鄭吉斯，李志華，晉成龍

(1.深圳市恩萊吉能源科技有限公司，廣東？深圳？518133；2.廣西桂水電力股份有限公司崇左發(fā)電分公司，廣西？崇左？532200；3.中水淮河規(guī)劃設計研究有限公司，安徽？合肥？230601)

1 概 述

環(huán)境可持續(xù)性和生態(tài)保護日益成為全球關注的焦點，綠色水電已經(jīng)轉變?yōu)樗姰a(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心策略[1]。特別是在中低水頭水電站領域，由于其數(shù)量龐大、地理分布廣泛、管理復雜性增加，以及頻繁位于生態(tài)敏感區(qū)域，環(huán)境保護問題已成為一項受到廣泛關注的挑戰(zhàn)[2]。為促進行業(yè)的可持續(xù)性，水利部發(fā)布了《綠色小水電評價標準》(SL/T 752—2020)，旨在規(guī)范小型水電站的建設和運營，其中包含大量的中低水頭電站。然而，達成這些可持續(xù)目標的前提是采用集安全性、環(huán)境友好性、經(jīng)濟性和技術性于一體的先進技術[3]。

水輪機作為水電站的關鍵組件，其與環(huán)保相關的技術創(chuàng)新已成為研究的重點。當前，全球綠色水電標準對水輪機的主要要求可概括為兩點：一是減少或消除油品泄漏；二是確保生物多樣性，如通過允許魚類安全通過[4_5]。在這一背景下，各種技術進展都專注于優(yōu)化水輪機在這兩方面的性能。

我國小型水電站的開發(fā)高峰主要出現(xiàn)在21世紀初，受限于當時的技術和生產(chǎn)周期，許多現(xiàn)存設備已顯示出老化跡象，影響其經(jīng)濟性和適用性。與此同時，由于國家政策對小型水電站進行提標和改造的支持，相關的技術創(chuàng)新和應用，如高油壓槳葉調節(jié)技術，也正在迅速發(fā)展并逐漸成熟。該技術基本解決了傳統(tǒng)轉槳式水輪機的油品泄漏問題，但隨著機械行業(yè)的技術升級，純水液壓傳動技術在轉槳式水輪機的應用潛力開始受到關注[6]。經(jīng)過多年的研究和測試，目前全球首個采用純水作為液壓介質的水輪機槳葉調節(jié)系統(tǒng)已在廣西農(nóng)本水電站成功實施。本研究旨在深入分析農(nóng)本水電站采用的水介質葉片調節(jié)系統(tǒng)的結構和特性，可為該領域的進一步研究和技術推廣提供有力的支持和參考。

2 工程背景

2.1 生態(tài)環(huán)境背景

本研究所關注的電站位于黑水河水系，該水系為左江流域的一級支流，且穿越越南流域，主要位于非工業(yè)化區(qū)域。圖1展示了壩址下游流域的生態(tài)敏感性分布云圖，該分布是基于路網(wǎng)、土地利用情況、水系、地形坡度、坡向以及植被覆蓋等6個關鍵因素的疊加分析得出的。圖1的數(shù)據(jù)明確顯示，從電站壩址到左江匯入口的區(qū)域基本上屬于生態(tài)高度敏感區(qū)域。同樣地，除了崇左市區(qū)之外，附近流域大部分也呈現(xiàn)出高度生態(tài)敏感性。

圖1 農(nóng)本水電站壩址下游生態(tài)敏感性分析云圖

綜合考慮，該流域下游幾乎缺乏工業(yè)活動，主要以農(nóng)業(yè)和林業(yè)為主導產(chǎn)業(yè)，地形坡度相對平緩，生態(tài)環(huán)境敏感性顯著。因此，任何對環(huán)境的負面影響都有可能因地理條件而被放大，從而對當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)和旅游產(chǎn)業(yè)構成威脅。綜上所述，為了維護當?shù)丨h(huán)境的可持續(xù)性并確保社會經(jīng)濟效益，采用新型無油泄漏技術在電站運營中具有重要的實用價值和理論意義。

2.2 項目背景

農(nóng)本水電站最初設計擁有3臺軸流式水輪機組，其中，1號和2號機組為ZZ580—LH—250型，分別在1995年投入運行；而3號機組為ZD580—LH—250型，于2000年投入運行。原始總裝機容量為9 600 kW，在2016年進行了增效擴容改造，裝機容量提升至3×3 750 kW。在改造之前，原有調速器的操作油壓等級為4.0 MPa，改造后，導葉操作油壓提升至16 MPa；而槳葉操作油壓保持不變，維持在4.0 MPa；因此，電站目前運營2套獨立的油壓系統(tǒng)。電站擴容后現(xiàn)有3臺軸流轉槳式水輪發(fā)電機組，型號為ZZK400—LH—250和SF3750—28/3900。電站的多年平均發(fā)電量為4 980萬kW·h，年利用小時數(shù)達到4 427 h。

該電站的ZZK400型號機組為該項目的實施對象。針對該機組目前的運行情況，識別出了一系列主要問題，其對機組性能和運行可靠性會產(chǎn)生明顯影響：

首先，該機組的導葉和槳葉分別采用了2套獨立的油壓裝置，這導致了結構復雜性的增加，進而增加了運行檢修的難度和備品備件規(guī)格的多樣性。

其次，漏油問題相當嚴重，不僅導致大量油液資源的浪費，還對環(huán)境產(chǎn)生負面影響，尤其是在可能污染河道的情況下，環(huán)保風險和安全隱患極為突出。

第三，由于維護困難，運行人員面臨的工作任務壓力相對較大，同時年均檢修成本也相對較高。

第四，在實際發(fā)電過程中，機組的槳葉操作系統(tǒng)曾多次出現(xiàn)串油現(xiàn)象，這一現(xiàn)象與導葉和槳葉的油壓不一致有關，油壓等級分別為16 MPa和4 MPa。因油壓不一致，當槳葉操作系統(tǒng)處于自動狀態(tài)時，會出現(xiàn)明顯的系統(tǒng)振動和擺度增加，嚴重時甚至導致轉輪槳葉無法正常開啟；這種不準確的機組協(xié)聯(lián)導致發(fā)電效率下降約5%。

第五，槳葉反饋線存在偶爾拉斷的問題，同時液壓油也會頻繁地漏入機組內(nèi)部，這種現(xiàn)象不僅影響機組的正常運行，還可能對發(fā)電機的絕緣性能造成不良影響。

綜上所述，這些問題不僅影響了該ZZK400型號機組的運行效率和可靠性，還對環(huán)境和運行人員帶來了一系列的負面影響。因此，解決這些問題對于提高該電站整體性能和可持續(xù)性至關重要。

3 純水介質葉片調節(jié)器及特點

3.1 技術概況

該系統(tǒng)由高壓水供應系統(tǒng)、葉片驅動機構以及智能控制系統(tǒng)三大核心組件構成，具體的技術指標如表1所示。在額定壓力方面，系統(tǒng)采用了目前廣泛應用的16 MPa調速器操作油壓力。至于環(huán)境溫度，由于水的冰點限制，系統(tǒng)的最低工作溫度設定為1℃；相對于傳統(tǒng)液壓油系統(tǒng)，這一點有所局限。關于系統(tǒng)的內(nèi)泄水量，這一指標主要反映在葉片進行行程操作過程中，從高壓端泄漏至低壓端的水介質流量。從測試結果來看，該系統(tǒng)在運行過程中只有極小量的泄漏，這一點強烈表明了其出色的能效性能?？傮w而言，該純水介質水輪機葉片調節(jié)系統(tǒng)在各項性能指標上均滿足或超過了國內(nèi)外相關技術標準和規(guī)范要求，具有顯著的應用潛力和經(jīng)濟價值。

表1 純水介質葉片調節(jié)器主要技術指標

3.2 高壓水系統(tǒng)特點

高壓水系統(tǒng)的基礎原理如圖2所示。盡管流體介質從油到水的轉變對于液體傳動系統(tǒng)的基本原理影響有限，流程結構變化不大；然而水與油在物理和化學屬性上的差異導致了在技術實施方面必須進行顯著的調整。

圖2 農(nóng)本水電站高壓水系統(tǒng)原理圖

首先，考慮到水具備較強的腐蝕性質，系統(tǒng)中的全部靜態(tài)組件，包括但不局限于管道、閥體、球閥以及蓄能器等，均需采用具有出色抗腐蝕性的不銹鋼材料進行制造；這一特性對制造過程的精度和質量提出了更為嚴格的標準。其次，由于水的飽和蒸汽壓相對較高，在一些高速運轉的機械部件中可能觸發(fā)氣蝕現(xiàn)象，尤其是在高壓柱塞泵環(huán)境下更為敏感。為解決這一問題，本系統(tǒng)特別在柱塞泵的前端配置了1臺預增壓泵，以確保泵系統(tǒng)始終在正壓環(huán)境下運行，從而顯著降低了氣蝕的風險。

在液壓調節(jié)系統(tǒng)中，水作為工作介質具有低黏度的特性，因此對密封間隙非常敏感，容易導致較大的泄漏量。傳統(tǒng)小型高油壓調速器經(jīng)常采用滑閥形式的三位四通插裝閥進行槳葉控制，這種滑閥設計對閥芯與閥體間的配合精度要求極高，加工難度相對較大。進一步地，如果將閥芯和閥體的材質替換為含有氧化層的耐蝕金屬，這無疑會加劇加工和潤滑的挑戰(zhàn)。泄漏量Q(mm3/s)可以根據(jù)哈根泊肅葉(Hagen_Poiseuille)公式來量化，其表示為[7]：

(1)

式中，d為閥芯密封直徑(mm)，e為密封帶間隙(mm)，μ為介質的動力黏度(N/mm2·s)，L為密封長度(mm)，ΔP為壓差(N/mm2)。

該公式揭示了泄漏量Q與L和μ成反比關系。由于滑閥結構通常比較緊湊(L較小)，并且水介質的動力黏度μ遠小于油，泄漏風險因此顯著增大。

為解決這一問題，農(nóng)本水電站的控制策略采用了由4個單獨的兩位兩通電磁閥組合聯(lián)動的方式，詳見圖3。這種直動式密封結構對水的密封性能較好，泄漏風險相對較低。由于密封過程中始終是軸向施力，因此密封層可以采用如NBR橡膠或PTFE等具有優(yōu)越潤滑性能的柔性材料，相應地降低了加工精度要求，獲得了更好的密封性能。

圖3 控制閥組原理圖

閥組的工作原理如圖3所詳細示出，其中與壓力入口P口相連的2個電磁閥1和2是常閉閥，分別連接到接力器的A和B腔；另外2個電磁閥負責控制回油油路的通斷，設置為常開?；钊恢玫母淖兺ㄟ^電磁閥的電控開/關來實現(xiàn)，而活塞位置的穩(wěn)定性則由位于葉片驅動系統(tǒng)內(nèi)的液壓鎖(參見圖2)保證；這種控制方案有效地緩解了由于水介質特性導致的泄漏和控制精度問題。

綜上所述，本高壓水系統(tǒng)在維持液體傳動基礎原理的同時，針對水作為工作介質所帶來的獨特挑戰(zhàn)，作出了一系列技術優(yōu)化和改進，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。

3.3 葉片驅動系統(tǒng)特點

如圖4所展示的，該部分系統(tǒng)的葉片驅動部分涉及一系列機械與液壓傳動元件，范圍從受水器至水輪機內(nèi)部。表2則歸納了其中包含的主要密封材料，特別是在受水器組件中，由于水的低動力黏度和相對較大的泄漏量，該系統(tǒng)對密封性能提出了更嚴格的要求。傳統(tǒng)在受油系統(tǒng)或配壓閥中使用的間隙密封在這種場合已不再適用。

表2 葉片驅動系統(tǒng)各部分材料

圖4 葉片驅動系統(tǒng)系統(tǒng)圖

為解決該問題，系統(tǒng)采用了一種新型親水復合材料，該材料與水導軸承中所使用的材料類似，既具有良好的水潤滑性，又具有高的結構強度。這些材料與柔性橡膠圈結合，共同確保了該部分的密封和潤滑性能。此外，軸頭和襯套部分為了維護機械結構的穩(wěn)定性以及防止由于腐蝕導致的潛在風險，選用了具有更強耐蝕性的2205雙相不銹鋼作為主要材料，詳見表2。然而，值得注意的是，即便在這種高度優(yōu)化的設計下，如果水中存在氧氣或氫離子，完全消除耗氧腐蝕或析氫腐蝕仍然是一項挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)顯示，軸頭和外襯套部分的配合間隙約為10 μm。在這樣的條件下，即便是微量的金屬銹蝕或通過流體介質傳播的微小銹蝕顆粒也有可能引發(fā)卡阻，導致該旋轉組件的溫度顯著升高，甚至抱死。

為提高系統(tǒng)的可靠性，設計了一種主受水器與副受水器串聯(lián)的冗余結構。當主受水器出現(xiàn)明顯卡阻時，該冗余設計允許備用受水器繼續(xù)正常運轉，同時生成警報，提示主受水器已經(jīng)出現(xiàn)卡阻，從而便于后續(xù)的維護和修理工作。

3.4 對于性能特點的討論

首先，在流體動力特性方面，水具有較低的動力黏度，導致其在旋轉間隙內(nèi)的熱生成量較油為低。更進一步，由于水的比熱明顯大于油，其溫度上升緩慢。綜合這些因素，實際運行條件下，受水器與高油壓受油器相比，并沒有明顯的溫升劣勢。

其次，水的彈性模量大約為油的3/4，因此在流體壓縮過程中，水能更有效地減少由體積形變引起的能量損失。這一特性還賦予水在控制響應速度和精度方面的一定優(yōu)勢，特別在一些關鍵的PID控制場景下，如導葉關閉過程的大波動條件，水作為工作介質能更好地體現(xiàn)其高靈敏性和可靠性。

從環(huán)境和經(jīng)濟角度來看，使用水作為工作介質具有明顯優(yōu)勢。具體而言，純凈水的生命周期碳排放當量約為0.004 t CO2e·m-3，而液壓油則在1 t CO2e·m-3數(shù)量級，顯示出水在碳排放減緩方面具有巨大的潛力。以我國目前主要使用油介質的水輪機調速器為例，如果能采用水介質替代油介質，其環(huán)境效益將是顯著的。

然而，使用水作為工作介質也存在一系列挑戰(zhàn)。首要問題是設備成本高且市場接受度低，這主要是因為相應的水壓技術仍處于發(fā)展階段，導致組件無法大規(guī)模生產(chǎn)。另一個問題是，由于水對溫度極度敏感，應用該技術在高緯度地區(qū)可能需要額外的冗余溫度控制設備，從而導致額外的能源消耗。最后，水的低黏度和彈性模量可能引發(fā)更大的壓力脈沖，俗稱“水錘”現(xiàn)象，這在廠房布局和管路設計方面帶來了新的挑戰(zhàn)。

總體而言，盡管使用水作為工作介質在環(huán)境和流體動力特性方面有明顯優(yōu)勢，但其高成本、溫度敏感性和新的工程設計需求也不容忽視。因此，該領域仍有大量待解決的問題和挑戰(zhàn)。

4 結 論

首先，值得突出的是，在農(nóng)本水電站成功地實施了全球首個基于純水液壓技術的水介質水輪機葉片調節(jié)系統(tǒng)。該技術的有效部署不僅驗證了其實用性和可行性，而且在中小型水輪機調速器領域的環(huán)境友好性和低碳轉型方面提供了重要的啟示。

其次，該研究項目突破了多個技術難題，包括水介質的高腐蝕性、易氣蝕性、大泄漏量和潤滑性能不穩(wěn)定等問題。通過開發(fā)專門針對水輪機調速器的高壓水系統(tǒng)和液壓驅動系統(tǒng)，該項目為純水液壓技術的廣泛應用提供了寶貴的參考案例。

最后，盡管該技術已取得顯著進展，仍然存在若干挑戰(zhàn)和待解決問題。例如，如何進一步降低設備成本、防止結冰現(xiàn)象以及避免由于水錘效應導致的設備損壞，均是當前和未來發(fā)展的關鍵方向。

綜合而言，該研究不僅證實了基于純水液壓技術的水介質水輪機葉片調節(jié)系統(tǒng)的可行性，還成功地解決了一系列技術難題，從而為該領域的環(huán)保和低碳發(fā)展提供了有力的支持。然而，為實現(xiàn)更廣泛的應用和優(yōu)化，仍需針對特定的技術和經(jīng)濟問題進行進一步的研究和開發(fā)。