河南省禹门河水电站水力机械设计（张新伟,史红丽,胡会永,李红帅）

［摘 要］ 简要介绍了禹门河水电站工程的水力机械设计，包括水轮发电机组及其附属设备的选型及主要参数选择、电站水力机械辅助系统设计及主要设备布置。

［关键词］ 水力机械 辅助系统 设计 禹门河水电站

1 电站概况

禹门河反调节水库位于河南省洛宁县兴华乡禹门河村，黄河一级支流洛河干流上，为洛河洛宁段水电规划开发的第四级。作为上游已建故县水库的反调节水库，禹门河水库主要用来消除故县电站调峰运用对下游梯级电站、工农业用水的不利影响，兼顾发电。

水库总库容2 810万m3。水库正常蓄水位413.50m，死水位411.00m。设计洪水位420.51m，校核洪水位425.30m。大坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高61.50m，坝顶总长213.25m，由挡水坝段、溢流坝段、排沙孔坝段、电站坝段组成。

坝后式电站厂房由主机间和安装间组成，主厂房尺寸为43.84m×13.94m（长×宽），其内布置3台容量为3.5MW的立轴混流式水轮发电机组。副厂房布置在主厂房上游侧，其尺寸为43.84m×6.94m（长×宽）。

电站额定水头21.6m，总装机容量10.5MW(3×3.5MW)，年平均发电量4 668万kW.h，年利用小时4 445h。

2 电站基本参数

禹门河水电站主要参数如下：

(1) 水库水位

正常蓄水位：413.50 m，死水位：411.00 m。

(2) 电站尾水位

最高尾水位：393：20 m，最低尾水位：390.80 m。

(3) 电站水头

最大水头：22.2 m，最小水头：19.8 m,额定水头：21.6 m

(4) 装机容量

总装机容量10.5MW(3×3.5MW)。

3 电站主机设备的选型及参数

3.1 水轮机的选型及主要参数

3.1.1 机型选择

根据电站的运行水头范围，在中小型水轮机型谱中较合适的模型转轮型号有：HL240、HLD74。其模型转轮的基本参数如表1。

从表1所列数值比较看出，HL260/D74模型转轮在能量指标和空化性能方面均优于HL240机型。另外，HL260/D74转轮在限制工况下的过流量也稍大于HL240转轮。

需要说明的是该水头段也可以选择轴流定浆机型，整台机组造价稍有降低。但由于定浆机组的运行范围较小，偏离额定运行点后效率将急剧下降，其真机最高效率较混流式约低2%，长期运行将带来较大的经济损失。所以对轴流定浆机组方案未作进一步比较。

经综合比较，选定HL260/D74作为推荐机型。

3.1.2 装机台数方案

根据禹门河水电站的装机规模，机组台数不宜少于2台或多于4台。因此，考虑装机2台和装机3台两个方案。

根据动能专业提供的44年长系列各月发电流量出现的频率统计，禹门河水库发电流量小于11m3/s的频率约为85%。如装设2台机，预计机组将有很高的机率运行在较低的负荷，不利于机组的稳定运行。

装机3台方案可基本上避免上述不利情况的发生。

综上所述，推荐装机3台方案，单机容量为3.5MW。

3.1.3 确定额定水头

电站运行水头范围19.8~22.2m，加权平均水头为22.0m。电站额定水头可取0.95~1.0倍的加权平均水头。参考规划专业提供的44年水头过程，为减少水轮机的出力受阻几率，确定额定水头为21.6m，约为加权平均水头的0.98倍。

3.2水轮发电机组主要参数

通过机组参数优化，经过业主单位组织招标及评标，水轮发电机组采购合同授予河南西峡水电设备有限责任公司。合同文件规定的机组主要技术参数如表2所列。

3.3 机组安装高程

机组安装高程应按一台机组在各种运行水头下发最大

出力时对应的尾水位和允许的吸出高度确定，按此确定的安装高程使得尾水管扩散段出口的顶缘高于下游最低尾水位（390.8m 高程），不满足机组运行要求。

根据《小型水力发电站设计规范》（GB50071-2002）规定，立轴水轮机弯曲型尾水管的顶缘应处于下游最低尾水位以下至少0.5m，由此确定机组的安装高程为392.40m。

3.4 附属设备选择

3.4.1 桥式起重机

为满足电站主厂房内设备安装、检修的需要，厂内设置单小车桥式起重机1台。桥机额定起重量由发电机转子的起吊重量确定。起重机配主钩一个，起重量300kN，副钩1个，起重量50kN，工作制度为中级。桥机跨度为11.5m。

3.4.2 调速器水

轮机在最大水头发额定功率时要求的调速功为28 410 N·m，每台水轮机配置一套独立的YZFT-3000A数字智能调速器。

4 辅助系统设计

4.1 技术供水系统

电站水头范围为19.8～22.2m。根据《水力发电厂水力机械辅助设备系统设计技术规定》（DL/T-5066-1996）的要求，技术供水采用自流供水方式。供水水源取自压力钢管，单元取水，并设联络干管，机组供水总干管设在主厂房上游侧，机组间互为备用。为保证电站低水头运行时技术供水的可靠性，每台机另设有技术供水增压泵，选用单级立式离心泵，流量Q=143m3/h、扬程H=16m，电机功率11kW。

4.2 排水系统

考虑到电站的机组容量较小，为了减少设备，降低投资，采用机组检修排水与厂房渗漏排水合为一个系统的排水方式，即机组检修排水与厂房渗漏排水共用一套设备。

排水系统采用间接排水方式。在每台机尾水管底部设有检修排水管，并在主厂房安装间下设有集水井。集水井的有效容积为100 m3。水泵的流量为125 m3/h，满足排出一台机检修时上、下游闸门漏水量的要求。排水泵出口高程为393.0m，接近于尾水平台高程。水泵的扬程满足设计洪水尾水位时排水要求。

排水系统设置2台水泵，1台工作，1台备用。机组正常运行情况下，水泵的启停由水位计自动控制；当机组检修时，水泵采用手动控制方式。

4.3 气系统

(1) 中压气系统

中压气系统主要供调速器油压装置用气。根据油压装置用气量和压力要求，选择2台空压机，其中1台工作，1台备用。排气量为Q=0.35m3/min，额定排气压力为P=3.0MPa。系统设置中压储气罐1个，容积为V=1.0 m3，额定压力为2.5MPa。

(2) 低压气系统

低压气系统主要供机组停机时制动、检修时风动工具和吹扫等用气。低压气系统的工作压力为0.7MPa。选择2台低压空压机，其中1台工作，1台备用。排气量Q=2.36m３/min，排气压力P=0.85MPa。系统设置低压储气罐2个，容积均为V=2.0 m3，额定压力0.85MPa。

4.4 油系统

油系统包括透平油系统和绝缘油系统，电站不设油库。

(1) 透平油系统

透平油系统主要满足机组各轴承的润滑用油和调速器系统操作用油。1台机组最大用油量为3.0m３，系统设置净油罐和污油罐各1个，另设1个容积为0.5 m３的移动油罐。

油系统设置1台齿轮油泵和1台透平油过滤机，用于排出污油和向设备充油。

(2) 绝缘油系统

考虑主变的检修几率较低，为节省设备投资，绝缘油系统不设置油净化及输送设备，需要时可利用故县或附近其他电站的绝缘油设备。为满足主变事故时的排油需要，电站设有公共事故油池。

4.5 水力监视和量测系统

水力量测系统主要监测机组运行时的水力参数，并根据测量结果，制定出合理的电站运行方案，以保证机组高效、安全运行。

4.6 消防系统

本消防系统主要考虑主、副厂房建筑物、发电机组机电设备及主变压器消防。根据《水利水电工程设计防火规范》（SDJ278-90）及《建筑设计防火规范》（GB50016-2006）的要求，主、副厂房建筑物采用消火栓方式消防，发电机采用消防环管方式消防，主变压器设置在室外，采用移动式灭火器消防。根据规范要求，选择2台消防水泵，其中1台工作，1台备用，消防水泵水源取自尾水渠。另从技术供水管道上接一路管道至消防供水总管作为消防系统的临时水源。

消防水泵选用立式单级离心消防水泵，布置在主厂房上游侧389.40m高程廊道内。

5 电站厂房布置

5.1 主厂房布置

禹门河水电站采用坝后式地面厂房，总装机容量为10.5MW，安装3台3.5MW的混流式水轮发电机组。安装间布置在主厂房右侧，副厂房布置在主厂房上游侧。2台主变压器布置在副厂房上游399.20 m高程平台上。主厂房总长43.84m，其中安装间长12.74m，机组段长31.10m；主厂房净宽11.60m，主厂房桥机跨度11.50m；发电机层高程为399.50m，主厂房起重机轨顶高程407.21m，尾水平台高程394.20m。

5.2 主要设备布置

发电机层上游侧布置调速器、吊物孔，兼做交通通道，下游侧布置机旁盘，在主厂房左侧边墙的下游侧布置一通向水轮机层的楼梯，以满足交通要求。水轮机层上游侧布置共箱母线及3个对应发电机层的吊物孔，中性点也布置在上游侧。

水轮机墩上均设有宽1.20m的进人门（沿―X方向）。沿下游墙布置有排水沟，由排水管道通向渗漏集水井。

空压机室布置水轮机层上游侧副厂房，高程为394.60m。室内布置2台中压空压机和2台低压空压机及3个储气罐。

透平油库及油处理室布置在水轮机层左侧，高程394.60m。

水泵室布置在主厂房蜗壳层右端，高程为390.30m。共布置2台排水泵，用于厂房渗漏排水及机组检修排水。消防水泵布置在蜗壳层上游侧副厂房389.40m高程。

电站不设置机修厂及油化验设备。

6 结语

禹门河水电站工程3号机组已于2008年7月27号成功并网发电，各项性能指标基本达到设计要求。目前，其他2台机组（1号、2号机）正在安装调试中，预计将在年底前竣工投入运行。