丁 況

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

臥軸混流式雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用前景簡析

丁 況

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

簡述了臥軸混流式雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組的基本特點(diǎn)，通過調(diào)節(jié)投入運(yùn)行的轉(zhuǎn)輪數(shù)量，可以較好地解決流量變幅大的電站在小流量低負(fù)荷工況下的機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性問題，擴(kuò)大了臥軸混流式水輪機(jī)的運(yùn)行范圍，增加電站在枯水期的發(fā)電效益。同時(shí)，為該類型電站的機(jī)組選型提供了一種新的思路。

臥軸混流式； 雙轉(zhuǎn)輪； 水輪機(jī)； 流量變幅

0 前 言

目前，國內(nèi)外大容量機(jī)組的水電站越來越少，且諸多發(fā)展中國家電網(wǎng)薄弱，我公司跟蹤的國外電站中，以中小型甚至微型電站居多，并且國外水電站多為私人業(yè)主，對投資回報(bào)率相當(dāng)看重。因此，我公司在國內(nèi)外中小型電站的博弈中，不妨換一種設(shè)計(jì)思路，降低投資，從而獲得更多的市場份額。

臥軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組由于結(jié)構(gòu)簡單、土建工程量少、日常維護(hù)方便，在小容量電站中應(yīng)用十分普遍。但是，混流式水輪機(jī)相對較窄的運(yùn)行范圍，一定程度上限制了其應(yīng)用，特別是流量年內(nèi)變化大的電站，若枯水期來流量低于機(jī)組的最低穩(wěn)定運(yùn)行范圍相對應(yīng)的流量，則機(jī)組在此工況下運(yùn)行時(shí)，容易出現(xiàn)較大的噪音及振動(dòng)，對機(jī)組損害較大，且發(fā)電效率較低[1]，若停機(jī)，將損失電站枯水期電量，對電站的經(jīng)濟(jì)效益會造成一定的影響。針對這種流量變化大的中小型電站，需采取一定的措施保證機(jī)組的安全、穩(wěn)定、高效運(yùn)行。一般來講，常見的措施是增加機(jī)組臺數(shù)，降低單機(jī)容量，但是，隨著機(jī)組臺數(shù)的增加，整個(gè)電站的土建投資和機(jī)電設(shè)備投資將隨之大幅度增加。基于此，本文從機(jī)組選型方面，介紹一種臥軸混流式雙轉(zhuǎn)輪的水輪發(fā)電機(jī)組，可以解決中小型水輪機(jī)在小流量低負(fù)荷工況下的運(yùn)行穩(wěn)定性問題，節(jié)省工程投資，增加電站效益，縮短電站建設(shè)工期。

1 臥軸混流式雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組基本類型

目前，臥軸混流式雙轉(zhuǎn)輪的水輪發(fā)電機(jī)組主要有兩種型式：一是2套水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪背靠背布置，共用1套蝸殼和進(jìn)水閥、2套尾水管，發(fā)電機(jī)布置于端頭，其布置如圖1所示，以下簡稱“背靠背機(jī)組”；二是2套水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪單獨(dú)對稱布置，2套蝸殼和進(jìn)水閥、2套尾水管，發(fā)電機(jī)布置于2臺水輪機(jī)中間，其布置如圖2所示，以下簡稱“雙挑機(jī)組”。

從圖1、2中可以看出，臥軸混流式雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組與常規(guī)的混流式水輪發(fā)電機(jī)組相比，其設(shè)備組成及布置方式明顯不同。并且，“背靠背機(jī)組”與“雙挑機(jī)組”的2個(gè)轉(zhuǎn)輪均配置有單獨(dú)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，因此，在小流量低負(fù)荷工況下，可以通過關(guān)閉1套導(dǎo)水機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)單轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行。

圖1 “背靠背機(jī)組”示意 圖2 “雙挑機(jī)組”示意

2 不同型式的混流式水輪發(fā)電機(jī)組的對比分析

眾所周知，立軸混流式水輪機(jī)和常規(guī)的臥軸混流式水輪機(jī)是2種最常見的混流式水輪機(jī)型式。本文對臥軸混流式雙轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)與上述2種常見的混流式水輪機(jī)進(jìn)行了對比分析。

(1)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組適用范圍廣，單機(jī)容量從幾百千瓦至上百萬千瓦均可使用，其技術(shù)成熟，業(yè)績多，設(shè)計(jì)、制造及安裝較為簡單，國內(nèi)水輪發(fā)電機(jī)組制造廠家均能生產(chǎn)制造，但是其廠房一般為多層布置，開挖深度大，土建工程量較大，建設(shè)工期長，投資較多。

(2)常規(guī)的臥軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組的廠房一般為單層布置，土建投資少，建設(shè)工期短，在中小型電站中應(yīng)用較多，但其對單機(jī)容量和轉(zhuǎn)輪直徑有一定限制，目前,國內(nèi)水輪發(fā)電機(jī)組制造廠業(yè)績中，哈爾濱電機(jī)廠曾在巴拿馬供貨單機(jī)容量11.27 MW，轉(zhuǎn)輪直徑1.32 m的臥軸混流式單轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組，重慶水輪機(jī)廠曾在泰國供貨單機(jī)容量10.0 MW，轉(zhuǎn)輪直徑1.52 m的臥軸混流式單轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組，其他水輪發(fā)電機(jī)組制造廠家均表示常規(guī)的臥軸混流式單轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組一般應(yīng)用于單機(jī)容量不超過6 000 kW，轉(zhuǎn)輪直徑不超過1.3 m的機(jī)組。

(3)臥軸混流式雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組與上述2種常見的混流式水輪發(fā)電機(jī)組相比，具有顯著的特點(diǎn)。首先，相對于立軸機(jī)組，臥軸機(jī)組的土建投資大大降低，建設(shè)工期短。另一方面，通過調(diào)節(jié)2套獨(dú)立的控制機(jī)構(gòu)，既可以單轉(zhuǎn)輪運(yùn)行，也可以雙轉(zhuǎn)輪運(yùn)行，運(yùn)行靈活，高效運(yùn)行范圍寬，低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行效率較高。一般來講，混流式水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍為相應(yīng)水頭下的機(jī)組保證功率的45%～100%[3]，常規(guī)的混流式水輪發(fā)電機(jī)組在低于45%保證功率運(yùn)行時(shí)，機(jī)組振動(dòng)及噪音大，對機(jī)組損害嚴(yán)重，將大大縮短機(jī)組使用壽命，并且機(jī)組運(yùn)行效率較低。臥軸混流式雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組則不同，由于采用雙轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)，實(shí)際使用等同于1套設(shè)備、2臺水輪機(jī)，每臺水輪機(jī)的容量相當(dāng)于相同容量單轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)容量的一半，通過調(diào)節(jié)投入運(yùn)行的轉(zhuǎn)輪數(shù)量，理論上其最低穩(wěn)定運(yùn)行范圍可擴(kuò)展至相應(yīng)水頭下機(jī)組保證功率的22.5%，并且單轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)最低保證功率的45%對雙轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)來說，若只運(yùn)行一個(gè)轉(zhuǎn)輪，則為相應(yīng)容量的90%，基本在額定點(diǎn)運(yùn)行，運(yùn)行效率較高。

(4)從設(shè)計(jì)制造角度來看，水輪機(jī)的水推力隨著機(jī)組容量的增加而增大，機(jī)組推力軸承的設(shè)計(jì)制造難度隨之增加，因此，推力軸承是制約常規(guī)臥軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)計(jì)制造的一大因素。由于臥軸混流式雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)輪中的水流方向相反(“背靠背”機(jī)組)或水輪機(jī)對稱布置(“雙挑”機(jī)組)，水輪機(jī)的水推力可以相互抵消，從而降低機(jī)組推力軸承的設(shè)計(jì)難度。從這一方面來看，臥軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組的適用容量可以大幅度提高。

3 “背靠背機(jī)組”和“雙挑機(jī)組”的對比分析

從圖1、2可以看出，“背靠背機(jī)組”和“雙挑機(jī)組”設(shè)備配置明顯不同，各具優(yōu)缺點(diǎn)。具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)“背靠背機(jī)組”兩個(gè)轉(zhuǎn)輪的水流通過蝸殼中間的導(dǎo)流板進(jìn)行流量分配，單轉(zhuǎn)輪運(yùn)行時(shí)，可能會存在水流分配不均勻，導(dǎo)致2個(gè)轉(zhuǎn)輪有一定的干涉，并且導(dǎo)流板的設(shè)計(jì)、制造及安裝精度，對機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性及效率有較大的影響。

(2)“背靠背機(jī)組”的主軸貫穿2個(gè)尾水管，對尾水管的水流形態(tài)有一定影響，某些工況下，會造成尾水管壓力脈動(dòng)激增，不利于機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性和尾水管能量的回收。

(3)“背靠背機(jī)組”共用1套蝸殼，只需要設(shè)置1套進(jìn)水閥?！半p挑機(jī)組”的每臺水輪機(jī)配置獨(dú)立的蝸殼和進(jìn)水閥?！半p挑機(jī)組”進(jìn)水閥公稱直徑相對較小，因此，2種機(jī)組進(jìn)水閥投資基本相當(dāng)。

(4)“背靠背機(jī)組”共用1套蝸殼，壓力鋼管不用分叉?！半p挑機(jī)組”的每臺水輪機(jī)配置獨(dú)立的蝸殼，若機(jī)組臺數(shù)較多，則壓力鋼管分叉隨之增多，壓力鋼管的設(shè)計(jì)和布置較為復(fù)雜，并且可能會由于壓力鋼管的布置引起廠房尺寸的增加，從而增加投資。

(5)“背靠背機(jī)組”一般為4支點(diǎn)結(jié)構(gòu)，一方面造成機(jī)組主軸較長，另一方面對于分段大軸且剛性連接來說，要保證同心困難較大，給安裝及今后的檢修帶來不便[4]?！半p挑機(jī)組”一般為2支點(diǎn)結(jié)構(gòu)，安裝檢修方便。

(6)“背靠背機(jī)組”在檢修發(fā)電機(jī)時(shí)不需要拆解水輪機(jī)，而“雙挑機(jī)組”在檢修發(fā)電機(jī)時(shí)，必須將一邊的水輪機(jī)拆解，稍顯麻煩。

4 臥軸混流式雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組的國內(nèi)外生產(chǎn)制造情況

經(jīng)與國內(nèi)一些水輪發(fā)電機(jī)組制造廠家溝通交流，國內(nèi)的幾個(gè)廠家已經(jīng)有臥軸混流式雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組的生產(chǎn)業(yè)績，詳見表1。

經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料[2]，“背靠背機(jī)組”在國外一些電站也有應(yīng)用業(yè)績，詳見表2。

目前來看，國內(nèi)的機(jī)組制造廠家有能力生產(chǎn)臥軸混流式雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組，并且從廠家反饋的結(jié)果來看，臥軸混流式雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行中無重大問題，但是，目前已投運(yùn)的機(jī)組較少，并且有些電站年代久遠(yuǎn)，機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性有待更多投運(yùn)機(jī)組進(jìn)一步檢驗(yàn)。

表1 臥軸混流式雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組國內(nèi)廠家制造業(yè)績

表2 國外電站“背靠背機(jī)組”應(yīng)用業(yè)績

5 國外某電站臥軸混流式機(jī)組選型實(shí)例分析

近期，我公司跟蹤了國外某電站，該電站基本參數(shù)為：單機(jī)容量11.5 MW,裝機(jī)臺數(shù)3臺,最大水頭64.0 m,額定水頭57.8 m。

根據(jù)本電站的單機(jī)容量及水頭范圍，水輪發(fā)電機(jī)組型式通常的設(shè)計(jì)思路是選擇立軸混流式或臥軸混流式機(jī)組。立軸混流式機(jī)組因主廠房開挖深度大，土建工程量較大，建設(shè)工期較長，投資較多，在本電站使用顯然是不經(jīng)濟(jì)的；適合于本電站的機(jī)組型式應(yīng)該是臥軸混流式機(jī)組。為此，與國內(nèi)某制造廠就該機(jī)組選型問題作了進(jìn)一步溝通交流，制造廠推薦“雙挑機(jī)組”和常規(guī)的臥軸混流式單轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)2種方案供選擇。

“雙挑機(jī)組”相關(guān)基本參數(shù)為：機(jī)組型式為臥軸混流式雙轉(zhuǎn)輪,轉(zhuǎn)輪直徑1.2 m,額定轉(zhuǎn)速500 r/min,進(jìn)水閥公稱直徑1.6 m;

常規(guī)臥軸混流式單轉(zhuǎn)輪機(jī)組相關(guān)基本參數(shù)為:機(jī)組型式為臥軸混流式單轉(zhuǎn)輪,轉(zhuǎn)輪直徑1.65 m,額定轉(zhuǎn)速375 r/min,進(jìn)水閥公稱直徑2.4 m。

從2種機(jī)型的基本參數(shù)可以看出，常規(guī)的臥軸混流式單轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)1.65m，已超過目前已投運(yùn)的臥軸混流式單轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)的最大轉(zhuǎn)輪直徑，若按單轉(zhuǎn)輪進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，則日常運(yùn)行有一定的風(fēng)險(xiǎn)。另外，本電站枯水期來流量較小，臥軸混流式單轉(zhuǎn)輪水輪機(jī)在枯水期無法運(yùn)行。

與同容量的臥軸混流式單轉(zhuǎn)輪機(jī)組相比，雖然水輪機(jī)多了1套轉(zhuǎn)輪及相應(yīng)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，但“雙挑機(jī)組”的轉(zhuǎn)速較高，相應(yīng)的發(fā)電機(jī)總體造價(jià)也降低。“雙挑機(jī)組”雖然需設(shè)置2套獨(dú)立的進(jìn)水閥，但其公稱直徑較臥軸混流式單轉(zhuǎn)輪機(jī)組減小約1/3，就進(jìn)水閥而言，設(shè)備投資相差不大。其余配套設(shè)備的投資，“雙挑機(jī)組”和常規(guī)的臥軸混流式單轉(zhuǎn)輪機(jī)組基本相同。相比臥軸混流式單轉(zhuǎn)輪機(jī)組，制造廠推薦的“雙挑機(jī)組”單臺套的主要機(jī)電設(shè)備投資減少將近100萬人民幣，并且可以在不影響機(jī)組運(yùn)行的情況下，對起重1臺水輪機(jī)進(jìn)行檢修。

因此，針對本電站的實(shí)際情況，我們推薦了“雙挑機(jī)組”作為水輪發(fā)電機(jī)組的最終選型方案。

6 市場前景展望

基于以上分析，臥軸混流式雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組在流量變化大的電站中，可以有較好的應(yīng)用，并且雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組可以提高常規(guī)臥軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組的適用容量。對于高水頭電站，雙轉(zhuǎn)輪甚至多轉(zhuǎn)輪沖擊式水輪發(fā)電機(jī)組也是一個(gè)較好的替代機(jī)型。

目前，我公司跟蹤的中亞地區(qū)某些新建和改造項(xiàng)目，業(yè)主明確提出希望采用臥軸混流式雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組以節(jié)省工程投資。國內(nèi)的一些機(jī)組制造廠家已有該類型機(jī)組的生產(chǎn)業(yè)績，不妨在某個(gè)項(xiàng)目中采用該機(jī)型進(jìn)行試點(diǎn)，在滿足業(yè)主要求的同時(shí)，也為我公司在中小型電站的設(shè)計(jì)增加經(jīng)驗(yàn)，從而在眾多中小型電站的競標(biāo)中脫穎而出。

7 結(jié) 論

本文簡要分析了臥軸混流式雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組的技術(shù)特點(diǎn)和市場應(yīng)用前景，初步可以得出以下結(jié)論：

(1)臥式機(jī)組較立式機(jī)組能大幅度地節(jié)約土建工程量；

(2)臥軸混流式雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組可以較好地解決流量變化大的電站在小流量低負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行穩(wěn)定性問題；

(3)臥軸混流式雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組提高了臥軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組的適用容量；

(4)對來流量及負(fù)荷變化大的中小型電站，“背靠背機(jī)組”適用小容量臥式機(jī)組，“雙挑機(jī)組”適合更大容量的臥式機(jī)組;

(5)可進(jìn)一步研究更大容量的單、雙轉(zhuǎn)輪機(jī)組，以節(jié)省電站投資并縮短電站建設(shè)工期。

[1] 陳少武. 雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組在水電站中的應(yīng)用[J]. 小水電, 2015(5): 53-54.

[2] D·羅伯特. 用于流量變化大的雙轉(zhuǎn)輪混流式水輪機(jī)[J]. 水電站技術(shù), 1996(3): 67-70.

[3] 中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會. GB/T 15468-2006 水輪機(jī)基本技術(shù)條件[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2006.

[4] 倪國明. 雙挑水輪發(fā)電機(jī)組技術(shù)引進(jìn)與應(yīng)用研究成果分析[J]. 中國農(nóng)村水電及電氣化, 2006(8): 41-42.

2017-01-12

丁況(1984-)，男，河南西華縣人，碩士，工程師，從事水電站水力機(jī)械設(shè)計(jì)工作。

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