葉 永，雷 未，牟玉池(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443000)

0 引 言

水電是一種優(yōu)質(zhì)的清潔能源，對其進(jìn)行充分合理地利用，以滿足社會(huì)發(fā)展需要，提高國民生活質(zhì)量，是構(gòu)建新型和諧社會(huì)的必要保證。除去在建和已建成的幾個(gè)大型水利樞紐，目前水電行業(yè)的發(fā)展重點(diǎn)，基本已經(jīng)轉(zhuǎn)向小型水電項(xiàng)目。小水電本身具有一系列優(yōu)點(diǎn)，它資源分布廣泛，技術(shù)成熟，對生態(tài)環(huán)境的負(fù)影響較小。目前，我國已建成農(nóng)村水電站45 000多座，裝機(jī)容量達(dá)到73 000 MW,年發(fā)電量達(dá)2 200多億kWh，超過了全國水電發(fā)電量的1/5,使3億多農(nóng)村人口告別了“無電生活”,為農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)[1]。受當(dāng)時(shí)科技和經(jīng)濟(jì)條件的限制，早期建成的眾多中小型水電站均已出現(xiàn)技術(shù)水平落后，設(shè)備設(shè)施老化，能效逐年衰減等諸多問題。這不僅未能充分利用寶貴的水資源，而且還存在諸多安全隱患。因此，對這些中小型電站進(jìn)行增效擴(kuò)容改造，能促進(jìn)我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整，節(jié)能減排，消除公共安全隱患，兼收國民經(jīng)濟(jì)與安全之雙重效益。本文以關(guān)門巖水電站增效擴(kuò)容改造工程為例，探討沖擊式水輪機(jī)選型方法，為同類小水電站更新改造中沖擊式水輪機(jī)選型提供參考依據(jù)。

1 工程概況

關(guān)門巖水電站位于湖北省長陽縣境內(nèi)，系淋湘溪流域水能梯級開發(fā)電站，電站于1987年底開始建設(shè)，1992年4月建成發(fā)電，水電站為徑流式水電站，裝機(jī)容量2×1 000 kW，關(guān)門巖水電站取水源有四處，分別為磨石溪取水壩、三叉溪取水壩、曬流溪取水壩和車溝取水壩。本工程引水渠系總長10 984 m，其中隧洞長度8 430 m，明渠長度2 554 m。設(shè)計(jì)引用流量0.8 m3/s，設(shè)計(jì)水頭為344.9 m，多年平均發(fā)電量為685萬 kWh，保證出力324.21 kW，年利用小時(shí)3 425 h。工程以發(fā)電為主，并擔(dān)負(fù)改善下游桃山一級電站引水和大沙壩灌溉渠灌溉任務(wù)。

2 存在問題

關(guān)門巖電站已運(yùn)行時(shí)間較長，目前主要存在以下幾方面問題：由于早期設(shè)計(jì)較為保守，經(jīng)多年運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，在豐水期棄水較多，說明裝機(jī)容量偏小；機(jī)組經(jīng)過多年運(yùn)行，磨損較為嚴(yán)重，效率逐年降低，機(jī)組維護(hù)投入逐年增加，年發(fā)電效益逐年下降；由于早期建設(shè)時(shí)科學(xué)技術(shù)較落后，電站自動(dòng)化程度較低，運(yùn)行不可靠；電站絕緣等級較低，存在諸多安全隱患。由于該電站存在這些問題，給企業(yè)和國家造成了較大經(jīng)濟(jì)損失。

3 改造方案

3.1 水能計(jì)算

水電站的水能計(jì)算主要涉及水電站出力、裝機(jī)容量和多年平均發(fā)電量等指標(biāo)，基本公式如下[2]。

出力：

B=9.81ηHQ

(1)

其中

η=η機(jī)η電η傳

年發(fā)電量：

(2)

代表年的多年平均發(fā)電量：

(3)

經(jīng)計(jì)算，改造后年發(fā)電量E年=(E豐+E平+E枯)/3=(1 346.06+1 099.79+796.14)/3=1 080.66萬kWh，P=85%保證出力Np為324.41 kW。

3.2 裝機(jī)容量選擇

關(guān)門巖水電站為徑流式水電站，原有裝機(jī)容量2×1 000 kW?？紤]現(xiàn)有廠房的安全性，充分利用現(xiàn)有壓力鋼管，控制引水渠系投資的基礎(chǔ)上，提出以下3種改造方案[3]，即1 250+1 250 kW、1 000+1 500 kW、1 000+2 000 kW，對改造方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較[4]，詳見表1。

從表1可以看出，方案3最具經(jīng)濟(jì)合理性，既能充分利用水力資源，又可以滿足電站正常運(yùn)行要求，且可以充分利用現(xiàn)有管道，所以采用方案3，即1 000+2 000 kW的裝機(jī)容量。

3.3 機(jī)型選擇

3.3.1水輪機(jī)機(jī)型初選

根據(jù)原始資料，該水電站運(yùn)行水頭范圍為314.2～359.41 m，查詢《水力機(jī)械》[5]中水輪機(jī)的類型及使用范圍可知，混流式水輪機(jī)的適用水頭范圍為30～700 m，而水斗式水輪機(jī)的適用水頭范圍為100～2 000 m，故而適合該電站水頭范圍的水輪機(jī)類型有混流式水輪機(jī)和水斗式水輪機(jī)。

表1 裝機(jī)容量技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表Tab.1 the comparison on technical and economic for installed capacity schemes

混流式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，效率較高，適用水頭自30～700 m的范圍，單機(jī)出力從幾十kW到幾十萬kW。目前這種水輪機(jī)最大出力已經(jīng)超過70萬kW，是我國現(xiàn)代應(yīng)用最廣泛的一種水輪機(jī)。

水斗式水輪機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單，其應(yīng)用水頭范圍100～2 000 m，尤其適用于高水頭，小流量的情況。目前最高應(yīng)用水頭已達(dá)到1 771.3 m，是沖擊式水輪機(jī)中應(yīng)用最廣泛的一種機(jī)型。且該機(jī)型的土建開挖量小，可降低電站造價(jià)。

選取混流式轉(zhuǎn)輪與水斗式轉(zhuǎn)輪進(jìn)行技術(shù)比較分析，結(jié)果可見表2。

表2 轉(zhuǎn)輪型式比較表Tab.2 The comparison for runner type

從表2可以看出，水斗式機(jī)組轉(zhuǎn)輪直徑略小于混流式機(jī)組，而混流式機(jī)組轉(zhuǎn)速和效率略高于水斗式機(jī)組，總體來看二者相差不大。但混流式機(jī)組吸出高度較大，這樣會(huì)增加廠房的開挖工程量。另一方面，當(dāng)機(jī)組突然丟棄全部負(fù)荷時(shí)，混流式機(jī)組閘門突然關(guān)閉，會(huì)在管道內(nèi)形成過大的水擊壓力，這就對壓力鋼管的要求更為嚴(yán)格。而若選擇水斗式水輪機(jī)，可讓折流板首先轉(zhuǎn)動(dòng)，在1～2 s內(nèi)使射流全部偏向，不再?zèng)_擊轉(zhuǎn)輪，此時(shí)針閥可緩慢地在5～10 s或更長一些時(shí)間內(nèi)關(guān)閉，而不至造成過大的水錘壓力。且本工程水頭較高，宜優(yōu)先選取沖擊式水輪機(jī)組，因此選擇水斗式機(jī)組。

3.3.2機(jī)組選型

根據(jù)水輪機(jī)型譜，適用于該電站水頭范圍的水斗式轉(zhuǎn)輪很多[6]，初選CJA237、CJA475兩種轉(zhuǎn)輪進(jìn)行分析、計(jì)算，比較結(jié)果見表3。

表3 機(jī)型方案比較Tab.3 The comparison for the unit type schemes

(1)轉(zhuǎn)輪直徑D1的選擇。當(dāng)主軸上裝有zp個(gè)轉(zhuǎn)輪，每個(gè)轉(zhuǎn)輪上裝有z0個(gè)噴嘴時(shí)，則轉(zhuǎn)輪的直徑應(yīng)為：

(4)

式中：Nτ、Hτ為額定出力和額定水頭；Q′1為單轉(zhuǎn)輪、單噴嘴在限制工況的單位流量；η為水輪機(jī)在限制工況的效率，根據(jù)模型轉(zhuǎn)輪在限制工況的Q′1和n′10，可先由模型特性曲線上查得相應(yīng)的ηM，并取η=ηM。

(2)射流直徑d0的選擇。

(5)

(3)轉(zhuǎn)速n的選擇。

(6)

式中：最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n′10可在模型綜合特性曲線圖上選取，所選定的轉(zhuǎn)速亦應(yīng)符合發(fā)電機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)同步轉(zhuǎn)速。

沖擊式水輪機(jī)的設(shè)計(jì)選型與混流式水輪機(jī)選擇時(shí)考慮的因素略有不同，因此對于本工程的機(jī)組選型，應(yīng)在考慮模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線和水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線的基礎(chǔ)上，充分考慮轉(zhuǎn)輪直徑比、機(jī)組尺寸、造價(jià)、機(jī)組效率和應(yīng)用程度等方面來選擇最佳機(jī)型。

(1)直徑比。對沖擊式水輪機(jī)來說，其特征參數(shù)不是轉(zhuǎn)速，而是直徑比m=D1/d0。若直徑比m過小，會(huì)導(dǎo)致效率下降，強(qiáng)度計(jì)算難以通過；若直徑比m過大，將使比轉(zhuǎn)速下降，能量指標(biāo)降低，又會(huì)使轉(zhuǎn)輪的風(fēng)損等損失增大，也會(huì)使效率下降。為使水輪機(jī)在運(yùn)行范圍均保持有較高的效率，所選出的m值應(yīng)為10～20。從表3中數(shù)據(jù)可以看出，CJA237的直徑比m=12.14、m=10.85和CJA457的直徑比m=12.12、m=10.83都符合要求。

(2)機(jī)組尺寸和造價(jià)。從上表可知，兩種機(jī)型的機(jī)組尺寸一致，轉(zhuǎn)輪參數(shù)也較為接近，特別是涉及對廠房開挖量的參數(shù)一致，例如排水高度，為保證水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行和具有較高效率，當(dāng)下游水位在設(shè)計(jì)最高尾水位時(shí)，尾水渠水面以上應(yīng)有足夠的通氣高度。根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，沖擊式水輪機(jī)的排水高度應(yīng)滿足1.0～1.5倍的轉(zhuǎn)輪直徑，這樣就土建二次開挖量和填量而言，兩種機(jī)型的成本是接近的。

(3)機(jī)組效率。根據(jù)水電站運(yùn)行水頭及水輪機(jī)模型綜合特性曲線，確定兩種機(jī)型的工作范圍，進(jìn)行比對得出：兩種機(jī)型均能保持在較高的效率范圍內(nèi)運(yùn)行，且均能達(dá)到89%以上，但CJA475的最優(yōu)效率高于CJA237。

在目前的科學(xué)技術(shù)上，尚無法根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確判斷原型機(jī)的真實(shí)效率，但卻可以保證新設(shè)計(jì)的水輪機(jī)效率不低于某些模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果。同時(shí)，因?yàn)閮煞N型號(hào)的沖擊式水輪機(jī)的效率非常接近，所以本文認(rèn)為其模型轉(zhuǎn)輪的最高效率可以作為沖擊式水輪機(jī)選擇比較的一個(gè)考慮因素[7]。如表3所示，CJA475模型轉(zhuǎn)輪的最高效率為91.6%，高于CJA237模型轉(zhuǎn)輪的最高效率90%。

(4)應(yīng)用前景。目前，我國水利事業(yè)不斷發(fā)展，水輪機(jī)的技術(shù)更新也日新月異。CJA237轉(zhuǎn)輪是上世紀(jì)90年代到本世紀(jì)開始幾年廣泛開始使用的一種轉(zhuǎn)輪，雖然現(xiàn)在仍然在很多電站在使用這種轉(zhuǎn)輪，但CJA237的設(shè)備技術(shù)已逐漸落后?，F(xiàn)在國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的是CJA475轉(zhuǎn)輪，這種轉(zhuǎn)輪早期在結(jié)構(gòu)上有一定問題，但后來采用了加強(qiáng)型結(jié)構(gòu)，部分在水斗后靠近根部增加了加強(qiáng)筋，使其強(qiáng)度有了很大提高。目前這種轉(zhuǎn)輪已經(jīng)逐漸取代了CJA237，所以本工程建議優(yōu)選CJA475機(jī)型。

4 結(jié) 語

本文首先根據(jù)水能計(jì)算結(jié)果，確定裝機(jī)容量，考慮原有的各種條件進(jìn)一步確定單機(jī)容量。再根據(jù)水輪機(jī)型譜，初選水斗式水輪機(jī)和混流式水輪機(jī)，并對其轉(zhuǎn)輪參數(shù)進(jìn)行了比較分析，驗(yàn)證了本工程選擇水斗式水輪機(jī)的優(yōu)越性。最后在前人的基礎(chǔ)上，初選若干合適機(jī)型后，從直徑比、機(jī)組尺寸、造價(jià)、機(jī)組效率和應(yīng)用前景等幾個(gè)方面綜合比較，選出最優(yōu)化的沖擊式機(jī)組方案。

農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造的核心是提高綜合能效，要重點(diǎn)抓好水輪機(jī)的改造。綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等多方面因素，既要做到合理利用水能資源，滿足技術(shù)先進(jìn)、安全適用、經(jīng)濟(jì)合理的要求，又要保證發(fā)揮更大的生態(tài)、社會(huì)效益。

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[1] 原文林,萬 芳.農(nóng)村小型水電站增效擴(kuò)容改造關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)研究[J].中國農(nóng)村水利水電,2015,(10):190-193.

[2] 鄧 歡,吳亞楊.小水電站增效擴(kuò)容的徑流和水能計(jì)算方法及應(yīng)用[J].水電能源科學(xué)，2014,32(5):160-164.

[3] 何俊仕,林洪孝.水資源規(guī)劃及利用[M].北京：中國水利水電出版社，2006.

[4] 王麗萍.水利工程經(jīng)濟(jì)學(xué)[M].北京：中國水利水電出版社，2008.

[5] 金鐘元.水力機(jī)械[M].北京：中國水利水電出版社，2007.

[6] SL76-2009，小水電站水能設(shè)計(jì)規(guī)程[S].

[7] 劉 怡,劉林濤.小型水電站更新改造中的沖擊式機(jī)組選擇[J].中國農(nóng)村水利水電,2013,(1):144-148.