北美水电站水轮机选型采用的新工具

[加拿大]詹姆士.L.戈登 约翰.P.克里斯滕森

余 林 译自美刊《水电评论》2009年第 9期

对于某一坝址的水电站,其最优初步设计要求细致地评估水轮机技术、发电设备的费用和电站各种配置的经验费用数据。计算机程序 HydroHelp1是有助于水电工程开发商选择水轮机与电站厂房最佳组合设计的评估工具。该程序将必要的分析工具、最新技术信息和经验费用数据组合在一起,使用户能进行水电站的初步设计。这只是一个初步设计,应校核并扩展成最终设计。

该程序是在加拿大自然资源部的矿物和能源技术中心的支持下开发出来的,这是一家加拿大的能源、科学和技术研究机构。HydroHelp1可在互联网上免费获得,网址为 www.hydrohelp.ca。

1 作 用

现在有许多不同类型的水轮机,从卧轴低水头小型灯泡式机组到大型高水头冲击式机组。例如,对于小到中等流量(5～320m3/s)和水头(3～444 m)组合的可能坝址,有28种水轮机型号可供选择。缩减规格后,仍然可有几种型号的选择范围。例如,对于220m水头和5 m3/s的流量,可选用 9种类型的水轮机。由于适用的水轮机类型很多,因此为一处具体坝址选择最优水轮机就成为一个具有一定难度的过程。

水轮机出力大于1 MW时,HydroHelp1程序可在选型过程中提供帮助。程序使用的所有算法都基于吉姆◦戈登(Jim Gordon)所写论文中包含的数据。

1.1 水轮机初选

HydroHelp1程序占用2 M内存在微软 Excel2003上运行。用户完成程序时,可得到的打印输出长达 4页,外加一可选的封面。

程序要求用户输入13个描述水轮机需求的参数。这些参数或者从现场条件已知,或者由程序用户选择(例如期望的机组台数,发电机功率因素和物价上涨率)。这13个输入参数是满足初选水轮机所提供的单独关于设备费用的信息。为了更为直观地说明,输入的参数和数据是:

(1)最大水头时,蓄水池水位为 405.0m;

(2)低水头时,蓄水池水位为 404.0m;

(3)引水管道水头损耗的百分比为2.5;

(4)正常尾水位为 380.0m;

(5)洪水尾水位为 398.0m;

(6)电站设计流量为 80.0m3/s;

(7)所需机组为2台;

(8)夏季水温为15℃;

(9)输电系统频率为50Hz;

(10)发电机功率因素为 0.90;

(11)最大允许变速箱功率为2 MW;

(12)发电机品质(实用型或工业型)为工业型;

(13)2008年后的物价上涨率为1.01。

上述实例中,应注意洪水尾水位的大幅提高。提供上述参数及数据,旨在举例说明这种洪水位对设备选型的影响。

为了帮助程序用户,程序中的几个注释单元可为数据输入提供帮助。例如,对变速箱的注释是“增速器功率可达约13 MW左右。但是,超过 4 MW左右时,其使用是有争议的,超过10MW时,不应考虑使用变速箱。降低变速箱容量到水轮机输出功率之下,看其对费用的影响。”与发电机品质有关的注释可以指导用户为坝址选取出力小于10MW的工业型发电机。有了这些注释单元,就无需用户手册了。

HydroHelp1使用上述数据在程序中详细计算各种水轮机的运行范围,然后程序根据机组台数、水轮机容量、转速、转轮大小、水头和流量等进行校核,以确定每种水轮机在运行范围内是否合适。程序会舍弃不适于具体坝址的水轮机。例如,如果坝址的水轮机少于 3台,程序不会选择一台定桨式机组,因为小流量时这种机组的转轮效率低,所以需要输入机组数量。如果上游水位变化很大,程序也会舍弃定桨式机组。

依据计算结果,程序提供适用的水轮机类型清单,并提供水 -电网的发电机组费用估算。

HydroHelp1包含一个子程序,根据引水管道的长度、毛水头、电站运行容量因数和设计标准——实用型(损耗小)或工业型(损耗多)来估算可能的最优水头损耗。用户可选择程序推荐的水头损耗或任何其他损耗,作为引水管道水头损耗百分比的输入量。

程序还可为选定的水轮机计算一些基本参数,例如转速、所需的厂房起重机起吊能力和发电机组容量。将程序为其推荐的反击式水轮机机型(卧式机坑或小型灯泡转桨式水轮机组)及冲击式水轮机机型(如果无适用的冲击式水轮机,则选择反击式水轮机)所计算出的一些基本参数列于表1。起重机的起吊能力是根据起吊卧式机组的转子和定子的能力,对立式机组则只需根据起吊转子的能力来计算。

表1 推荐的水轮机机型

表1中所列出的数据说明了特定流量和水头所适用的水轮机选型范围。在该实例中,HydroHelp1显示了适用的水轮机清单,包括卧式小型灯泡转桨水轮机、卧式“S”型转桨水轮机和立式“Saxo”轴流转桨水轮机(S型机组的流道形似字母“S”,Saxo水轮机的流道类似萨克斯管)。如果用户不愿选用程序选择的特定水轮机,那么可以在程序选定的水轮机机型旁插入一个零来取消选择,然后程序会根据费用返回到下一个最合适的水轮机。

由 HydroHelp1提供的水轮机费用只可视为一个估算,极易受程序未分析的情况所影响。例如,制造商也许已有一个为另一坝址设计的合适的水轮机设计方案。这样就可以降低供应水轮机的费用,因为所有的设计工作已经完成。为此,程序提供了所有的适用水轮机的相关费用,允许用户考虑作为替代方案。程序根据欧洲产的水 -电网的发电机组提供设备费用。预计亚洲产设备可降低费用。

水电设备的费用估算算法需要每年更新,因为是用高于一般费用通胀率来计算最新设备费用的。从2006年年中到2008年11月,设备费用大约上涨了 40%～60%。这是因为材料的大幅涨价、不断增加的运输费用、全世界对水轮机的大量需求和水电设备制造商数量的持续减少。

1.2 利用相关数据精选机型

在具体坝址上修建的厂房外形和费用取决于水轮机的机型。水头低于 30m时,适用的水轮机很多,这点尤其重要。例如,洪水期间坝址将遭遇尾水大幅上涨,在这种情况下,可使用立式或卧式机组。但是,对于卧式水轮机来说,为了承受高水位,可能需要大量额外的混凝土来加固厂房。更好、更经济的方案应该是选取立式水轮机,而这将需要更高更窄的厂房结构。这种厂房结构占地面积较小,因此将减少所需的混凝土数量,从而降低费用。

HydroHelp1的特点是根据修建厂房的费用来选择水轮机的机型。这样就要求输入一些其他数据,这些数据很容易从随意的现场检查和与可靠承包商的讨论中获得:

(1)覆盖层开挖的费用,＄/m3;

(2)岩石开挖的费用,＄/m3;

(3)混凝土的费用,＄/m3;

(4)墙壁和屋顶的费用,＄/m2;

(5)上部钢结构的费用,＄/t;

(6)发电厂房岩石平均高程值,m;

(7)厂房覆盖层的平均深度,m。

利用这些数据,程序即可以计算出厂房的基本大小和费用(参见表2)。程序假定厂房是建造在坚固的岩石(大约为水轮机层)上,如果岩石低于该层,计算结果就会出现一负值,用户可以同时看到一警告注释,从而使厂房远离岩石高程之上。

表2 精选的水轮机机型

2 工具的精度

为了验证 HydroHelp1的精度,作者对比了大约15项水电工程的实际资料,并对结果进行测试。在所有情况下,测试结果证明了程序所推荐的水轮机选型是适宜的。

程序原本设计是提供给小水电开发商使用,但也可用于大型工程。加拿大 95MW的高瀑布电站工程,业主为博勒菲可再生电力有限公司(Brook field Renewable Power Inc.),该工程就是HydroHelp1测试结果与已有信息对比的实例(见表3)。对比是根据机组额定流量112 cm3/s、额定水头44.8 m、尾水位高程216.5 m的情况进行的。

表3 HydroHelp1的输出数据与加拿大高瀑布电站实际数据的对比

3 动态工具

到2009年 6月底,在美国、加拿大和世界范围内,已有600多位用户下载运用了 HydroHelp1程序。

鼓励程序用户向 HydroHelp1开发者提供有关程序和费用资料的反馈。反馈将用于进一步改善和更新费用的算法。

计划于2010年完成下一次的程序更新,修正小机组的性能包络线,以反映科研创新的新进展。