jī)組振動(dòng)會(huì)比較大。為了避免這種情況，需要用壓縮氣體將轉(zhuǎn)輪室和尾水錐管內(nèi)一定高度的水壓出，使整個(gè)轉(zhuǎn)輪暴露在空氣中轉(zhuǎn)動(dòng)[1]。

1 項(xiàng)目情況

蘇丹上阿特巴拉水電項(xiàng)目(Upper Atbara Project)位于蘇丹國(guó)境內(nèi)上阿特巴拉河與塞提河交匯處上游約20 km處，距離蘇丹首都喀土穆約600 km。業(yè)主咨詢公司為德國(guó)拉美爾咨詢公司(Lahmeyer)，機(jī)電包合同采用菲迪克(EPC)交鑰匙條款。合同內(nèi)容包含4臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳機(jī)組、13臺(tái)單相變壓器、220千伏GIS、其它輔機(jī)設(shè)備等的設(shè)計(jì)、供貨、安裝等。

蘇丹上阿特巴拉項(xiàng)目標(biāo)書要求提供單獨(dú)的調(diào)相壓縮氣系統(tǒng)用來(lái)提供壓水氣源，系統(tǒng)包含空壓機(jī)、儲(chǔ)氣罐、冷干機(jī)、控制器等一系列設(shè)備。

1.1 主機(jī)參數(shù)

機(jī)組型式 立式雙調(diào)節(jié)軸流轉(zhuǎn)槳機(jī)組

機(jī)組數(shù)量 4臺(tái)

水輪機(jī)額定出力 80 MW

額定凈水頭 34.3 m

轉(zhuǎn)輪直徑 5.60 m

額定同步轉(zhuǎn)速 136.36 r/min

發(fā)電機(jī)額定出力 93 MVA

發(fā)電機(jī)電壓等級(jí) 13.8 kV

發(fā)電機(jī)功率因數(shù) 0.85

1.2 標(biāo)書技術(shù)要求

標(biāo)書要求4臺(tái)機(jī)組最多同時(shí)有2臺(tái)機(jī)組投入調(diào)相模式運(yùn)行，調(diào)相運(yùn)行時(shí)尾水位取值為海拔EL482.0 m。整個(gè)氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力為4.0 MPa，包含4臺(tái)水冷式空壓機(jī)，6臺(tái)儲(chǔ)氣罐及冷干機(jī)等其它輔助設(shè)備。系統(tǒng)又分為2個(gè)子系統(tǒng)：每2臺(tái)空壓機(jī)、3臺(tái)儲(chǔ)氣罐組成1個(gè)子系統(tǒng)用于提供1臺(tái)機(jī)的氣源，兩個(gè)子系統(tǒng)之間用總管相連。

標(biāo)書對(duì)每個(gè)子系統(tǒng)的參數(shù)有如下規(guī)定：

1)3臺(tái)氣罐的總氣量應(yīng)能滿足在不往氣罐補(bǔ)氣的情況下，實(shí)現(xiàn)連續(xù)兩次對(duì)1臺(tái)機(jī)進(jìn)行壓水操作并留有20%余量。

2)2臺(tái)空壓機(jī)總排量應(yīng)能在2小時(shí)之內(nèi)把3個(gè)儲(chǔ)氣罐從大氣壓經(jīng)過(guò)不斷充氣加壓到設(shè)計(jì)壓力(4.0MPa)。

1.3 修改后的技術(shù)參數(shù)

詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，發(fā)現(xiàn)標(biāo)書的要求有過(guò)多余量，本著經(jīng)濟(jì)適用性原則，承包方積極進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。例如系統(tǒng)壓力為4.0 MPa的情況下，計(jì)算得出的儲(chǔ)氣罐體積將很大，難以安裝，由于儲(chǔ)氣罐的體積和系統(tǒng)壓力成反比關(guān)系，因此有必要提高系統(tǒng)壓力來(lái)減小儲(chǔ)氣罐體積。經(jīng)綜合考慮，并征得業(yè)主和咨詢工程師批準(zhǔn)，最終優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如下：

1)考慮到高于4.0 MPa的常用中壓空壓機(jī)出口壓力為7.0 MPa，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力變更為7.0 MPa。

2)每3臺(tái)儲(chǔ)氣罐組成1個(gè)子系統(tǒng)不變，由2臺(tái)空壓機(jī)供1個(gè)子系統(tǒng)用氣，變更為首次充氣時(shí)，4臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)工作供1個(gè)子系統(tǒng)用氣；平時(shí)運(yùn)行空壓機(jī)三主一備。

3)其它參數(shù)及要求不變

2 計(jì)算過(guò)程

如圖1所示，調(diào)相命令開始后，調(diào)相供氣管上的供氣閥打開，高壓氣從儲(chǔ)氣罐壓入錐管，壓力平衡后，氣體主要存在于儲(chǔ)氣罐內(nèi)(設(shè)體積為Vg)、管路及連通腔內(nèi)(設(shè)體積為V5)、導(dǎo)葉部分(設(shè)體積為V1)、轉(zhuǎn)輪室部分(設(shè)體積為V2)、錐管部分(設(shè)體積為V3)，計(jì)算時(shí)取壓水后尾水錐管內(nèi)最低水位在轉(zhuǎn)輪泄水錐以下1 m，則得錐管內(nèi)最低水位為EL465.3m，設(shè)容納這部分氣體的總?cè)莘e為Vd。總體的計(jì)算思路是：首先需要計(jì)算出Vd的值，然后計(jì)算椎管內(nèi)空氣壓力Pz，這兩個(gè)值代入理想氣體狀態(tài)方程，得出壓水前氣體總?cè)莘eVg，再根據(jù)標(biāo)書要求換算出單個(gè)儲(chǔ)氣罐容積以及空壓機(jī)排氣量。

2.1 單個(gè)儲(chǔ)氣罐容積計(jì)算

根據(jù)前期詳細(xì)設(shè)計(jì)圖紙查得水輪機(jī)各部件尺寸見表1

圖1 水輪機(jī)剖面圖Fig.1 turbine cross-section

表1 水輪機(jī)尺寸Table 1 water turbine dimensions m

2.1.1 壓水后尾水管內(nèi)氣體總?cè)莘eVd的計(jì)算

4)轉(zhuǎn)輪室自身體積V4=10.83 m3(哈爾濱電機(jī)廠提供)

5)管路和其它連通腔V5=22.87 m3(哈爾濱電機(jī)廠提供)

那么Vd=V1+V2+V3-V4+V5+Vg= 220.7+Vg(m3)

2.1.2 尾水管內(nèi)氣壓計(jì)算

現(xiàn)場(chǎng)大氣壓(根據(jù)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為海拔高程，根據(jù)標(biāo)書要求取值為EL482.0 m;Pabm為現(xiàn)場(chǎng)氣壓 Pa。

尾水位和錐管內(nèi)水柱壓差：

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

式中：ΔH為尾水位和調(diào)相運(yùn)行時(shí)錐管內(nèi)最低水位高程差,m;ρ為25℃時(shí)水的體積質(zhì)量,kg/m3;g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣?m/s2。

根據(jù)連通器原理，椎管內(nèi)氣壓等于尾水大氣壓加上尾水和錐管水位高差的水壓，那么尾水管內(nèi)氣壓Pz=Pabm+Ps=95 667.9+162 962.6=258 570.5 Pa，考慮到實(shí)際調(diào)相時(shí)，機(jī)組處于小負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)錐管上部會(huì)出現(xiàn)一定程度的負(fù)[3]，計(jì)算時(shí)可加50 000 Pa予以修正，最后取值為Pz=308 570.5 Pa

2.1.3 儲(chǔ)氣罐容積計(jì)算

根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程[4]，壓水前和壓水后存在如下等式：

式中：P1為儲(chǔ)氣罐初始?jí)毫Γ?0×105Pa;P2為調(diào)相時(shí)尾水管內(nèi)壓力，值為3.085×105Pa;Vg為壓水前壓縮氣體總?cè)莘e;Vd為壓水后壓縮氣體總?cè)莘e。

其中溫度變化可以忽略不計(jì)，則T1=T2，代入前面的計(jì)算值,可求出Vg= 10.18 m3

又根據(jù)標(biāo)書的要求：3臺(tái)氣罐的總氣量應(yīng)能滿足在不往氣罐補(bǔ)氣的情況下，實(shí)現(xiàn)連續(xù)兩次對(duì)1臺(tái)機(jī)進(jìn)行壓水操作并留有20%余量。那么單個(gè)氣罐的容積：

為保險(xiǎn)起見，最終制造時(shí)單個(gè)儲(chǔ)氣罐容積選擇為9 m3，共6個(gè)氣罐，每3個(gè)氣罐組成一組。

2.2 空壓機(jī)排氣量計(jì)算

整個(gè)調(diào)相供氣系統(tǒng)設(shè)置4臺(tái)空壓機(jī)，只有首次充氣，所有空壓機(jī)同時(shí)運(yùn)行，空壓機(jī)總排量應(yīng)滿足：4臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)生產(chǎn)應(yīng)能在2 h之內(nèi)把3個(gè)儲(chǔ)氣罐從大氣壓達(dá)到設(shè)計(jì)壓力(7.0 MPa)。平時(shí)正常運(yùn)行條件下，4臺(tái)空壓機(jī)3臺(tái)工作，1臺(tái)備用。那么每臺(tái)空壓機(jī)排氣量Qk：

式中：PN為調(diào)相壓水系統(tǒng)設(shè)計(jì)壓力和大氣壓的比值,PN= 70;Qk為空壓機(jī)總生產(chǎn)率,m3/min;ΔT為儲(chǔ)氣罐充氣時(shí)間,ΔT =120 min;Vg為3個(gè)儲(chǔ)氣罐總?cè)莘e，27 m3。

最后計(jì)算得Qk= 3.94 m3/min，實(shí)際選型時(shí)，還需考慮空壓機(jī)的冷卻方式、安裝方式等因素，綜合考慮選擇了生產(chǎn)率為4.7 m3/min,功率75 kW的水冷式空壓機(jī)。驗(yàn)證該選型時(shí)空壓機(jī)首次充氣時(shí)間：

說(shuō)明首次充氣時(shí)，4臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)工作，100 min即可充滿3個(gè)氣罐，滿足標(biāo)書要求。

3 結(jié) 論

本文提供了一種計(jì)算調(diào)相壓縮氣系統(tǒng)中儲(chǔ)氣罐容積和空壓機(jī)排氣量的思路，并利用該計(jì)算來(lái)復(fù)核了業(yè)主標(biāo)書中技術(shù)參數(shù)的合理性，發(fā)現(xiàn)標(biāo)書中有不盡合理的地方，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)合理論證，說(shuō)服業(yè)主接受了承包方的方案，從而降低了承包方的投資。

由于電廠中供給調(diào)速器動(dòng)作的另外一套壓縮氣系統(tǒng)壓力為6.3 MPa，承包方將調(diào)相壓縮氣系統(tǒng)壓力由4.0 MPa修改為7.0 Mpa，為日后用調(diào)相氣補(bǔ)充調(diào)速器中壓系統(tǒng)用氣提供了可能，這樣能充分利用調(diào)相空壓機(jī)的閑置生產(chǎn)力，而更細(xì)致的方案需要在今后結(jié)合電廠運(yùn)行實(shí)踐來(lái)完成。

[1] 代佰亮.越南宣光水電站調(diào)相排氣的研究與實(shí)踐[J].電站系統(tǒng)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.水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)模型驗(yàn)收試驗(yàn)[S].

[3] 高寧，孫俊濤，張超.越南宣光水電站機(jī)組壓水調(diào)相系統(tǒng)及其試驗(yàn)淺析[J].西北水電,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] 華彤文，陳景祖.普通化學(xué)原理[M].北京大學(xué)出版社,2005.Hua Tongwen,Chen Jingzu.Principles of General Chemistry[M].Peking University Press,2005.

(編輯 陳銀娥)

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，工程師，主要從事電站機(jī)務(wù)專業(yè)相關(guān)工作。

TK73

A

2095-6843(2017)04-0362-03