[挪威]E.奧普薩赫爾 [瑞典]E.霍爾門 [挪威]?.克羅維爾

首臺新型水輪發(fā)電機組在挪威海格塞特大壩進行中間試驗

[挪威]E.奧普薩赫爾 [瑞典]E.霍爾門 [挪威]?.克羅維爾

清潔能源公司(Clean Power)已在挪威海格塞特(Hegset)大壩安裝其首臺Turbinator機組,這是一種新型的水輪發(fā)電機組。Turbinator機組是將一臺軸流式水輪機和一臺發(fā)電機緊湊而又密封地組合在一起,利用環(huán)境排水口的泄水發(fā)電。對這種新型水輪發(fā)電機組的研發(fā)過程及優(yōu)良性能等作了簡單介紹,并對其開發(fā)利用前景進行了展望。

新型水輪機;水輪發(fā)電機組;試驗研究;海格塞特大壩;挪威

歐盟可再生能源指令(2009年)的總體目標(biāo)是,到 2020年,歐洲可再生能源將占能源總消耗的20%。同時,2000年的水框架指令(WFD)旨在到2015年改善所有水體的水質(zhì),包括水電站大壩下游河道的水質(zhì)。

為保護水生動植物,許多水電站大壩必須在每年的全部或部分時間里,下泄一定的流量。這種泄水稱為環(huán)境保護流量,WFD的實施將使環(huán)境保護流量大幅增加。例如,法國最大的水力發(fā)電公司—法國電力公司(EDF)估計,實施 WFD的結(jié)果相當(dāng)于關(guān)閉一個 800 MW的發(fā)電廠。

總部設(shè)在挪威克里斯蒂安桑(Kristiansund)的清潔能源公司,開發(fā)了組合式軸流水輪機和發(fā)電機,稱為 Turbinator機組(見圖 1)。它特別適合于在環(huán)境出水口發(fā)電。除了優(yōu)化環(huán)境保護補償流量和出水口形態(tài),該機組結(jié)構(gòu)緊湊,有一臺全密封的水冷發(fā)電機,安裝工地簡單,甚至不需要發(fā)電廠房。2010年,與歐洲可再生能源生產(chǎn)商斯塔特克拉夫特(Statkraft)公司合作,完成了一個試點安裝。

1 技術(shù)說明

Turbinator機組的水輪機為低水頭軸流式,其水輪機和發(fā)電機采用集成式,結(jié)構(gòu)緊湊,基底面很小。這種水輪機具有定槳式轉(zhuǎn)輪,試驗?zāi)Ｐ椭袑?dǎo)葉節(jié)距可變,在最終方案中確定節(jié)距。發(fā)電機是永磁同步電機,完全由清潔能源公司設(shè)計。永磁發(fā)電機的轉(zhuǎn)子直接固定在水輪機轉(zhuǎn)輪(端部驅(qū)動)外側(cè),即整個發(fā)電機/水輪機裝配成一個旋轉(zhuǎn)部件。Turbinator機組的上游側(cè)采用法蘭用螺栓直接與管道連接,在下游側(cè)裝一段管子,以形成水道。

圖1 Turbinator水輪發(fā)電機組

控制系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)視下全自動運行的特點,可適應(yīng)客戶的不同要求,將來還可安裝復(fù)雜的算法系統(tǒng),以優(yōu)化電力生產(chǎn)。

2 研 制

水輪機由瑞典的 E.霍爾門 (Evald Holmén)設(shè)計。設(shè)計理念基于其以前從事的轉(zhuǎn)槳式水輪機,將轉(zhuǎn)輪前的水道改變成所需的管道形狀。該轉(zhuǎn)槳式水輪機的模型試驗顯示,峰值效率為92.2%。該模型具有蝸殼與導(dǎo)葉,是常規(guī)的轉(zhuǎn)槳式水輪機設(shè)計。采用 8個葉片設(shè)計,留有抗空化裕度。模型水輪機的輪轂直徑較大,消除了部分轉(zhuǎn)輪的進口轉(zhuǎn)速差,該轉(zhuǎn)速差是轉(zhuǎn)槳式和貫流式水輪機之間半徑的函數(shù)。

按照所需性能,對模型試驗數(shù)據(jù)進行估算,要求轉(zhuǎn)輪直徑為 660mm,葉片角度為 19°。按簡單的貫流式設(shè)計,考慮設(shè)置固定導(dǎo)葉,但由于導(dǎo)葉是從軸向環(huán)轉(zhuǎn)變到徑向環(huán),難以估算其最佳凸輪角度,因此試驗?zāi)Ｐ桶惭b有 18個葉片的可移動導(dǎo)葉環(huán)。根據(jù)不同水頭的試驗?zāi)Ｐ瓦M行測量,對未來應(yīng)用的 Turbinator機組進行了協(xié)聯(lián)凸輪角度校準(zhǔn),意在簡化為固定導(dǎo)葉,并使其結(jié)構(gòu)特性更加完善。

安裝后的試運行顯示了預(yù)期的輸出功率性能數(shù)據(jù)。受安裝條件的限制,使得難以準(zhǔn)確測量絕對流量,但穿過壩體的管道(直徑為 450 mm)有相對較大的壓力損失,這樣就能夠測量相對流量,并求出相對效率。在最高效率點運行時,通過水輪機流量的決定因素始終是轉(zhuǎn)輪,因此,將模型試驗流量1.2 m3/s用作校準(zhǔn)相對流量。

發(fā)電機由清潔能源公司的 ?.克羅維爾(?ystein Kr?vel)設(shè)計,采用裝有 8個磁極的永磁同步發(fā)電機。定子特點為具有隨機圓形導(dǎo)線線圈的典型整數(shù)分布繞組。該發(fā)電機獨有的特點是濕氣隙,要求磁鐵和定子均能夠防水,結(jié)果是轉(zhuǎn)子和定子間的距離大。與具有大的濕氣隙的感應(yīng)和繞線磁場同步發(fā)電機相比,永磁轉(zhuǎn)子比其更具有優(yōu)點。

該發(fā)電機直接與電網(wǎng)連接,永磁發(fā)電機和電網(wǎng)之間沒有常用的轉(zhuǎn)換器。永磁發(fā)電機不能調(diào)整電壓和無功功率,因此無功功率潮流依賴于電網(wǎng)特性,即端電壓。設(shè)計時必須考慮不同的運行點,選擇合適的電壓降,以確保發(fā)電機可在預(yù)期范圍內(nèi)運行。所選的電網(wǎng)變壓器有多級調(diào)壓,以適應(yīng)較大的季節(jié)性變化或電網(wǎng)的永久性變化。

由于發(fā)電機和水輪機的設(shè)計必須相匹配,包括對水輪機轉(zhuǎn)速(最高轉(zhuǎn)速和同步轉(zhuǎn)速)和直徑等應(yīng)當(dāng)有一些限制。轉(zhuǎn)子內(nèi)徑就是轉(zhuǎn)輪的外徑。對于額定轉(zhuǎn)速和額定功率,轉(zhuǎn)子直徑的選擇比通常的要大得多,因此機組較短,有效長度和氣隙直徑之比為3∶1。轉(zhuǎn)子和定子磁軛應(yīng)盡可能薄,以使機組外徑尺寸盡量小。薄的磁軛磁密度加重(需避免磁損耗過大),但仍保持發(fā)電機的結(jié)構(gòu)小巧。為降低磁負(fù)荷,選擇的定子長度略有增加。清潔能源公司認(rèn)為,發(fā)電機的成功整合使機組結(jié)構(gòu)變得小巧、緊湊,整體性能非常好。

3 優(yōu) 點

Turbinator機組的設(shè)計重點是實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、堅固,這種設(shè)計也權(quán)衡了使其效率達到最高化。通過此法,在以前的一些水電工地安裝這種機組,以彰顯Turbinator機組的潛能,并扭轉(zhuǎn)這些工地經(jīng)濟不景氣的困局。其主要特點是:

(1)設(shè)計簡單堅固耐用,只有旋轉(zhuǎn)部分。

(2)占用空間小,適合場地狹窄的安裝工地。

(3)管道法蘭連接,安裝簡單。

(4)土建工程量小,只需修建能確保穩(wěn)定性的簡單的混凝土基礎(chǔ)。

(5)采用高效水冷卻的密封發(fā)電機。

(6)可以建在戶外,不需修建保護性建筑物。

(7)具有良好的效能。

(8)噪聲低。

4 安 裝

與傳統(tǒng)的小水電相比,安裝 Turbinator機組只要求完成最基本的準(zhǔn)備工作和土建工程。機組與上游的管道采用法蘭連接,由控制系統(tǒng)的電動閥門控制。采用螺栓將閥門與混凝土板連接,以確保其穩(wěn)定;在機組下游設(shè)一段水管,以確保所有方向的來水能連續(xù)不斷流向下游。

控制系統(tǒng)安裝在 Turbinator機組附近的現(xiàn)有建筑物內(nèi)。為能通過因特網(wǎng)實施遠(yuǎn)程控制,需在工地現(xiàn)場設(shè)一根因特網(wǎng)網(wǎng)線(可通過 GSM/GPRS等無線上網(wǎng))?？刂葡到y(tǒng)和 Turbinator機組敷設(shè)有信號電纜,Turbinator機組至電網(wǎng)變壓器敷設(shè)電力電纜,由控制系統(tǒng)控制。

在常規(guī)的小水電站中,通常用于非機電部分的費用約占總投資的 70%,而在安裝 Turbinator機組的電站,由于簡化了安裝,其非機電成本預(yù)計將低于總投資的 50%。

5 中間試驗

2010年 8月,在海格塞特壩安裝了首臺足尺模型進行中間試驗。該壩位于挪威南特倫德拉格(S?r-Tr?ndelag)縣的內(nèi)阿 (Nea)河上,在夏季的 5個月,生態(tài)環(huán)境要求泄水流量為1.5 m3/s,測量點位于下游 6 km。通過大壩生態(tài)環(huán)境泄水管的流量略低于此值,估計此管提供的流量為1.2 m3/s,不過加上鄰近小溪的水,可以確保測量點所需的最小流量。內(nèi)阿河以產(chǎn)鱒魚著名,所以必須采取一切預(yù)防措施,保護水生環(huán)境。

該項目已知條件為:通過大壩的管道直徑為450mm,壓力損失估計為 4m,約為毛水頭的 15%。總潮幅為 24.6～30.6 m。

圖2 發(fā)電機性能

圖3 水輪機性能

由于這種新設(shè)計設(shè)備的性能還未得到證實,通過挪威因諾瓦斯永(Innovasjon)公司,為試驗裝置獲得了公共配套資金。該工程總造價約為 69萬歐元,項目包括研究和開展工程所需的多方面的工作。Turbinator機組的發(fā)電機和水輪機性能分別示于圖2和圖 3。

2010年 10月 14日,完成了 Turbinator機組試驗?zāi)Ｐ偷陌惭b,且其運行時間已超過 98%。大部分停機是在夜間因中斷供電而自動關(guān)閉。2010年,在1 500 h的試驗運行期間,電廠已發(fā)電0.35 GW·h(平均功率為 234 kW)。已對 Turbinator機組進行拆卸和檢查,定于 2011年 4月重新安裝,并計劃在2011年 5月 1日開始下一個有水期的運行。

6 開發(fā)前景

展望未來,主要目標(biāo)是實現(xiàn)對 Turbinator機組的工業(yè)化設(shè)計。這就需對各方面進行必要的調(diào)整,以最大限度地降低制造費用,包括確定轉(zhuǎn)輪和發(fā)電機在內(nèi)的實際尺寸標(biāo)準(zhǔn),使之適應(yīng)每個安裝現(xiàn)場的參數(shù),對某些工地,只需增加一臺變頻器即可增加系統(tǒng)的靈活性。它能夠調(diào)節(jié)電壓和無功功率,也可調(diào)整轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速,從而調(diào)整最佳運行點以及與水頭密切相關(guān)的流量。增加變頻器有其優(yōu)點,但須解決好成本增加和功率損耗的矛盾。

將研究非并網(wǎng)運行(例如,農(nóng)村自給供電)的最優(yōu)配置以及先進的軸承系統(tǒng),這些也可能是永久磁鐵或水冷式復(fù)合軸承系統(tǒng)。

馬元珽 譯自英刊《水力發(fā)電與壩工建設(shè)》2010年第 11期

沙文彬 校

TK 730.7

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