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上，水流平直通過，是一種開發(fā)利用低水頭、大流量水力資源的良好機(jī)型。在各種類型的貫流式機(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)沒有蝸殼，土建開挖量小，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，水流特性好，具有轉(zhuǎn)輪效率高、過流量大、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)組的葉片軸線與水輪機(jī)軸線垂直，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，其存在氣蝕性能和強(qiáng)度條件差且土建施工土方開挖量大的缺點(diǎn)。

自20世紀(jì)70年代以來，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)型在幾十年來不斷地被輪換選用。筆者通過走訪實(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)隸屬于國家電網(wǎng)四川明珠集團(tuán)有限責(zé)任公司(以下簡(jiǎn)稱“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，由國家當(dāng)時(shí)的有關(guān)部門及四川省指定射洪縣按照“量體裁衣”的方式建成的全國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)國內(nèi)完全沒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)入了其問題多發(fā)期，運(yùn)行情況開始變得不理想，其2 500 kW的容量長期只能按最大出力2 000 kW限定運(yùn)行，原因有三：一是機(jī)組在安裝過程中受到的磨損過多；二是因?yàn)槠錇閲鴥?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有(圖1)。

圖2 東風(fēng)水電站前池及主廠房上游外觀圖

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的國產(chǎn)貫流式機(jī)組。盡管國家當(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)組就是其仿制的國產(chǎn)機(jī)組，且2期工程與1期工程不間斷進(jìn)行)，但廠家遲遲提供不了產(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)過硬的廠商，國內(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)備廠提供)，工程于1980年7月開工，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)置在同一廠房的1號(hào)機(jī)組相形見絀。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)志著我國開始具有制造燈泡貫流式機(jī)組的能力。不過此時(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)等國外著名廠家的產(chǎn)品差距仍然十分巨大。20世紀(jì)90年代初期，我國生產(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，國內(nèi)廠家對(duì)燈泡貫流式機(jī)組的研制進(jìn)入了一個(gè)新的階段，通過合資和引進(jìn)技術(shù)等方式，使燈泡貫流式機(jī)組的開發(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，因?yàn)槠溟L期與東風(fēng)水電站合作，對(duì)貫流式機(jī)組的開發(fā)早，這一階段生產(chǎn)出來的貫流式機(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余萬元和9 850萬元，年平均發(fā)電量則會(huì)減少3 580萬kW·h和2 380萬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)和柳樹電站(3×15 MW，在建中)直接采納了國內(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 金華水電站主廠房?jī)?nèi)景

圖5 打鼓灘水電站主廠房?jī)?nèi)景

據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)目前還未開工或處于工程規(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

隨著近幾年國家對(duì)低水頭水能資源和潮汐能資源的大力開發(fā)，低水頭電站的建設(shè)越來越多。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點(diǎn)，若有不足欠妥之處，還望同行和前輩們指正。

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