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        從中國(guó)最早使用的燈泡貫流式機(jī)組談其興衰與發(fā)展

        2014-08-29 01:24:10蘅,波,彬,
        四川水力發(fā)電 2014年5期
        關(guān)鍵詞:貫流式轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)

        胡 錦 蘅, 余 波, 劉 彬, 李 文 浩

        (西華大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院,四川 成都 610039)

        在低水頭、大流量水電站中,燈泡貫流式和軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組是其兩種最常用的機(jī)型。貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的引水部件、轉(zhuǎn)輪、排水部件均布置在一條軸線(xiàn)上,水流平直通過(guò),是一種開(kāi)發(fā)利用低水頭、大流量水力資源的良好機(jī)型。在各種類(lèi)型的貫流式機(jī)組中,又屬燈泡貫流式機(jī)組適應(yīng)性最強(qiáng)、使用最廣。該機(jī)組采用水平布置,水輪機(jī)沒(méi)有蝸殼,土建開(kāi)挖量小,發(fā)電機(jī)裝置設(shè)在水輪機(jī)流道中的燈泡形殼體內(nèi),采用直錐擴(kuò)散形尾水管,流道短而平直、對(duì)稱(chēng),水流特性好,具有轉(zhuǎn)輪效率高、過(guò)流量大、發(fā)電機(jī)尺寸小、建設(shè)周期短、總體投資省等優(yōu)點(diǎn)。除此之外,其也存在單位電量耗水量大、油系統(tǒng)復(fù)雜、安裝及大修難度大等缺點(diǎn)(圖1)。

        圖1 燈泡貫流式機(jī)組模型示意圖

        軸流式水輪發(fā)電機(jī)組的葉片軸線(xiàn)與水輪機(jī)軸線(xiàn)垂直,水流在導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪之間由徑向流動(dòng)變?yōu)檩S向流動(dòng);而在轉(zhuǎn)輪區(qū)內(nèi),水流保持軸向流動(dòng),這種機(jī)組同樣適用于開(kāi)發(fā)較低水頭、較大流量的水力資源,屬于高比轉(zhuǎn)速機(jī)組。根據(jù)其轉(zhuǎn)輪葉片在運(yùn)行中能否轉(zhuǎn)動(dòng),又可分為軸流定槳式和軸流轉(zhuǎn)槳式兩種。特別是軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組,由于其轉(zhuǎn)輪葉片和導(dǎo)葉能隨著工況的變化形成最優(yōu)的協(xié)聯(lián)關(guān)系,從而提高了水輪機(jī)的平均效率,擴(kuò)大了運(yùn)行范圍,獲得了穩(wěn)定的運(yùn)行特性,因此,其更成為一種廣泛使用的機(jī)型。不過(guò),其存在氣蝕性能和強(qiáng)度條件差且土建施工土方開(kāi)挖量大的缺點(diǎn)。

        自20世紀(jì)70年代以來(lái),在涪江干流中游段射洪縣境內(nèi)先后落成的五座水電站中,上述兩種機(jī)型在幾十年來(lái)不斷地被輪換選用。筆者通過(guò)走訪(fǎng)實(shí)地考察和查閱大量資料,對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了思考與分析。

        1 中國(guó)最早使用的燈泡貫流式機(jī)組——東風(fēng)水電站1號(hào)機(jī)組

        東風(fēng)水電站位于四川省涪江干流中游段的射洪縣境內(nèi),現(xiàn)隸屬于國(guó)家電網(wǎng)四川明珠集團(tuán)有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“明珠公司”),設(shè)計(jì)水頭為6.3 m,一期工程于1971年10月建成。據(jù)筆者查閱相關(guān)資料得知:東風(fēng)水電站的1號(hào)機(jī)組是目前中國(guó)已知最早使用的燈泡貫流式機(jī)組,于“文化大革命”初期(1967年前)從日本富士電機(jī)株式會(huì)社進(jìn)口,由國(guó)家當(dāng)時(shí)的有關(guān)部門(mén)及四川省指定射洪縣按照“量體裁衣”的方式建成的全國(guó)第一座安裝貫流式機(jī)組的試驗(yàn)性水電站,比之前業(yè)界普遍認(rèn)為采用引進(jìn)設(shè)備的中國(guó)第一臺(tái)燈泡貫流式機(jī)組——湖南省馬跡塘電站的機(jī)組(1983年建成)早了十余年。

        東風(fēng)水電站1號(hào)機(jī)組的銘牌容量為2 500 kW,投運(yùn)至今已達(dá)44 a,累計(jì)運(yùn)行時(shí)間為26萬(wàn)余h,總發(fā)電量為5.6億kW·h,目前仍在運(yùn)行中。按照當(dāng)年的施工計(jì)劃,電站分兩期建設(shè),一期工程于1967年3月開(kāi)工,安裝了這臺(tái)進(jìn)口的貫流式機(jī)組(1號(hào)機(jī)組)并計(jì)劃在1968年試車(chē)運(yùn)行,但實(shí)際情況卻是在1971年10月1日該機(jī)組才正式發(fā)電,其中的原因就是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)完全沒(méi)有可供參考借鑒的關(guān)于燈泡貫流式機(jī)組的安裝經(jīng)驗(yàn),加之土建工程量大(引水渠長(zhǎng)達(dá)6.5 km)、施工方式原始及施工期間洪水突襲等原因,致使機(jī)組在其間被反復(fù)拆卸、修復(fù)和安裝,并且還有15名工人在安裝過(guò)程中犧牲了生命。在正常運(yùn)行兩年后,該機(jī)組就進(jìn)入了其問(wèn)題多發(fā)期,運(yùn)行情況開(kāi)始變得不理想,其2 500 kW的容量長(zhǎng)期只能按最大出力2 000 kW限定運(yùn)行,原因有三:一是機(jī)組在安裝過(guò)程中受到的磨損過(guò)多;二是因?yàn)槠錇閲?guó)內(nèi)第一臺(tái)燈泡貫流式機(jī)組,電站工作人員缺乏操作與維護(hù)的經(jīng)驗(yàn);三是因?yàn)槠涫沁M(jìn)口機(jī)組,備品備件奇缺或根本沒(méi)有(圖1)。

        圖2 東風(fēng)水電站前池及主廠(chǎng)房上游外觀(guān)圖

        2 從射洪縣五座水電站輪換選用兩種機(jī)型談燈泡貫流式機(jī)組的發(fā)展

        按照東風(fēng)水電站的施工計(jì)劃,1期工程完成了全部土建施工,廠(chǎng)房中預(yù)留了2號(hào)機(jī)組的機(jī)窩,2期工程將安裝1臺(tái)單機(jī)容量同為2 500 kW的國(guó)產(chǎn)貫流式機(jī)組。盡管?chē)?guó)家當(dāng)時(shí)已將另1臺(tái)同樣的機(jī)組(與1號(hào)機(jī)組同時(shí)進(jìn)口)指定由浙江蕭山水輪機(jī)制造廠(chǎng)進(jìn)行拆分、仿制(原計(jì)劃的東電2號(hào)機(jī)組就是其仿制的國(guó)產(chǎn)機(jī)組,且2期工程與1期工程不間斷進(jìn)行),但廠(chǎng)家遲遲提供不了產(chǎn)品,致使2期工程停止。與此同時(shí),我國(guó)對(duì)軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組的研發(fā)制造技術(shù)則相對(duì)于同期的燈泡貫流式機(jī)組要成熟得多,已經(jīng)擁有了一批技術(shù)過(guò)硬的廠(chǎng)商,國(guó)內(nèi)電站對(duì)其的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)業(yè)已豐富,因此,在1號(hào)機(jī)組發(fā)電效益不理想的情況下,明珠公司決定修建2期工程,即增加一臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組(機(jī)組由天津發(fā)電設(shè)備廠(chǎng)提供),工程于1980年7月開(kāi)工,1982年6月投運(yùn),在預(yù)留安裝貫流式機(jī)組的機(jī)窩中安裝了軸流式機(jī)組,因此就出現(xiàn)了在同一個(gè)廠(chǎng)房里布置兩種機(jī)型的局面(圖3)。2號(hào)機(jī)組投產(chǎn)后,其發(fā)電效益很快讓設(shè)置在同一廠(chǎng)房的1號(hào)機(jī)組相形見(jiàn)絀。此后,明珠公司相繼在涪江上(射洪縣境內(nèi))建起了螺絲池(3×10.5 MW,1991年3月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電)、金華(3×14 MW,1998年12月首臺(tái)機(jī)組發(fā)電,圖4)兩座中型水電站。由于受到東風(fēng)水電站1、2號(hào)機(jī)組表現(xiàn)出來(lái)的截然不同的效果影響,公司與設(shè)計(jì)方均堅(jiān)定不移地為這兩座電站選擇了由東方電機(jī)廠(chǎng)生產(chǎn)的軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組。

        圖3 東風(fēng)水電站1、2號(hào)機(jī)發(fā)電機(jī)層高差約達(dá)4 m的情景

        1984年,由我國(guó)自行研制的第一臺(tái)燈泡貫流式機(jī)組——廣東白垢電站的機(jī)組(轉(zhuǎn)輪直徑5.5 m、單機(jī)容量10 MW)投運(yùn),標(biāo)志著我國(guó)開(kāi)始具有制造燈泡貫流式機(jī)組的能力。不過(guò)此時(shí)還處于低級(jí)的仿制、消化吸收階段,與阿爾斯通、富士電機(jī)等國(guó)外著名廠(chǎng)家的產(chǎn)品差距仍然十分巨大。20世紀(jì)90年代初期,我國(guó)生產(chǎn)出了轉(zhuǎn)輪直徑為5.8 m、單機(jī)容量為18 MW的廣東英德白石窯機(jī)組,這是我國(guó)在仿制、吸收消化階段達(dá)到的最高水平。20世紀(jì)90年代后期,國(guó)內(nèi)廠(chǎng)家對(duì)燈泡貫流式機(jī)組的研制進(jìn)入了一個(gè)新的階段,通過(guò)合資和引進(jìn)技術(shù)等方式,使燈泡貫流式機(jī)組的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)能力大大增強(qiáng),大量先進(jìn)、獨(dú)具特色的燈泡貫流式機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造技術(shù)已被熟練掌握,對(duì)該類(lèi)機(jī)組的研制水平已經(jīng)站在了一個(gè)高起點(diǎn)上,特別是東方電機(jī)廠(chǎng),因?yàn)槠溟L(zhǎng)期與東風(fēng)水電站合作,對(duì)貫流式機(jī)組的開(kāi)發(fā)早,這一階段生產(chǎn)出來(lái)的貫流式機(jī)組與軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組相比已經(jīng)不再具有明顯的劣勢(shì)了。

        2000年以后,隨著四川紅巖子電站機(jī)組(3×30 MW、D1=6.4 m,東電于2001年生產(chǎn))、青海尼那電站機(jī)組(4×40 W、D1=6 m,天津阿爾斯通于2003年生產(chǎn))等一批燈泡貫流式機(jī)組投產(chǎn),標(biāo)志著我國(guó)燈泡貫流式機(jī)組的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)已經(jīng)具有了一定的規(guī)模和水平,機(jī)組的設(shè)計(jì)制造能力已接近國(guó)際先進(jìn)水平,并且已經(jīng)具備了生產(chǎn)大容量機(jī)組的能力。將這一階段生產(chǎn)的燈泡貫流式機(jī)組與軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組相比較,已經(jīng)具有了水輪機(jī)單位過(guò)流量大、效率高、年發(fā)電量高、穩(wěn)定性好等諸多優(yōu)勢(shì),并且還因?yàn)闊襞葚灹魇綑C(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊,使得土建工程量較小,從而可以縮短工期、提前發(fā)電。在隨后修建的、額定水頭低于30 m的低水頭大中型電站中,大多數(shù)均選用了燈泡貫流式機(jī)組。以青海尼那電站和甘肅烏金峽電站為例,若選用軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組,工程投資分別會(huì)增加4 000余萬(wàn)元和9 850萬(wàn)元,年平均發(fā)電量則會(huì)減少3 580萬(wàn)kW·h和2 380萬(wàn)kW·h。從相關(guān)數(shù)據(jù)分析看,電站水頭越低,選用燈泡貫流式機(jī)組的優(yōu)勢(shì)越明顯。因此,射洪縣最近幾年在涪江干流上新修建的打鼓灘電站(3×10.5 MW,2014年1月3臺(tái)機(jī)組全部發(fā)電,圖5)和柳樹(shù)電站(3×15 MW,在建中)直接采納了國(guó)內(nèi)其他新建電站的經(jīng)驗(yàn),舍棄了曾經(jīng)最為信任和熟悉的軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組,重新選擇了早已今非昔比的燈泡貫流式機(jī)組。

        圖4 金華水電站主廠(chǎng)房?jī)?nèi)景

        圖5 打鼓灘水電站主廠(chǎng)房?jī)?nèi)景

        據(jù)統(tǒng)計(jì),國(guó)內(nèi)目前還未開(kāi)工或處于工程規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的燈泡貫流式電站還有數(shù)十座,這些電站即將安裝的機(jī)組數(shù)量將達(dá)到數(shù)百臺(tái),其中不乏單機(jī)容量為40~50 MW、轉(zhuǎn)輪直徑為7 m左右的大型燈泡貫流式機(jī)組,它們的建設(shè)預(yù)示著我國(guó)在燈泡貫流式機(jī)組的設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域?qū)?huì)再豎立起一個(gè)里程碑。

        3 結(jié) 語(yǔ)

        隨著近幾年國(guó)家對(duì)低水頭水能資源和潮汐能資源的大力開(kāi)發(fā),低水頭電站的建設(shè)越來(lái)越多。燈泡貫流式機(jī)組由于其自身具有的優(yōu)勢(shì),近年來(lái)發(fā)展較快,在中小型低水頭電站的應(yīng)用中已有取代軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組的勢(shì)頭。筆者認(rèn)為:憑借著現(xiàn)階段燈泡貫流式機(jī)組明顯的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì),在計(jì)劃新建的額定水頭小于30 m的電站中宜優(yōu)先采用。但在中小型水電站的設(shè)計(jì)中,應(yīng)根據(jù)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較并對(duì)機(jī)組特點(diǎn)進(jìn)行綜合考慮后,再?zèng)Q定是選用燈泡貫流式還是軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組。以上僅為筆者一些不成熟的觀(guān)點(diǎn),若有不足欠妥之處,還望同行和前輩們指正。

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