高水頭小型水電站供水系統設計

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之前介紹在線調節減壓閥，現在介紹高水頭小型水電站供水系統設計根據我國小型水電站多為高水頭、引水式的小容量水電站的特點，結合實際工作情況，通過對主要的小型水輪發電機設備制造廠及投用后的小型水電站的實地走訪，對高水頭小型水電站的水輪機設計選型進行優化，在機組訂貨和施工設計時就采取相應改進措施，達到控制投資、增加實效的目的。
關鍵詞：高水頭；小型水電站；設計優化 
一、高水頭小型水電站供水系統設計小型水電站水輪發電機組的選型措施要點
由于水電站的選址及設計必須根據開發河段的水力資源和開發利用的情況的不同進行選擇，根據水電站的工作水頭和引用流量范圍的不同，為了使水電站經濟安全和率的運行，就會有不同類型和型式的水輪機來適應各種水電站建設的需要。

在進行水輪機選型時應收集以下資料：

①各類型水輪機產品的技術資料，包括水輪機系列型譜、生產廠家、產品目錄、模型綜合特性曲線等數據。

②水電站擬建站址的相關技術資料，包括河流梯級開發方案、水庫的調節性能、水電站布置方案、地形、地質、水質、泥沙情況、總裝機容量、水電站運輸、安裝技術條件等等。

③當地的水文、水能資料，包括特征流量及特征水頭(Qmax、Qmin、Qav、Hmax、Hmin、Hr、Hav)、下游水位流量關系曲線等。④擬建水電站相關的技術經濟數據及資料，比如水電站機電設備的造價、工程單價及概預算措施及電站維護費用投入等等。
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,水減壓閥根據這些資料進行綜合考慮，小型水電站一般根據水輪機系列型譜選擇水輪機型號。水輪機型號的選擇主要取決于水頭。各種水輪機都有一定的使用范圍，根據電站運行水頭的范圍，直接查系列型譜，確定水輪機的型號。

1技術供水對象和基本要求

1.1技術供水對象水電站的用水設備隨電站規模和機組型式而不同。中小型水電站主要有組軸承油冷器供水、水輪機導軸承的水潤滑供水、發電機空氣冷卻器供水、水冷式空壓機供水、油壓裝置的冷卻供水等。

1.2基本要求用水設備所需的水量由制造廠提供,在初步設計時可參考類似的電站機組或用經驗公式、曲線圖表等進行估算。供給用水設備的水必須保持一定的壓力,壓力過低時不能維持要求的流量,壓力過高時可能使用水設備損壞。中小型水電站機組的技術供水水壓一般為0.1—0.2MPa。2技術供水凈化處理二、小型水輪發電機組的構造類型及優劣勢比較
小型水輪發電機組一般有沖擊式水輪機和混流式水輪機兩種應用較廣的構造方式。沖擊式水輪機構造簡單、出力變化時對機組效率影響較小，特別是其折向器的作用對調度保護比較有利，可節省調壓井等水工建筑物的造價。但是由于其轉速較低，機組體積大；發電效率不高，而且導致水工建筑物及引水渠構造較為復雜，不太適用于一些引水式的小型水電站建設。
而混流式水輪機則剛好相反，它轉速高，機組體積小，運轉可靠效率較高，并且有適應水頭范圍寬的優勢，還可利用尾水管回收能量，進而減少廠房開挖工程，投資效率及回報率更高。但是由于其在低負載時機組效率降低較多，在水位不穩定的地區難以發揮效用。

三、兩種小型水輪發電機組價格及生產情況對比
經過對廣西、云南、福建、浙江幾個省及自治區主要水輪發電機設備制造廠的實地走訪，大部分廠家表示這兩種機型都可以生產供貨，但是對高轉速機組的運行都有所擔心，進而采用沖擊式機組較多。在初步報價上，兩種機型的水輪機和發電機主設備價格相差較大，沖擊式的機組是混流式機組的一倍以上。
在初步設計方案的研討中，設計院提出，如果選用混流式機型，經過對這兩種機型的輔助設備配套和水工建筑物不同方案的投資對比，在土建、水工部分的造價上選用混流式機組的話還可以節省很大一部分投資。而且在水源及水能穩定的水利條件下，整個運行將較為理想。高水頭水電站一般時間在較高出力區運行，既使蓄水區域的水庫水位變化，機組也可以在較率范圍內運行，因此針對高水頭的水電站，選擇混流式水電站比沖擊式水電站更為。
四、實地考察高轉速混流式水輪發電機組的運行問題
根據廠家提供的資料對廣西、云南及福建三省已經投入使用的混流式水輪發電機組進行實地考察，特別考察其穩定運行狀態。經考察已建成并發電的龍巖大片溪水電站和漳平嶺兜水電站的４臺機組，發現其運行主要問題有：機組轉速高、噪音大，軸承溫度偏高，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，維護工作量大，而且由于供油或供水系統發生故障時，容易發生被迫停機維修而影響正常發電，穩定性較差。

五、高水頭小型水輪機組設計優化措施
針對運行中的高水頭小型水輪機組的運行維護困難這樣的情況，設計院與設備制造廠家進行了方案研討，做出以下優化措施建議：
1、推力軸承采用尼龍軸瓦，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。簡化供油供水系統，減輕運行人員的維修工作量及事故發生率。
2、供水采用頂蓋取水，改變水泵供水方案，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，并在供水總管設置壓力控制器和排水電磁閥等元件，電氣自動化回路設計中增加了供水壓力過高時的自動排水降壓，過低時自動開啟供水泵增加供水壓力和水量。
3、發電機采用空冷器密閉循環空氣冷卻，并采用密閉降噪等方式降低機組噪音影響。
六、優化設計措施的試 運行效果分析
在三斗水庫電站中，采用了以上的水輪發電機組優化措施，經過該電站交付運行并完成72小時試運行之后，對其優化措施效果進行分析如下：
1、試運行時大壩蓄水尚未達到設計高程，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99%負荷的壓力、轉速上升率均能符合設計和運行條件的要求。
2、作為高水頭小轉輪臥式混流式水輪機采用頂蓋取水，按設備制造廠的技術資料，技術供水的壓力為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，隨著大壩的繼續砌筑和水庫水位的升高，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。
3、取消軸承潤滑油，由油泵供油外循環冷卻的供油系統方案可行。2臺機組在72小時試運行中，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，均符合設備制造技術文件和規范規定安全運行的要求。
4、機組運行穩定、噪音明顯降低機組安裝各部間隙、擺度達到規范的優良水平。在甩99%負荷時，測量推力軸承大振幅0.01mm，垂直振幅0.005mm～0.015mm，聯軸器擺度0.2mm～0.25mm，機組運行穩定。

七、結束語
經過電站設計優化及試運行表明，采用混流式發電機組的高水頭小型水電站，經采用設計優化措施后，整體運行情況良好，優化措施得力，經濟效益客觀。而這一系列設計優化選型措施將為今后高水頭、小容量的水輪發電機組選型設計擴大選型范圍提供了很好的借鑒經驗。與本產品相關論文：斯派莎克蒸汽減壓閥在化纖管路應用