黄河龙口水利枢纽水力机械设计

马韧韬 郑淑华 高普新

龙口水利枢纽工程的主要任务是对上游万家寨水电站调峰流量进行反调节,使黄河万家寨水电站—天桥水电站区间不断流,并参与晋、蒙两电网调峰发电。

龙口水电站型式为河床式,左岸布置电站厂房,右岸布置大坝的泄流建筑物,装机容量420mW,多年平均发电量13.02×108kW◦h,年利用小时数3100 h。为了实现龙口水库对万家寨电站调峰流量的完全反调节,龙口水电站装设4台100mW大机组用于晋蒙电网调峰,另装设1台20mW小机组用于非调峰期向河道泄放基流,小机组参与基荷运行。

水轮机最大工作净水头36.1m(小机组36.7 m),加权平均水头33.2m,最小净水头23.6m,额定水头31m。

1 水库调节特性和运用方式

龙口水库非汛期为季调节、汛期为日调节。水库采用“蓄清排浑”运用方式。

7～9月为汛期,水库在死水位888.0m至汛限水位893.0m之间运行,其中8、9两个月为排沙期,水库在低水位作日调节运行。水轮机在净水头23.6～30m、过机平均含沙量11.47～19.29 kg/m3的含沙水流条件下运行。即水轮发电机组将在高含沙量、低水头、部分负荷工况下运行。排沙时库水位由死水位888.0m降至排沙水位885.0m,水轮机停止运行。

10月份是汛期的后期,在保证发电要求条件下水库自893.0m水位开始蓄水,10月中旬库水位蓄到894.0m。从11月初至翌年6月下旬水库水位保持在正常蓄水位898.0m,相应的净水头约为35～36m,历时7个多月,此时为“蓄清”期,水轮机基本在清水条件下运行。

6月下旬库水位由正常蓄水位898.0m降至汛限水位893.0m,迎接汛期。

2 水轮机

2.1 初步设计阶段水轮机参数

水轮机比转速ns和比速系数K是反映所选择水轮机的能量指标和制造水平的重要参数。对于多泥沙电站,选择水轮机比转速时必须考虑泥沙对转轮的磨蚀破坏作用,为此,初设阶段提出龙口水电站大机组水轮机的比转速ns=360～420m◦kW,比速系数K=2004～2338,在此比转速的基础上,按照国内厂家的制造水平及发展趋势,进行了水轮机参数预测。初设阶段初步确定的大、小机组水轮机参数如下:

水轮机参数名称 1#～4#水轮机 5#水轮机水轮机型号 ZZ410-LH-710 HLA551yy-LJ-330转轮直径D1/m 7.13.3额定转速 nr/(r◦min-1) 93.8136.4额定水头Hr/m 3131额定流量 Qr/(m3◦s-1) 36672.9额定出力Nr/MW 102.520.62最高效率 ηtmax/% 94.094.2额定工况点效率 ηtr/% 9293额定工况点 σm ≤0.4 —最大出力Ntmax/MW 112.5 —吸出高度Hs/m -7.2 +2.64额定点比转速ns/(m◦kW)410267

2.2 最终的水轮机参数

2006年3月开始机组招标、评标,经专家评审、合同谈判,最后确定由天津阿尔斯通水电设备有限公司承担1#～4#水轮发电机组(大机组)的成套供货,由南平南电水电设备制造有限公司承担5#水轮发电机组(小机组)的成套供货。根据龙口水电站的运行条件,天阿公司研制开发了新转轮,转轮为6叶片,轮毂比为0.45。最终的大、小机组水轮机参数如下:

供货商 天津阿尔斯通公司南平南电水电设备公司水轮机型号 ZZ6K069A0-LH-710 HLA904a-LJ-330台数 41

转轮直径/m 7.13.3最大水头/m 36.136.3最小水头/m 23.623.6额定水头/m 3131额定出力/MW 102.520.619额定转速/(r◦min-1) 93.75136.4额定流量/(m3◦s-1) 357.5673.62额定效率/% 94.4992.1最高效率/% 95.2695.52最大出力/MW 112.75 —吸出高度/m -7.2 +1.0比转速/(m◦kW) 410219.5飞逸转速/(r◦min-1) 260(非协联) 264

技施设计阶段,根据制造厂提供资料及厂房布置要求,确定1#～4#水轮机吸出高度Hs为-7.2m,安装高程为857.00m,尾水管底板高程为837.47 m;确定5#水轮机吸出高度Hs为+1.0m,安装高程为860.60m。

3 调速系统及防飞逸措施

1#～4#水轮机调速器为WDST-100型微机双调电液调速器,主配压阀直径100mm,压力等级6.3 MPa;5#水轮机调速器为WDT-80型微机单调电液调速器,主配压阀直径80mm,压力等级6.3 MPa。

电站进水口不设快速门,仅设事故门。机组防飞逸措施主要采用事故配压阀及纯机械过速保护装置。当机组甩负荷,而调速系统主配拒动不能关闭导水机构,当收到主配拒动信号且转速升高到115%额定转速,或者机组电气过速达到140%额定转速,这两种情况下,事故电磁阀均动作,使事故配压阀接通压力油,主接力器迅速关闭,紧急停机,从而防止机组飞逸;当机组转速继续上升到150%额定转速时,机械过速保护装置动作,使机械油路畅通,直接把压力油通过事故配压阀引入导叶接力器的关闭腔使导叶迅速关闭,紧急停机,起到对水轮机过速保护的作用,防止转速过度升高造成对机组的损害。

此外,大机组采用动作灵活补气量大的真空破坏阀作为防止抬机的主要措施,其次在调速系统中导水叶采用分段关闭装置,有效地防止机组甩负荷过程中的抬机。

4 辅助设备系统

4.1 主厂房起重设备

主厂房共安装4台100mW的轴流转桨式水轮发电机组和1台20mW的混流式水轮发电机组。根据水力发电厂机电设计规范(DL/T5186—2004)中的4.4.2条文说明,本电站宜采用1台主起重机,另装1台起重量小的副起重机,以提高机动性,加快安装、检修进度。

主起重机主钩起重量根据起吊大机组发电机转子连轴及起吊工具的重量计算,发电机转子质量约440 t,起吊工具(平衡梁)质量约15 t,转子连轴+起吊工具质量为455 t。副起重机主钩起重量根据起吊小机组发电机转子连轴的重量计算,转子连轴+起吊工具质量为120 t+5 t=125 t。

根据主厂房安装、检修需要,通过经济比较,选择了1台起重量为2×250 t的双小车起重机和1台起重量为150 t的单小车起重机。因大、小机组都在一个主厂房内布置,且发电机层同高,所以,主、副起重机跨度均为25m,且共轨使用。

4.2 技术供水系统

本电站为多泥沙水电站,根据各用水部位对水质、水压的不同要求,按非汛期机组冷却器供水、汛期机组冷却器供水、主轴密封供水三部分设计。

非汛期机组冷却器供水采用自流供水方式。由各台机组蜗壳取水,通过技术供水总管并联,水源互为备用。为了防止泥沙污物沉积在机组冷却器及管路中,机组各冷却器供水采用正、反向供水方式,定时切换。每台机组设2台自动清污滤水器,2台滤水器互为备用,可在线自动排污。

汛期机组冷却器供水采用尾水冷却器冷却、水泵加压的清水密闭循环冷却供水方案。机组冷却水的循环路径是:循环水池→水泵→尾水冷却器→机组各冷却器→循环水池,该方案通过尾水冷却器交换热量。根据万家寨水电站的运行经验,发电初期泥沙不会淤积到库前,过机含沙量较少,汛期完全可以从水轮机蜗壳取水,所以近期不安装尾水冷却器,将来视过机泥沙含量情况再安装。

主轴密封供水及深井泵润滑供水主水源引自电站左岸平洞的清水池,清水池的水来自两口地下深井。备用水源采用机组蜗壳取水。

4.3 排水系统

电站检修排水包括4台大机组检修排水、1台小机组检修排水和排沙钢管检修排水,所有检修排水均采用排水廊道和集水井相结合的间接排水方式。大机组检修排水时蜗壳内的积水通过蜗壳排水阀排入尾水管,然后通过2个尾水管排水阀排入检修排水廊道及集水井;排沙钢管检修时的内部积水由排水阀直接排入检修排水廊道及集水井。集水井内安装3台防泥沙型立式长轴泵,将水排至下游尾水。集水井清污采用1台移动式潜水排污泵(全厂集水井清污共用),检修排水廊道清污采用压缩空气吹扫或水冲洗。

厂房及1#～10#坝段渗漏排水主要包括排除水轮机顶盖漏水、部分辅助设备及管路排水、发电机消防排水、厂房水轮机层、出线层排水沟排水、1#～10#坝段坝基坝体渗漏水排水等。厂房渗漏排水采用渗漏排水廊道和集水井的排水方式,各部分渗漏水汇集到排水廊道和集水井,安装3台立式长轴泵,2台工作,1台备用,将渗漏水排至下游尾水。

在主厂房副安装场下部设置一渗漏集水井,汇集11#～19#坝段坝基、坝体渗漏水。安装3台立式长轴泵,2台工作,1台备用,将渗漏水排至下游尾水。渗漏集水井清污采用移动式潜水排污泵。

在靠主厂房左岸下游灌浆排水廊道末端,设置一渗漏集水井,安装3台潜水排污泵,2台工作,1台备用,将电站下游灌浆排水廊道渗漏水排至下游尾水。

消力池排水主要是减轻消力池底部的扬压力,消力池渗漏水汇至消力池排水廊道,在消力池右边墙设集水井,安装3台潜水排污泵,2台工作,1台备用,将水排至下游尾水。

4.4 压缩空气系统

压缩空气系统包括中压压缩空气系统和低压压缩空气系统。

中压压缩空气系统主要用于4台轴流转桨式机组和1台混流式机组调速系统压力油罐供气。额定工作压力为6.3 MPa,均采用一级压力供气方式。本系统设置3台空气压缩机、2个中压储气罐,额定压力为8mPa。

低压压缩空气系统主要用于机组的制动用气以及水轮机检修密封、吹扫和风动工具用气。本系统设置3台低压空压机、2个制动用储气罐和1个检修用储气罐,额定压力为0.8MPa。

4.5 油系统

油系统包括透平油系统和绝缘油系统。透平油系统主要用于机组润滑和调速系统操作用油,透平油牌号为LTSA46汽轮机油;绝缘油系统用于主变压器油,绝缘油牌号为25#。

本电站透平油和绝缘油系统分别设置油库及油处理室,用于接受新油、油的贮存、油净化处理、用油设备的充排油,所有油处理设备均为移动式,可在油处理室、机旁(变压器旁)进行滤油。

因为主变压器一般充排油间隔时间较长,所以没有设置永久固定的充排油管,油库及油处理室距离主变压器较近,采用软管连接充排油或者采用移动式加油车补充油。

（4）管理。小湖泊精养小龙虾，由于放养密度大，仅依靠天然生物饵料不能满足鱼类、小龙虾类生长的需要，因此应适当进行投饲施肥。在日常的管理工作中，要重点做好以下几点工作：一是改善水域条件，提高水体肥力，方法是可以通过人工施肥来提高湖泊水体肥力，常用的是无机肥料，每亩面积可施用尿素1.5～2.5kg，碳酸氢铵2.0～3.0kg，效果很好；二是抓好鱼种配套、苗种放养、投饲施肥、防逃防病、合理捕捞等技术措施。

4.6 水力监测系统

本电站设置了全厂性监测项目和机组段监测项目。

全厂性监测项目有上游水位、下游水位、1#～5#机拦污栅后水位,均采用投入式水位计测量。根据监测的上游水位、下游水位,可以计算出电站毛水头,根据监测的上游水位、拦污栅后水位,可以计算出拦污栅前、后差压。全厂性量测项目在全厂水力量测盘上集中显示。

机组段监测项目有水轮机流量、蜗壳进口压力、尾水管出口压力、蜗壳末端压力、顶盖真空压力、尾水管进口真空压力、尾水管压力脉动、机组振动、摆度、水轮机轴位移。在发电机层上游侧设置状态监测盘,盘面上设有机组段监测值的数字式显示头。

5 水力机械厂房布置

本电站厂房布置为河床式,主厂房发电机层左右端为主、副安装场。主厂房的尺寸主要由大机组控制,为了运行维护管理方便,也为了厂房美观,小机组各层高程与大机组一致。水力机械辅助设备布置在主、副安装场下部和尾水管上部房间内。

大机组为轴流转桨式机组,经对发电机风罩、蜗壳、尾水管最大外形尺寸的计算比较,机组段长度主要受尾水管尺寸控制。考虑机组附属设备及主要通道,吊物孔及楼梯等的布置,蜗壳、尾水管混凝土保护层厚度及中墩厚度,确定机组段长度为30m。小机组为混流式机组,机组段长度主要受蜗壳外形尺寸控制,确定机组段长度为15m。

厂房上游侧宽度受大机组发电机风罩控制,下游侧宽度受大机组蜗壳尺寸控制。考虑到设备管道布置及通道等要求,确定厂房上游侧净宽12m,下游侧净宽13 m,总宽度为25m,桥机跨度为25m。

本电站设有主、副两个安装场,主安装场位于厂房左端,紧邻1#机组;副安装场位于厂房右端,紧邻5#机组。根据1台大机组扩大性大修要求,在安装场需放置机组六大件:发电机转子、发电机上机架、水轮机转轮、水轮机顶盖、水轮机支持盖、推力轴承支架。根据各部件尺寸,确定主安装场长度为40m,布置发电机转子、发电机上机架、水轮机转轮、水轮机支持盖;副安装场长度为12m,布置水轮机顶盖、推力轴承支架。

大机组安装高程为857.00m(导叶中心线),尾水管底板高程为837.47 m。水轮机层地面高程由安装高程、蜗壳进口断面高度和蜗壳上部混凝土厚度等综合确定,根据水工结构布置要求,电站的水轮机层地面高程为864.80m。根据水力机械、电气设备等布置需要,设发电机出线层,地面高程为868.60m。根据水轮发电机组的尺寸、水轮机机坑进人门高度、厂外地面高程等,确定发电机层地面高程为872.90m。桥机轨道顶高程按起吊转轮带轴高度加支持盖高度约为15m、吊具总高度为1m确定,总高度为16m,并留有一定的安全距离,确定轨顶高程为889.80m。

发电机层第Ⅰ象限布置油压装置和调速器机械柜;主安装场及每台机组均设有吊物孔;每台机组下游侧设楼梯,可通向出线层、水轮机层、下游侧副厂房、蜗壳进人廊道、尾水管进人廊道及盘型阀操作廊道;主、副安装场均设有上桥机的爬梯;主安装场上游布置工具间和起重工具室。

出线层机墩外第Ⅰ象限布置事故配压阀。贯通全厂的消防水供水管、供气管、供排油管分别靠上游墙布置。

水轮机层的机墩外布置发电机空冷器、机组各个轴承油槽的供排水阀门及管路,推力轴承高压油减载装置;上游侧第Ⅰ象限布置滤水器;第Ⅲ象限布置空气冷却器总排水阀组;第Ⅳ象限布置测量仪表盘及其它测量仪表,制动和顶转子阀组等。贯通全厂的主轴密封供水管及供水阀组分别靠上游墙布置。

6 结 语

龙口水电站水力机械设计根据其运行要求和本工程的特点进行,工程竣工后是否能够充分反映设计思想,发挥应有的效益,一方面要依赖于设备供货厂家按照设计要求供货,施工单位的精心施工,监理单位的贯彻监督,另一方面也要求运行单位按照设计要求进行运行及维护。设计、制造、施工、监理、运行等各方的密切配合,通力合作,才能为业主打造一个优质工程。