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摘 要：介绍尼尔基发电厂的水力机械设计，主要包括水轮机的选型，水轮发电机的特点，电站水力机械辅助设备等。
关键词：水力机械；水轮机；发电机；辅助系统设计；尼尔基发电厂。
【中图分类号】TV734.1
尼尔基发电厂为河床式电厂，主要由粘土心墙土石坝的左坝、右坝、溢洪道及河床式厂房等组成。电站安装4台62.5MW轴流转桨式水轮发电机组，本工程是国家“十五”计划重点工程项目，也是西部大开发标志性工程之一。尼尔基水利枢纽是以防洪、城镇生活和工农业供水为主，结合发电兼顾改善下游航运和水环境的大型水利控制工程。最终电力经拉东变电所并入黑龙江西部电网。
主要设备选型及主要参数
1.1水轮机
1.1.1水轮机的选型及主要参数
机组台数比选拟定了三个方案，分别为三台、四台、五台。根据水轮机的运转特性曲线和台数比选时水头损失公式，具体计算了各装机台数方案水轮机的平均效率和电能。三台机方案水轮机的平均效率为90.388%，多年平均发电量为6.353*108Kw·h；四台机方案分别为91.007%，6.422*108Kw·h；五台机方案分别为91.002%，6.408*108Kw·h。经综合经济比较选择了四台机方案。尼尔基水电站设计水头是根据2001年指标综合考虑几种方法选取的。结合本电厂运行条件要求，最终确立了立式轴流转桨式水轮发电机，旋转方向为俯视顺时针旋转。主要参数为：水轮机型号ZZA883—LH—640CM ，最大水头33.2M，额定水头22M，最小水头9.91M，额定出力为63.8MW，额定转速107.1r/min，飞逸转速280r/min，额定流量350M3/S，额定工况效率0.98，蜗壳包角345°。
1.1.2水轮机的主要结构特点
（1）转轮体采用铸钢材料制造，叶片采用ZGOOCr/3Ni5MO不锈钢精炼。转轮体上方设有主轴止水密封和检修围带密封，在主轴密封上设有集水槽，集水槽的水靠两台自吸式真空泵抽水排至下游尾水。
（2）主轴采用中空锻焊式结构，水轮机和发电机端都为外法兰结构。主轴密封装置设置在水导下方，主轴密封是靠水润滑的。
（3）蜗壳是由混凝土浇筑的，蜗壳Ⅰ层内壁有不锈钢板里衬，而蜗壳Ⅱ层内壁刷有一层防腐胶。
（4）顶盖上设置石墨自润滑导叶轴承和导叶轴颈密封。其上设有T20V型密封橡胶圈，是利用水压将V型曹膨胀开，使密封紧紧贴在活动导叶的轴颈和套筒进行止水。
（5）为了防止水轮机气蚀和转轮室内产生真空，在支持盖上安装了4个真空补气阀装置进行补气。
1.2发电机型号及结构特点
1.2.1发电机主要参数
发电机型号SF62.5—56/10850，额定容量71.4MVA，额定功率62.5MW，额定电压13800V，额定电流2980A，额定功率因数0.875（滞后），额定频率50HZ，额定转速107.1r/min，飞逸转速280 r/min，励磁方式为自并激静止可控硅励磁，旋转方向俯视顺时针，效率98%（保证值）。
12.2发电机结构主要特点
（1）本厂发电机为立轴半伞式结构，并具有上导、下导和水导轴承。推力轴承位于下机架上部，与下导轴承分开，单独使用一个油箱。
（2）发电机冷却方式为密闭自循环空气冷却，空气冷却器采用铜质铜管式冷却器。
（3）发电机转子由转子中心体、磁轭、磁极和阻尼环等组成，转子采用无风扇结构。
（4）发电机制动方式为机械制动，当转速降至额定转速20%时，通入压力为0.5～0.7Mpa的压缩空气进行连续制动。
（5）发电机消防采用水喷雾灭火方式，灭火环管分别布置在发电机定子线圈的上、下两端，上下分别设有满足定子和转子线圈消防的喷雾头。
（6）本厂发电机没有在上、下导油槽设防油雾装置，而在推力油箱上、下设置了防油雾装置。
1.3辅助设备
1.3.1起重设备
主厂房桥机。机组安装时主厂房内吊运的最重件为发电机转子质量为354.9t，在加上起吊工具和平衡梁28t，最大起吊质量大约为385t，所以选用2台2*200t的电动双梁双小车桥式起重机，另外还有40t的副钩电动小车。
1.3.2无快速闸门
因尼尔基发电厂属于水头低、流量大并且取水口距蜗壳近，所以没有设快速闸门，只在坝前进水口设置了事故闸门和检修闸门，在尾水设置了尾水闸门，正常情况下落门大约需要1小时能完成。
1.3.3调速器
本电厂在系统中担任调峰作用，因此要求调速器稳定性好、灵敏度高，调节品质优良、精度高、动态性能指标良好及水头等因素。最终选用新型数字式转速及功率调节器DFWST—150—6.3调速器，采用伺服电机直线位移转换器接受微机调节发出的电信号转换成机械位移，来调节导叶、桨叶开度改变进入水轮机的流量及桨叶的受力面积，从而控制水轮发电机机组的转速调节和功率调节。
辅助系统设计介绍
2.1技术供水系统
机组技术供水采用减压自流供水方式，供水对象为机组各个轴承冷却器、发电机空冷器和主轴密封止水。机组供水以蜗壳取水为主供水，坝前取水为备用供水，并且互为备用，供给机组各部位冷却器，最后经过总排水管排入下游尾水。
2.2厂内检修渗漏排水系统
（1）检修排水系统。设置两台检修立式深井泵，工作方式互为备用。因排水泵安装高程低于尾水位，为防止检修排水泵在未抽水工作时尾水水倒灌，所以设置一个逆止阀和两个阀门。检修排水泵在机组检修时排检修机组蜗壳和尾水管的水。
（2）滲漏排水系统。设置两台厂房渗漏潜水泵，工作方式互为备用。厂房渗漏排水系统日常应经常在运行状态，排除机组冷却水和厂房各种渗漏水等。 2.3大坝排水系统
电厂大坝设有大坝灌浆廊道集水井，设有两台渗漏潜水泵，轮流工作互为备用。集水井内设有一套浮子式水位计，在一号机水轮机层机组段设有电源箱和控制箱，水泵排水排至下游尾水，启停信号传送至中控室上位机报警一览表内，故障信号传至中控室模拟屏上。
2.4中压气系统
中压气系统的供气对象是四台机组的压力油罐和事故油罐的补气用风，供气压力为6.3 MPa。根据我厂气设备要求，选用3台活塞式免维护空压机，2个2M3 的中压气罐，储气罐设计压力8.4 MPa，最高压力8.0 MPa，安全阀动作压力为8.0 MPa，压力过高报警值7.3 MPa.3台活塞式空压机工作方式为2台工作，1台备用；每台空壓机还具备自动、手动、停止等操作方式，可以任意选择，并有相应的位置信号输出，同时设有空压机轻重故障报警，将信号引至中控室模拟屏上。
2.5低压气系统
低压气系统主要供气对象为机组制动、检修空气围带和检修用气。最大工作压力为0.86 MPa，储气罐设计压力0.86 MPa，正常低压气泵启停压力为0.55～0.7 MPa。根据我厂设备的要求，选用了两台低压螺杆式制动空压机和两台低压螺杆式检修空压机，设有2个8M3的制动气罐和2个2M3的检修气罐；为了增加机组制动供气的可靠性，把检修储气罐的供气主干管与制动空压机出口相连接，管路之间设有一个阀门，使检修气罐成为制动气罐的备用气源。
2.6油系统
水电站的机电设备在运行中，由于设备的特性、要求和工作条件不同，需要使用各种性能的油。这些油大致可以分为润滑油和绝缘油两大类。
结语
尼尔基发电厂属于中型水电厂，其水轮机参数选择结合了国内现有的成熟技术和机型进行比较选择。尼尔基发电厂4台机组自2006年07月至09月相继投入使用生产运行平稳、振动小和噪音低等优点，辅助系统运行正常可靠。实践证明机组及辅助设备选择是合理的。
参考文献：
哈尔滨大电机研究所，水轮机设计手册，机械工业出版社，1976
陈存祖、吕鸿年主编，水力机组辅助设备。北京：中国水利水电出版社，1994
东北水利水电专科学校史振声主编，水轮机。北京：水利水电出版社，1996
关键词：水力机械；水轮机；发电机；辅助系统设计；尼尔基发电厂。
【中图分类号】TV734.1
尼尔基发电厂为河床式电厂，主要由粘土心墙土石坝的左坝、右坝、溢洪道及河床式厂房等组成。电站安装4台62.5MW轴流转桨式水轮发电机组，本工程是国家“十五”计划重点工程项目，也是西部大开发标志性工程之一。尼尔基水利枢纽是以防洪、城镇生活和工农业供水为主，结合发电兼顾改善下游航运和水环境的大型水利控制工程。最终电力经拉东变电所并入黑龙江西部电网。
主要设备选型及主要参数
1.1水轮机
1.1.1水轮机的选型及主要参数
机组台数比选拟定了三个方案，分别为三台、四台、五台。根据水轮机的运转特性曲线和台数比选时水头损失公式，具体计算了各装机台数方案水轮机的平均效率和电能。三台机方案水轮机的平均效率为90.388%，多年平均发电量为6.353*108Kw·h；四台机方案分别为91.007%，6.422*108Kw·h；五台机方案分别为91.002%，6.408*108Kw·h。经综合经济比较选择了四台机方案。尼尔基水电站设计水头是根据2001年指标综合考虑几种方法选取的。结合本电厂运行条件要求，最终确立了立式轴流转桨式水轮发电机，旋转方向为俯视顺时针旋转。主要参数为：水轮机型号ZZA883—LH—640CM ，最大水头33.2M，额定水头22M，最小水头9.91M，额定出力为63.8MW，额定转速107.1r/min，飞逸转速280r/min，额定流量350M3/S，额定工况效率0.98，蜗壳包角345°。
1.1.2水轮机的主要结构特点
（1）转轮体采用铸钢材料制造，叶片采用ZGOOCr/3Ni5MO不锈钢精炼。转轮体上方设有主轴止水密封和检修围带密封，在主轴密封上设有集水槽，集水槽的水靠两台自吸式真空泵抽水排至下游尾水。
（2）主轴采用中空锻焊式结构，水轮机和发电机端都为外法兰结构。主轴密封装置设置在水导下方，主轴密封是靠水润滑的。
（3）蜗壳是由混凝土浇筑的，蜗壳Ⅰ层内壁有不锈钢板里衬，而蜗壳Ⅱ层内壁刷有一层防腐胶。
（4）顶盖上设置石墨自润滑导叶轴承和导叶轴颈密封。其上设有T20V型密封橡胶圈，是利用水压将V型曹膨胀开，使密封紧紧贴在活动导叶的轴颈和套筒进行止水。
（5）为了防止水轮机气蚀和转轮室内产生真空，在支持盖上安装了4个真空补气阀装置进行补气。
1.2发电机型号及结构特点
1.2.1发电机主要参数
发电机型号SF62.5—56/10850，额定容量71.4MVA，额定功率62.5MW，额定电压13800V，额定电流2980A，额定功率因数0.875（滞后），额定频率50HZ，额定转速107.1r/min，飞逸转速280 r/min，励磁方式为自并激静止可控硅励磁，旋转方向俯视顺时针，效率98%（保证值）。
12.2发电机结构主要特点
（1）本厂发电机为立轴半伞式结构，并具有上导、下导和水导轴承。推力轴承位于下机架上部，与下导轴承分开，单独使用一个油箱。
（2）发电机冷却方式为密闭自循环空气冷却，空气冷却器采用铜质铜管式冷却器。
（3）发电机转子由转子中心体、磁轭、磁极和阻尼环等组成，转子采用无风扇结构。
（4）发电机制动方式为机械制动，当转速降至额定转速20%时，通入压力为0.5～0.7Mpa的压缩空气进行连续制动。
（5）发电机消防采用水喷雾灭火方式，灭火环管分别布置在发电机定子线圈的上、下两端，上下分别设有满足定子和转子线圈消防的喷雾头。
（6）本厂发电机没有在上、下导油槽设防油雾装置，而在推力油箱上、下设置了防油雾装置。
1.3辅助设备
1.3.1起重设备
主厂房桥机。机组安装时主厂房内吊运的最重件为发电机转子质量为354.9t，在加上起吊工具和平衡梁28t，最大起吊质量大约为385t，所以选用2台2*200t的电动双梁双小车桥式起重机，另外还有40t的副钩电动小车。
1.3.2无快速闸门
因尼尔基发电厂属于水头低、流量大并且取水口距蜗壳近，所以没有设快速闸门，只在坝前进水口设置了事故闸门和检修闸门，在尾水设置了尾水闸门，正常情况下落门大约需要1小时能完成。
1.3.3调速器
本电厂在系统中担任调峰作用，因此要求调速器稳定性好、灵敏度高，调节品质优良、精度高、动态性能指标良好及水头等因素。最终选用新型数字式转速及功率调节器DFWST—150—6.3调速器，采用伺服电机直线位移转换器接受微机调节发出的电信号转换成机械位移，来调节导叶、桨叶开度改变进入水轮机的流量及桨叶的受力面积，从而控制水轮发电机机组的转速调节和功率调节。
辅助系统设计介绍
2.1技术供水系统
机组技术供水采用减压自流供水方式，供水对象为机组各个轴承冷却器、发电机空冷器和主轴密封止水。机组供水以蜗壳取水为主供水，坝前取水为备用供水，并且互为备用，供给机组各部位冷却器，最后经过总排水管排入下游尾水。
2.2厂内检修渗漏排水系统
（1）检修排水系统。设置两台检修立式深井泵，工作方式互为备用。因排水泵安装高程低于尾水位，为防止检修排水泵在未抽水工作时尾水水倒灌，所以设置一个逆止阀和两个阀门。检修排水泵在机组检修时排检修机组蜗壳和尾水管的水。
（2）滲漏排水系统。设置两台厂房渗漏潜水泵，工作方式互为备用。厂房渗漏排水系统日常应经常在运行状态，排除机组冷却水和厂房各种渗漏水等。 2.3大坝排水系统
电厂大坝设有大坝灌浆廊道集水井，设有两台渗漏潜水泵，轮流工作互为备用。集水井内设有一套浮子式水位计，在一号机水轮机层机组段设有电源箱和控制箱，水泵排水排至下游尾水，启停信号传送至中控室上位机报警一览表内，故障信号传至中控室模拟屏上。
2.4中压气系统
中压气系统的供气对象是四台机组的压力油罐和事故油罐的补气用风，供气压力为6.3 MPa。根据我厂气设备要求，选用3台活塞式免维护空压机，2个2M3 的中压气罐，储气罐设计压力8.4 MPa，最高压力8.0 MPa，安全阀动作压力为8.0 MPa，压力过高报警值7.3 MPa.3台活塞式空压机工作方式为2台工作，1台备用；每台空壓机还具备自动、手动、停止等操作方式，可以任意选择，并有相应的位置信号输出，同时设有空压机轻重故障报警，将信号引至中控室模拟屏上。
2.5低压气系统
低压气系统主要供气对象为机组制动、检修空气围带和检修用气。最大工作压力为0.86 MPa，储气罐设计压力0.86 MPa，正常低压气泵启停压力为0.55～0.7 MPa。根据我厂设备的要求，选用了两台低压螺杆式制动空压机和两台低压螺杆式检修空压机，设有2个8M3的制动气罐和2个2M3的检修气罐；为了增加机组制动供气的可靠性，把检修储气罐的供气主干管与制动空压机出口相连接，管路之间设有一个阀门，使检修气罐成为制动气罐的备用气源。
2.6油系统
水电站的机电设备在运行中，由于设备的特性、要求和工作条件不同，需要使用各种性能的油。这些油大致可以分为润滑油和绝缘油两大类。
结语
尼尔基发电厂属于中型水电厂，其水轮机参数选择结合了国内现有的成熟技术和机型进行比较选择。尼尔基发电厂4台机组自2006年07月至09月相继投入使用生产运行平稳、振动小和噪音低等优点，辅助系统运行正常可靠。实践证明机组及辅助设备选择是合理的。
参考文献：
哈尔滨大电机研究所，水轮机设计手册，机械工业出版社，1976
陈存祖、吕鸿年主编，水力机组辅助设备。北京：中国水利水电出版社，1994
东北水利水电专科学校史振声主编，水轮机。北京：水利水电出版社，1996