水轮机是将水流机械能转换为固体机械能的水力原动机.根据在水轮机内实现能量转换的水流能量形式及水流在水轮机转轮区域内的运动特征,贯流式水轮机属于轴流式水轮机一类.而根据水轮机的结构和机组的布置形式,贯流式水轮机有全贯流式、半贯流式(灯泡贯流、轴伸贯流和竖井贯流)等形式的区别.
甘肃省水利水电勘测设计研究院 梁章堂 胡斌超
水轮机是将水流机械能转换为固体机械能的水力原动机.根据在水轮机内实现能量转换的水流能量形式及水流在水轮机转轮区域内的运动特征,贯流式水轮机属于轴流式水轮机一类.而根据水轮机的结构和机组的布置形式,贯流式水轮机有全贯流式、半贯流式(灯泡贯流、轴伸贯流和竖井贯流)等形式的区别.
1 贯流式水轮机的结构特点与技术经济优势
贯流式水轮机的流道形式和轴流式水轮机不同,为保证向导水机构均匀供水和形成必要的环量,保证导叶较平滑绕流,轴流式水轮机需设置蜗壳,其流道由蜗壳、导水机构和弯肘型尾水管组成.贯流式水轮机没有蜗壳,流道由圆锥形导水机构和直锥扩散形或S型尾水管组成.通常采用卧轴式布置,从流道进口到尾水管出口,水流沿轴向几乎呈直线流动,避免了水流拐弯形成的流速分布不均导致的水流损失和流态变坏,水流平顺,水力损失小,尾水管恢复性能好,水力效率高.灯泡贯流机组的发电机装置在水轮机流道中的灯泡形壳体内,采用直锥扩散形尾水管,流道短而平直对称,水流特性好.大型贯流机组几乎都是灯泡机组,中小型多采用轴伸式、竖井式等形式.
贯流式水轮机单位过流量大,转速高,水轮机效率高,且高效区宽,加权平均效率也较高,具有比轴流式水轮机更优良的能量特性.其特征参数比转速ns、可达1000以上,比速系数可达3000以上.与轴流式水轮机相比,在相同水头和相同单机容量时,其机组尺寸小,重量轻,材料消耗少,机组造价低.贯流机组电站还可获得年发电量的增加.
贯流式水轮机的空化性能和运行稳定性也优于轴流式水轮机,其空化系数相对较小,机组可靠性高,运行故障率低,可用率高,检修时间缩短,检修周期延长.对于低水头资源开发,贯流式水轮机的稳定运行范围宽,在极低水头时也能稳定运行(如超低水头1.5m以下),是其他类型的水轮机不可比的.如广东白垢电站,额定水头6.2m,最大水头10.0m,但在1.3m水头时仍能稳定运行.
贯流式水轮发电机组结构紧凑,布置简洁,厂房土建工程量较小,可节省土建投资.贯流机组设备运输和安装重量较轻,施工和设备安装方便,可缩短工期,实现提前发电.根据国内外有关水电站的统计资料,采用灯泡贯流机组比相同容量轴流转桨机组,电站建设投资一般可节省10%~25%,年发电量可增加约3%~5%.如我国广东白垢和广西马骝滩水电站,投资节省分别达22.6%和24%.小型水电站采用轴伸贯流机组与立式轴流机组比较,也可节省建设投资约10%~20%.由此可见,贯流式水轮机是开发低水头水能资源的一种最经济、适宜的水轮机形式,具有资源利用充分、投资节省的优势和电量增值、综合效益增值的效果.
2 国内外贯流式水轮机的应用现状
贯流式水轮机自20世纪30年代问世以来,因其优良的技术经济特性和适用性而得到广泛应用和迅速发展,包括灯泡贯流发电机技术在内的贯流机组技术日益成熟,贯流式水电站的开发、设计、运行技术与经验日益丰富.国外水头25m以下的水电开发,已出现取代轴流式水轮机的局面.贯流机组技术在1960~1990的发展最为迅猛,这一时期投入运行的贯流机组,最大单机容量达65.8MW(灯泡贯流,日本只见),最大水轮机转轮直径达8.2m(竖井贯流,美国墨累),最高工作水头达22.45m(灯泡贯流,日本新乡第二).
我国从20世纪60年代开始贯流式水轮机的研究和应用,到20世纪80年代,贯流机组技术及其应用取得突破性的进展,1983年引进设备的第一座大型灯泡贯流机组电站一湖南马迹塘水电站建成,1984年自主开发的广东白垢电站转轮直径5.5m,单机容量10MW灯泡贯流机组投运,标志着具备自行开发研制大型贯流机组设备的能力.贯流式水轮机的应用研究和运行技术也获得了发展,积累了经验.最近20年来,相继开发建成引进设备、技术合作或自行装备的大型灯泡贯流机组电站数十座,如凌津滩、王甫洲、尼那、洪江等.其中洪江水电站最大工作水头27.3m,单机容量45MW,是目前世界上应用水头最高、国内单机容量最大的灯泡贯流机组.国内已运行的灯泡贯流式水轮机最大转轮直径已达7.5m.目前规划或在建的贯流式水电站遍布全国各地,在建的广西长洲水电站装机15台,总装机容量达621.3MW.在西北地区,20世纪80年代开始贯流式水电站的规划设计,并完成了柴家峡等电站的可行性研究.在黄河干流上现已建成青海尼那电站,宁夏沙坡头电站即将竣工,甘肃柴家峡、青海直岗拉卡等电站在建.尼那电站是我国海拔最高的大型灯泡贯流机组电站,沙坡头则是应用于高含沙水流的第一座大型灯泡贯流机组电站,各具特色,为贯流式水电站的开发提供了新的经验.
对于低水头小型水电站,轴伸贯流水轮机和竖井贯流水轮机具有与灯泡贯流水轮机相当的技术经济优势,国外20m以下的小水电开发,已逐步取代轴流机组.据文献介绍,国外已运行的轴伸贯流式水轮机转轮直径达8.6m,单机容量达到31.5MW,最大使用水头达到38m.我国轴伸贯流式水轮机的技术开发起步较晚,自行研制的GZ006、GZ007(5叶片)等转轮的性能达到或超过国际先进水平,但尚没有得到普遍的技术推广和形成相应的生产和市场规模.国内已运行的轴伸贯流水轮机多采用定桨式转轮,最大转轮直径2.75m,单机容量3.5MW,最大使用水头22m.而竖井贯流和全贯流机组技术开发程度较低,应用很少,与国外存在明显差距.
3 贯流式水轮机的应用及技术发展探讨
我国水电资源丰富,第四次水力资源复查成果显示,全国江河水电资源蕴藏量达7亿kW,可开发量5亿kW,经济可开发量4亿kW.现已开发量1亿kW,只占到经济可开发量的25%.我国江河的低水头水力资源,根据文献估算,水头在10m左右的资源量占到可开发资源的约500,达0.2亿kW以上.此外,我国大陆和岛屿海岸线蕴藏着巨大的海洋潮汐能资源,可开发量超过0.21亿kW,尚未进行规模开发.以上数据说明,我国适用于贯流式水轮机开发的低水头水能资源蕴藏巨大,贯流式水轮机应用前景广阔,需求巨大.经过40余年的研究与实践,我国对贯流机组设备开发、研制以及贯流水电站设计和运行技术都取得了很大的发展和成就.对于25m以下低水头水电开发,优先选择贯流机组,已基本形成共识.但目前国内贯流机组设备技术和供给能力还不能满足水电建设的需要,许多大型或顶级的机组设备需要国际市场供货,国内外同类产品在设备性能、单位千瓦材料消耗等技术方面存在着较明显的差别,中小型贯流机组产品的多样性和技术适应性也不能满足国内或适应国际市场的需求.由于研发能力和技术水平的限制,又影响贯流式水轮机的广泛应用.因此,全面提升我国贯流式水轮机的技术水平,任务迫切,意义深远.
推进我国贯流水轮机技术的进步,应当关注贯流机组大型化技术的发展,并致力于提高国内贯流机组整体技术水平.
根据对贯流式水轮机的应用及其技术发展的分析,应用水头逐渐提高、贯流机组大型化是国际贯流水轮机技术发展的趋势,这也和我国低水头水电开发对大型贯流机组的应用需求相吻合.贯流机组对开发低水头水电资源具有优势,而这些资源的开发地点往往位于经济发达、人口稠密的平原或河谷地区,自然资源富集或处于交通要道(如黄河上游等地区).这类水电资源经济合理的开发,要求实现发电、防洪、航运等综合利用功能,保护生态环境和土地资源,减少移民搬迁及交通设施等淹没、浸没及赔偿,修建高坝大库通常已不适宜.为了优化开发方案和工程总体布置,便于工程综合功能经济地实现,有利于保护生态和环境等资源,往往需要采用单机容量(机组尺寸)更大或应用水头更高的贯流机组.
大型化贯流式水轮机的水力设计不存在重大的技术难题,但机组设计、制造与安装等方面的一些关键技术,以灯泡机组为例,灯泡体及水轮机的支承结构,轴系的分析计算、大吨位轴承的设计制造,发电机的设计,发电机的通风冷却,机组的刚度及振动特性的评估、优化,大尺寸机组的安装技术等,存在较大的技术难度和经济风险.近年,我国水电业界结合湖南洪江、广西恶滩扩建工程、四川桐子林等水电站机组的选型设计,对此进行了研究.在洪江水电站,对采用灯泡贯流机组的关键技术及制造难度,与日本只见、俄罗斯萨拉托夫等电站的大型灯泡机组进行了对比研究,结论是技术可行.该工程已成功实施,成为我国贯流电站技术进步的典型案例.而恶滩扩建工程采用灯泡贯流机组方案,其应用水头和单机容量等设计参数,机组设计制造的技术难度均已超越了世界上已运行的同类电站机组,研究表明采用灯泡贯流机组在技术上是可行的.两座电站的经济分析数据也都表明,可节省建设投资和获得年电量的增加,特别是恶滩扩建工程采用8台75MW灯泡贯流机组与采用4台150MW轴流转桨机组的方案比较,前者首台机组提前9个月发电,工程总工期缩短一年,其提前发电的电费收入,与比后者高出的投资差基本相抵(贯流机组方案设备投资概算按采用2台进口、6台合作编制),每年还可多获得约3%的电量增加,其经济性明显优越.上述研究也说明,开发、应用25~35m水头段的贯流式水轮机和单机容量75MW及以上的灯泡贯流机组,技术上可行,经济上仍处于有利和合理范畴.
全面提高我国贯流式水轮机的整体技术水平,实现包括产品研制技术(水力开发、结构分析、制造工艺、试验研究等)及产品的技术性能、贯流式水轮机应用开发和运行等技术水平的全面提升,结合国内实际和借鉴国际先进经验,应加强计算机及信息技术如计算机CFD、FE、CAD/CAM等及现代制造技术在贯流式水轮机开发、研制和运行等领域的推广和应用,还应加强对国际先进技术的引进、消化和吸收．研究具有自主知识产权的贯流式水轮机产品和技术,这是提升我国贯流式水轮机技术和产业竞争力的必然途径.此外,我国的各类水电资源开发,包括广大农村中小低水头资源及海洋潮汐能源的规模开发,需要技术经济特性优越的,包括各类贯流式水轮机在内的多样性的水轮发电机组设备,因此,应加强对轴伸贯流式水轮机的研究和推广应用,完善轴伸贯流水轮机转轮的研究并形成系列型谱;应加强对用于潮汐能源开发的双向可逆贯流机组、全贯流机组及竖井贯流机组的技术开发和研究;对齿轮增速技术及设备在贯流机组的应用,以及贯流水轮机适用的调速设备的开发等技术课题,应进行全面的规划布局和系统的研究.
4 结语
推进我国贯流式水轮机的技术发展,应对国内的应用现状和发展水平进行客观的评估,对贯流机组的需求情况(包括近期和远期需求)进行分析预测,制订技术发展规划,指导发展研究.我国有巨大的市场需求,全面提升贯流机组的技术及应用水平,将为我国低水头水电资源开发带来巨大的经济效益,也将为我国贯流式水轮发电机组设备提高竞争力,进入国际市场提供强大的技术支持.
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