貫流式水輪機的應用與技術(shù)發(fā)展

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簡介：燈泡貫流機組的發(fā)電機裝置在水輪機流道中的燈泡形殼體內(nèi)，采用直錐擴散形尾水管，流道短而平直對稱，水流特性好。大型貫流機組幾乎都是燈泡機組，中小型多采用軸伸式、豎井式等形式。
關(guān)鍵字：水輪機，應用，技術(shù)發(fā)展

1 貫流式水輪機的結(jié)構(gòu)特點與技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢

　　貫流式水輪機的流道形式和軸流式水輪機不同，為保證向?qū)畽C構(gòu)均勻供水和形成必要的環(huán)量，保證導葉較平滑繞流，軸流式水輪機需設(shè)置蝸殼，其流道由蝸殼、導水機構(gòu)和彎肘型尾水管組成。貫流式水輪機沒有蝸殼，流道由圓錐形導水機構(gòu)和直錐擴散形或S型尾水管組成。通常采用臥軸式布置，從流道進口到尾水管出口，水流沿軸向幾乎呈直線流動，避免了水流拐彎形成的流速分布不均導致的水流損失和流態(tài)變壞，水流平順，水力損失小，尾水管恢復性能好，水力效率高。燈泡貫流機組的發(fā)電機裝置在水輪機流道中的燈泡形殼體內(nèi)，采用直錐擴散形尾水管，流道短而平直對稱，水流特性好。大型貫流機組幾乎都是燈泡機組，中小型多采用軸伸式、豎井式等形式。

　　貫流式水輪機單位過流量大，轉(zhuǎn)速高，水輪機效率高，且高效區(qū)寬，加權(quán)平均效率也較高，具有比軸流式水輪機更優(yōu)良的能量特性。其特征參數(shù)比轉(zhuǎn)速ns、可達1000以上，比速系數(shù)可達3000以上。與軸流式水輪機相比，在相同水頭和相同單機容量時，其機組尺寸小，重量輕，材料消耗少，機組造價低。貫流機組電站還可獲得年發(fā)電量的增加。

　　貫流式水輪機的空化性能和運行穩(wěn)定性也優(yōu)于軸流式水輪機，其空化系數(shù)相對較小，機組可靠性高，運行故障率低，可用率高，檢修時間縮短，檢修周期延長。對于低水頭資源開發(fā)，貫流式水輪機的穩(wěn)定運行范圍寬，在極低水頭時也能穩(wěn)定運行(如超低水頭1.5m以下)，是其他類型的水輪機不可比的。如廣東白垢電站，額定水頭6.2m，最大水頭10.0m，但在1.3m水頭時仍能穩(wěn)定運行。

　　貫流式水輪發(fā)電機組結(jié)構(gòu)緊湊，布置簡潔，廠房土建工程量較小，可節(jié)省土建投資。貫流機組設(shè)備運輸和安裝重量較輕， 施工');">施工 和設(shè)備安裝方便，可縮短工期，實現(xiàn)提前發(fā)電。根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)水電站的統(tǒng)計資料，采用燈泡貫流機組比相同容量軸流轉(zhuǎn)槳機組，電站建設(shè)投資一般可節(jié)省10%～25%，年發(fā)電量可增加約3%～5%。如我國廣東白垢和廣西馬騮灘水電站，投資節(jié)省分別達22.6%和24%。小型水電站采用軸伸貫流機組與立式軸流機組比較，也可節(jié)省建設(shè)投資約10%～20%。由此可見，貫流式水輪機是開發(fā)低水頭水能資源的一種最經(jīng)濟、適宜的水輪機形式，具有資源利用充分、投資節(jié)省的優(yōu)勢和電量增值、綜合效益增值的效果。

2 國內(nèi)外貫流式水輪機的應用現(xiàn)狀

　　貫流式水輪機自20世紀30年代問世以來，因其優(yōu)良的技術(shù)經(jīng)濟特性和適用性而得到廣泛應用和迅速發(fā)展，包括燈泡貫流發(fā)電機技術(shù)在內(nèi)的貫流機組技術(shù)日益成熟，貫流式水電站的開發(fā)、設(shè)計、運行技術(shù)與經(jīng)驗日益豐富。國外水頭25m以下的水電開發(fā)，已出現(xiàn)取代軸流式水輪機的局面。貫流機組技術(shù)在1960～1990的發(fā)展最為迅猛，這一時期投入運行的貫流機組，最大單機容量達65.8MW(燈泡貫流，日本只見)，最大水輪機轉(zhuǎn)輪直徑達8.2m(豎井貫流，美國墨累)，最高工作水頭達22.45m(燈泡貫流，日本新鄉(xiāng)第二)。

　　我國從20世紀60年代開始貫流式水輪機的研究和應用，到20世紀80年代，貫流機組技術(shù)及其應用取得突破性的進展，1983年引進設(shè)備的第一座大型燈泡貫流機組電站一湖南馬跡塘水電站建成，1984年自主開發(fā)的廣東白垢電站轉(zhuǎn)輪直徑5.5m，單機容量10MW燈泡貫流機組投運，標志著具備自行開發(fā)研制大型貫流機組設(shè)備的能力。貫流式水輪機的應用研究和運行技術(shù)也獲得了發(fā)展，積累了經(jīng)驗。最近20年來，相繼開發(fā)建成引進設(shè)備、技術(shù)合作或自行裝備的大型燈泡貫流機組電站數(shù)十座，如凌津灘、王甫洲、尼那、洪江等。其中洪江水電站最大工作水頭27.3m，單機容量45MW，是目前世界上應用水頭最高、國內(nèi)單機容量最大的燈泡貫流機組。國內(nèi)已運行的燈泡貫流式水輪機最大轉(zhuǎn)輪直徑已達7.5m。目前規(guī)劃或在建的貫流式水電站遍布全國各地，在建的廣西長洲水電站裝機15臺，總裝機容量達621.3MW。在西北地區(qū)，20世紀80年代開始貫流式水電站的規(guī)劃設(shè)計，并完成了柴家峽等電站的可行性研究。在黃河干流上現(xiàn)已建成青海尼那電站，寧夏沙坡頭電站即將竣工，甘肅柴家峽、青海直崗拉卡等電站在建。尼那電站是我國海拔最高的大型燈泡貫流機組電站，沙坡頭則是應用于高含沙水流的第一座大型燈泡貫流機組電站，各具特色，為貫流式水電站的開發(fā)提供了新的經(jīng)驗。

　　對于低水頭小型水電站，軸伸貫流水輪機和豎井貫流水輪機具有與燈泡貫流水輪機相當?shù)募夹g(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢，國外20m以下的小水電開發(fā)，已逐步取代軸流機組。據(jù)文獻介紹，國外已運行的軸伸貫流式水輪機轉(zhuǎn)輪直徑達8.6m，單機容量達到31.5MW，最大使用水頭達到38m。我國軸伸貫流式水輪機的技術(shù)開發(fā)起步較晚，自行研制的GZ006、GZ007(5葉片)等轉(zhuǎn)輪的性能達到或超過國際先進水平，但尚沒有得到普遍的技術(shù)推廣和形成相應的生產(chǎn)和市場規(guī)模。國內(nèi)已運行的軸伸貫流水輪機多采用定槳式轉(zhuǎn)輪，最大轉(zhuǎn)輪直徑2.75m，單機容量3.5MW，最大使用水頭22m。而豎井貫流和全貫流機組技術(shù)開發(fā)程度較低，應用很少，與國外存在明顯差距。

3 貫流式水輪機的應用及技術(shù)發(fā)展探討

　　我國水電資源豐富，第四次水力資源復查成果顯示，全國江河水電資源蘊藏量達7億kW，可開發(fā)量5億kW，經(jīng)濟可開發(fā)量4億kW。現(xiàn)已開發(fā)量1億kW，只占到經(jīng)濟可開發(fā)量的25%。我國江河的低水頭水力資源，根據(jù)文獻估算，水頭在10m左右的資源量占到可開發(fā)資源的約500，達0.2億kW以上。此外，我國大陸和島嶼海岸線蘊藏著巨大的海洋潮汐能資源，可開發(fā)量超過0.21億kW，尚未進行規(guī)模開發(fā)。以上數(shù)據(jù)說明，我國適用于貫流式水輪機開發(fā)的低水頭水能資源蘊藏巨大，貫流式水輪機應用前景廣闊，需求巨大。經(jīng)過40余年的研究與實踐，我國對貫流機組設(shè)備開發(fā)、研制以及貫流水電站設(shè)計和運行技術(shù)都取得了很大的發(fā)展和成就。對于25m以下低水頭水電開發(fā)，優(yōu)先選擇貫流機組，已基本形成共識。但目前國內(nèi)貫流機組設(shè)備技術(shù)和供給能力還不能滿足水電建設(shè)的需要，許多大型或頂級的機組設(shè)備需要國際市場供貨，國內(nèi)外同類產(chǎn)品在設(shè)備性能、單位千瓦材料消耗等技術(shù)方面存在著較明顯的差別，中小型貫流機組產(chǎn)品的多樣性和技術(shù)適應性也不能滿足國內(nèi)或適應國際市場的需求。由于研發(fā)能力和技術(shù)水平的限制，又影響貫流式水輪機的廣泛應用。因此，全面提升我國貫流式水輪機的技術(shù)水平，任務迫切，意義深遠。來源:civilcn.com

　　推進我國貫流水輪機技術(shù)的進步，應當關(guān)注貫流機組大型化技術(shù)的發(fā)展，并致力于提高國內(nèi)貫流機組整體技術(shù)水平。

　　根據(jù)對貫流式水輪機的應用及其技術(shù)發(fā)展的分析，應用水頭逐漸提高、貫流機組大型化是國際貫流水輪機技術(shù)發(fā)展的趨勢，這也和我國低水頭水電開發(fā)對大型貫流機組的應用需求相吻合。貫流機組對開發(fā)低水頭水電資源具有優(yōu)勢，而這些資源的開發(fā)地點往往位于經(jīng)濟發(fā)達、人口稠密的平原或河谷地區(qū)，自然資源富集或處于交通要道(如黃河上游等地區(qū))。這類水電資源經(jīng)濟合理的開發(fā)，要求實現(xiàn)發(fā)電、防洪、航運等綜合利用功能，保護生態(tài)環(huán)境和土地資源，減少移民搬遷及交通設(shè)施等淹沒、浸沒及賠償，修建高壩大庫通常已不適宜。為了優(yōu)化開發(fā)方案和工程總體布置，便于工程綜合功能經(jīng)濟地實現(xiàn)，有利于保護生態(tài)和環(huán)境等資源，往往需要采用單機容量(機組尺寸)更大或應用水頭更高的貫流機組。

　　大型化貫流式水輪機的水力設(shè)計不存在重大的技術(shù)難題，但機組設(shè)計、制造與安裝等方面的一些關(guān)鍵技術(shù)，以燈泡機組為例，燈泡體及水輪機的支承結(jié)構(gòu)，軸系的分析計算、大噸位軸承的設(shè)計制造，發(fā)電機的設(shè)計，發(fā)電機的通風冷卻，機組的剛度及振動特性的評估、優(yōu)化，大尺寸機組的安裝技術(shù)等，存在較大的技術(shù)難度和經(jīng)濟風險。近年，我國水電業(yè)界結(jié)合湖南洪江、廣西惡灘擴建工程、四川桐子林等水電站機組的選型設(shè)計，對此進行了研究。在洪江水電站，對采用燈泡貫流機組的關(guān)鍵技術(shù)及制造難度，與日本只見、俄羅斯薩拉托夫等電站的大型燈泡機組進行了對比研究，結(jié)論是技術(shù)可行。該工程已成功實施，成為我國貫流電站技術(shù)進步的典型案例。而惡灘擴建工程采用燈泡貫流機組方案，其應用水頭和單機容量等設(shè)計參數(shù)，機組設(shè)計制造的技術(shù)難度均已超越了世界上已運行的同類電站機組，研究表明采用燈泡貫流機組在技術(shù)上是可行的。兩座電站的經(jīng)濟分析數(shù)據(jù)也都表明，可節(jié)省建設(shè)投資和獲得年電量的增加，特別是惡灘擴建工程采用8臺75MW燈泡貫流機組與采用4臺150MW軸流轉(zhuǎn)槳機組的方案比較，前者首臺機組提前9個月發(fā)電，工程總工期縮短一年，其提前發(fā)電的電費收入，與比后者高出的投資差基本相抵(貫流機組方案設(shè)備投資概算按采用2臺進口、6臺合作編制)，每年還可多獲得約3%的電量增加，其經(jīng)濟性明顯優(yōu)越。上述研究也說明，開發(fā)、應用25～35m水頭段的貫流式水輪機和單機容量75MW及以上的燈泡貫流機組，技術(shù)上可行，經(jīng)濟上仍處于有利和合理范疇。

　　全面提高我國貫流式水輪機的整體技術(shù)水平，實現(xiàn)包括產(chǎn)品研制技術(shù)(水力開發(fā)、結(jié)構(gòu)分析、制造工藝、試驗研究等)及產(chǎn)品的技術(shù)性能、貫流式水輪機應用開發(fā)和運行等技術(shù)水平的全面提升，結(jié)合國內(nèi)實際和借鑒國際先進經(jīng)驗，應加強計算機及信息技術(shù)如計算機CFD、FE、CAD/CAM等及現(xiàn)代制造技術(shù)在貫流式水輪機開發(fā)、研制和運行等領(lǐng)域的推廣和應用，還應加強對國際先進技術(shù)的引進、消化和吸收．研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的貫流式水輪機產(chǎn)品和技術(shù)，這是提升我國貫流式水輪機技術(shù)和產(chǎn)業(yè)競爭力的必然途徑。此外，我國的各類水電資源開發(fā)，包括廣大農(nóng)村中小低水頭資源及海洋潮汐能源的規(guī)模開發(fā)，需要技術(shù)經(jīng)濟特性優(yōu)越的，包括各類貫流式水輪機在內(nèi)的多樣性的水輪發(fā)電機組設(shè)備，因此，應加強對軸伸貫流式水輪機的研究和推廣應用，完善軸伸貫流水輪機轉(zhuǎn)輪的研究并形成系列型譜；應加強對用于潮汐能源開發(fā)的雙向可逆貫流機組、全貫流機組及豎井貫流機組的技術(shù)開發(fā)和研究；對齒輪增速技術(shù)及設(shè)備在貫流機組的應用，以及貫流水輪機適用的調(diào)速設(shè)備的開發(fā)等技術(shù)課題，應進行全面的規(guī)劃布局和系統(tǒng)的研究。

4 結(jié)語

　　推進我國貫流式水輪機的技術(shù)發(fā)展，應對國內(nèi)的應用現(xiàn)狀和發(fā)展水平進行客觀的評估，對貫流機組的需求情況(包括近期和遠期需求)進行分析預測，制訂技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，指導發(fā)展研究。我國有巨大的市場需求，全面提升貫流機組的技術(shù)及應用水平，將為我國低水頭水電資源開發(fā)帶來巨大的經(jīng)濟效益，也將為我國貫流式水輪發(fā)電機組設(shè)備提高競爭力，進入國際市場提供強大的技術(shù)支持。