英布鲁水电站水轮发电机组选型及研究

・４６・　水利水电工程设计ＤＷＲＨＥ・２０１１年第３０卷第４期　英布鲁水电站水轮发电机组选型及研究　张泽太　高普新摘要杨富超杨　旭　重点论述孤立电网长线路供电的条件下，水轮机发电机的选型及其主要技术参数的选择和注意要点；同时　送电水轮机发电机　Ｂ　文章编号　１００７．６９８０（０１１）０４－２００４６－０３　阐述多漂浮物河流，电站厂用电仅有柴油机作为保安电源的情况下，机组的系统安全保护措施。　关键词　多漂浮物孤立电网　长线路中图分类号ＴＶ７３４．２　１　文献标识码１机组型式选择　在中国或电网容量较大的国家，水电站的容量　占电网的容量很小，电站建成后，机组的并网、运　为９５％一１００％；经过详细的分析论证，本电站毫　无争议地选择立式轴流转桨式机组，并合理地降低　机组的参数（如：转速、单位流量值等），适当加　大转轮直径，提高机组的转动惯量，增加机组的运　行稳定性。经２０１０年６月至２０１１年６月机组的调　行条件很好；即使机组出现突然甩负荷时，对电网　的冲击影响较小，同时甩负荷后，机组也能很快地　进入稳定的状态；因此大电网条件下的机组选型，　往往只考虑机组的能量效率指标高、设备及工程造　价相对便宜的机组；如在大电网条件下，像英布鲁　这样的低水头电站（设计水头１６．１　ｍ，水头范围　１６．０８　２１．３３　ｍ，单机容量为３０　ＭＷ，４台机组），　试、运行的检验，选择的机型及参数是合理的，目　前该机组成功地完成启动、停机、运行、增减负　荷、甩负荷及独立带首都布拉柴维尔供电的任务，　其运行稳定；截止至２０１１年６月该电站各台机组　的已经连续运行１０个月，并签订初步验收证书。　灯泡贯流式水轮发电机组是首选的机组。贯流式水　电站厂房较立式机组，具有土建投资省、建设周期　短、节省工程投资的优点，也是英布鲁水电站枢纽　工程投标阶段重点推荐的机型。实际上，由于刚果　２水轮机发电机主要技术参数的选择　２．１水轮机主要技术参数选择　英布鲁水电站水轮机为孤网运行，要求水轮机既　要有良好的水力性能，又要具有很高的稳定性；同　时，电站所在的河流（莱菲尼河）两岸为赤道附近的　原始森林，水流中腐植质较多，水流为弱酸性（有机　酸ｐＨ＝４．９—５．３）；当地气候炎热，常年气温较高，　英布鲁水电站为径流式水电站，河水的水温较高，实　测水温为２８—３０℃，运行初期水中含有一定量的沼　气，水流更容易汽化加剧空化气蚀。　英布鲁水电站是刚果首都电网中惟一一座大型水电　站，其建成后几乎是其独立承担首都布拉柴维尔及　北方重要城市的供电任务；且电站距负荷中心较　远，供电的距离约３２０　ｋｍ，即英布鲁水电站的供　电方式是：长线路孤立电源负荷的条件。这之前，　刚果首都的用电是长期从邻国（刚果金）购电　４０～６０　Ｍｗ。在进行重要技术方案决策中，重点研　究孤网条件下灯泡式水轮机对本工程的适用性，及　为此，在水轮机参数选择上，在关注保持较好效　率指标的同时，更注意提高水轮机的空化气蚀性能及　灯泡式水轮机与轴流转桨式水轮机的技术方案比较　问题，并进行了电网条件下的大、小波动的过渡过　程计算。计算结果表明，如采用灯泡贯流式机组，　由于电网的自调节能力小于０，灯泡贯流式机组的　转动惯量ＧＤ　值仅为２　２００　ｔ・ｍ２，无论调速器的参　数如何调整，机组在该电网中的稳定域小于５０％；　而采用轴流转桨式水轮机，尽管电网的自调节能力　运行稳定性；并在模型试验台实际测量模型水轮机的　各项性能参数指标，以验证真机的可能状态；为提高　水轮机局部抗气蚀性能，转轮叶片出口增加了抗气蚀　裙边，工程措施上，给出合理水轮机的安装高度，保　证机组无气蚀运行。选定的水轮机参数如下：　水轮机型号　最大水头／ｍ　最小水头／ｍ　额定水头／ｍ　ＺＺ６６０一ＬＨ一５５０　２０．３６　１６．０８　１６．１０　小于０，其转动惯量ＧＤ　值可达到６　６００　ｔ・ｍ２，合　理调整调速器的参数值，机组在该电网中的稳定域　张泽太等・英布鲁水电站水轮发电机组选型及研究　额定功率／ＭＷ　３０．７７　额定流量／（ｍ３・ｓ－１）　２１５　额定转速／（ｒ・ｍｉｎ　）　１０７．１　飞逸转速／（ｒ・ｍｉｎ　）　２７０　额定比转速／（ｍ・ｋＷ）　５６１．２　额定工况点效率／％　９２．５　最高效率／％　９３．５　加权平均效率／％　９２．８　安装高程／ｍ　２８６．５０　２．２发电机的技术参数选择与决策　发电机参数选择与确定是本电站又一重要技术　问题之一。　（１）为适合孤网长线路运行的要求，要求发电　机具有很好的运行稳定性及合理的转动惯量值，按　照分析计算机组ＧＤ　不小于６　６００　ｔ・ｍ２。　（２）电站的任务近期主要是多发电能担任基荷运　行，远期电网容量大了，英布鲁机组可承担调峰运行　的功能，据此，发电机需具有很好的效率指标。　（３）电站的接人系统为：机组发出电能通过自　己２２０　ｋＶ的开关站，首先送入７８　ｋｍ处的恩格变　电站（２２０　ｋＶ变电站），再送人２６０　ｋｍ处的２２０　ｋＶ　迪吉利变电站，最后送入约３００　ｋｍ处的２２０　ｋＶ杰　兰勃变电站，沿途无用电负荷，该种送电方式要求　机组具有较强的吸收容性无功功率的能力；为此，　发电机参数选择上适当地降低机组的功率因数值　（为ＣＯＳ　＝０．８５），提高其无功补偿能力，最大可　连续吸收无功能力２１　Ｍｖａｒ；正常情况下吸收无功　能力为ｌ５～１６　Ｍｖａｒ。　（４）考虑英布鲁水电站处的最大湿度为９８％，　发电机的定子线棒，转子线圈均采用优质线棒，提　高绝缘耐压水平，并在国内工厂进行线棒的绝缘耐　压抽检试验。　由于水轮发电机组采用以上技术措施，经运行　检验这些措施是十分有效和完全必要的。发电机的　技术参数如下：　发电机型号　ＳＦ３０—５６／７８００　额定容量　３０ＭＷ／３５．２９４ＭＶＡ　额定电压／ｋｖ　１Ｏ．５　额定电流／Ａ　１　９４０．７　额定功率因数　０．８５　额定转速／（ｒ・ｍｉｎＩ１）　１０７．１　飞轮力矩／（ｔ・ｍ２）　６　０００　机组旋转方向　俯视顺时针　最大连续无功补偿能力为／Ｍｖａｒ　２１　・４７・　３机组的系统安全保护措施　由于刚果的电网薄弱，机组除自身发电及柴油　发电机作为保安电源外，无其它外接电源作为厂用　电；所以在全电站失去交流电的情况下，保证机组　安全也是十分关键的技术问题。　３．１　安全的拦污系统及清污设备　设计上采用提高拦污上的设计压力为６　ｍ，增　加其刚度强度，防止其被污物及水推力压垮；清污　设备采用的悬臂梁及专用机械手抓斗。在２０１０年　５～６月英布鲁电站蓄水初期，漂浮污物堆积如山的　情况下，栏污栅及清污设备发挥了重要的作用。　３．２水轮机导水机构的弹簧连杆安全结构　作为机组从机械上安全保护的第２道防线是水　轮机导水机构的弹簧连杆安全结构。当小的树枝或　小块木头穿过拦污栅的栅条间隙，或拦污栅局部栅　条破坏使之小直径的树干、水草，穿过拦污栅进入　固定导叶、活动导叶或水轮机流道其它部分，此时　活动导叶容易被卡死，导水机构无法关闭活动导叶，　机组无法按照机组ＬＣＵ的控制要求实现停机，从而　会引起严重的事故。为解决此问题，作为安全措施　之一，水轮机的导水机构采用弹簧连杆安全机构，　当１个或几个活动导叶被卡住无法正常关闭时，该　部分的弹簧机构被拉长，保护该部分的操作机构不　被拉坏，其它导叶在操作机构的作用下可实现正常　关闭，保障机组不产生飞逸或长时间飞逸；同时在　相邻导叶关闭过程中，流道中的流速、流态发生变　化，有利于卡在导叶中的异物被水流冲走；最终卡　在导叶中的污物机组停机后可采用人工清理排除。　３．３电气测量与调速器、事故配压阀协联配合　英布鲁水电站机组，从系统设计上使调速器、　事故配压阀、接力器、导水操作机构根据电气测量　出转速的变化，制定一套完整、严密的安全系统，　以保障机组在可能出现的异常工况下的安全。　机组在正常运行时（含正常运行、启动、停　机、增加或减少负荷工况），机组负荷调节由调速　器与励磁装置的配合去完成。　当机组出现异常状态时，机组的转速升高，机　组的转速达１１０％额定转速时，调速器配压阀动　作，通过接力器、导水机构停止机组运行。　当调速器出现事故、拒动作，无法实现关闭机　组的任务时，此时机组的转速继续升高，至１４０％　额定转速时，液压系统的事故配压阀动作，直接经　过接力器、导水机构停止机组运行。　・４８・　水利水电工程设计ＤＷＲＨＥ・２０１１年第３０卷第４期　当调速器和事故配压阀均出现事故，均拒动　下，保障了机组的安全；在英布鲁水电站的机组调　试及１１个月运行中，该系统发挥了重要的作用。　３．６进水快速闸门　时，此时机组转速继续升高、达１５８％额定转速　时，机组ＬＣＵ直接给进口快速闸门（位于水轮机　进口流道上）下达关闭指令，快速闸门可实现２　快速闸门是作为机组安全保护及厂房防止水淹　ｍｉｎ（实际是１．４６　ｍｉｎ）关闭，切断水流而停机。　３．４机组的安全两段关闭装置　英布鲁水电站为河床式水电站，引水流道相对　较短；由于水头低（设计水头为１６．１　ｍ），水轮机的　单机过流量较大（水轮机的额定流量为：２１５　ｍ３／ｓ），　机组正常停机和事故停机过程中，防反向水推力和　防止抬机是必须解决的问题，专题研究计算成果及　工程运行实际经验都证明了这一点。为此，除其它　措施外，本工程水轮机导叶的采用两段关闭措施是　解决此问题的关键的、有效的措施之一。　当机组的停机由调速器完成时，调速器液压操　作系统可以实现两段导叶关闭的功能：第１段为快　速关闭，关闭时间为８　ｓ；第２段为慢关闭，关闭　时间为１５　ｓ，拐点位置为导叶２０％开度。桨叶关闭　时间为４０　ｓ。经过计算，最大压力上升和转速上升　发生在额定工况下甩全负荷时，计算值如下：　蜗壳进口最大水压／ｋＰａ　２３０　最大压力上升／％４２　最大转速上升／％４１　尾水管最小压力／ｋＰａ　２７．７　当调速器拒动，机组的关机由事故配压阀及其　相关装置实现时，通过导叶位置信号及机组ＬＣＵ　控制指令，使事故配压阀的两段关闭阀组实现对导　叶的两段关闭功能。　３．５机械防飞逸装置　目前，英布鲁水电站是刚果布首都惟一的重要　的电源点，由于该国家的电力建设还在刚刚起步阶　段，无法像中国或其它电力发达国家那样，为水电　站运行控制提供可靠的交流外接电源（第２厂用电　源）；电厂内部的直流控制电源，由于其模块在高　温高湿度的条件下使用，对其安全性也有一定的影　响；电站的备用保障电源——柴油发电机采用自动　启动方式，但柴油机的启动需要一定的时间（３０～　１２０　Ｓ）才能完成。为保障机组安全，本工程设置　了机械防飞逸安全装置，该装置安装在水轮机的主　轴上，当机组的转速达到１５８％额定转速时，机械　防飞逸的机械装置的舌瓣碰击压力控制油阀，油阀　开启给接力器供油，导水机构关闭导叶停机，同时　给进水口快速门输出无源节点信号，关闭快速闸　门。机械防飞逸装置在全厂失去电源的极端情况　的最后保护措施。在英布鲁水电站所在河流（莱菲　尼河）漂浮物多、电站厂用电保障率低的特殊条件　下，电站进水口采用快速闸门作为机组防飞逸、防　事故扩大、保护电站厂房安全的最后措施，是十分　有效合理的，经运行检验该项措施也是十分必要　的；可作为成功的经验为类似电站采用；在英布鲁　水电站的初期调试、试运行、运行过程中，快速闸　门与其它安全系统配合，很好地保障了机组及电站　厂房的安全。　３．７安全的测速系统　测速系统是水电站机组运行、控制、事故判断、　事故处理、设备动作的重要信息之一。英布鲁水电站　的机组采用可靠齿盘测速装置作为主要测速方式，同　时残压测速作为备用的测速方式；两种测速均可以实　现机组、调速器、励磁装置、保护装置的控制、动　作、保护信号。在两种测速方式均失效时，机械防飞　逸装置承担了机组及电站安全最后保障。　４结语　刚果英布鲁水电站４台机组已于２０１０年６月　１６　Ｅｔ前进行了各项试验及完成７２　ｈ试运行，截止　至２０１１年６月８日，机组顺利地完成３０　ｄ的考验　运行及近ｌ０个月的商业运行；机组成功地实现独　立给首都布拉柴维尔供电，并根据用电量的变化增　减负荷，机组运行平稳。机组在运行中，发电机的　无功补偿能力稳定在１５—１７　Ｍｖａｒ，机组在启动或　停机过程中无功功率达１８～１９　Ｍｖａｒ，在设计的预　定范围内。机组在试验调试、７２　ｈ试运行、３０　ｄ考　验运行及商业运行中，机组的安全保护系统很好地　保证机组的安全。　作者简介　张泽太男　教授级高级工程师　中水北方勘测设计研究　有限责任公司　天津３００２２２　高普新女高级工程师　中水北方勘测设计研究有限责　任公司　天津３００２２２　杨富超男　工程师　中水北方勘测设计研究有限责任公　司　天津３００２２２　杨旭　男　助理工程师　中水北方勘测设计研究有限责　任公司　天津３００２２２　（收稿日期２０１１—０８—０８）