贯流式水轮机的应用和技术发展

贯流式水轮机的应用和技术发展 贯流式水轮机的应用和技术发展 贯流式水轮机的应用和技术发展

摘要:水轮机是将水流机械能转换为固体机械能的水力原动机。根据在水轮机内实现能量转换的水流能量形式及水流在水轮机转轮区域内的运动特征,贯流式水轮机属于轴流式水轮机一类。而根据水轮机的结构和机组的布置形式,贯流式水轮机有全贯流式、半贯流式(灯泡贯流、轴伸贯流和竖井贯流)等形式的区别。

关键词:水轮机 应用 技术发展

1 贯流式水轮机的结构特点与技术经济优势

贯流式水轮机的流道形式和轴流式水轮机不同,为保证向导水机构均匀供水和形成必要的环量,保证导叶较平滑绕流,轴流式水轮机需设置蜗壳,其流道由蜗壳、导水机构和弯肘型尾水管组成。贯流式水轮机没有蜗壳,流道由圆锥形导水机构和直锥扩散形或S型尾水管组成。通常采用卧轴式布置,从流道进口到尾水管出口,水流沿轴向几乎呈直线流动,避免了水流拐弯形成的流速分布不均导致的水流损失和流态变坏,水流平顺,水力损失小,尾水管恢复性能好,水力效率高。灯泡贯流机组的发电机装置在水轮机流道中的灯泡形壳体内,采用直锥扩散形尾水管,流道短而平直对称,水流特性好。大型贯流机组几乎都是灯泡机组,中小型多采用轴伸式、竖井式等形式。

贯流式水轮机单位过流量大,转速高,水轮机效率高,且高效区宽,加权平均效率也较高,具有比轴流式水轮机更优良的能量特性。其特征参数比转速ns、可达1000以上,比速系数可达3000以上。与轴流式水轮机相比,在相同水头和相同单机容量时,其机组尺寸小,重量轻,材料消耗少,机组造价低。贯流机组电站还可获得年发电量的增加。 贯流式水轮发电机组结构紧凑,布置简洁,厂房土建工程量较小,可节省土建投资。贯流机组设备运输和安装重量较轻,施工和设备安装方便,可缩短工期,实现提前发电。根据国内外有关水电站的统计资料,采用灯泡贯流机组比相同容量轴流转桨机组,电站建设投资一般可节省10%~25%,年发电量可增加约3%~5%。如我国广东白垢和广西马骝滩水电站,投资节省分别达22.6%和24%。小型水电站采用轴伸贯流机组与立式轴流机组比较,也可节省建设投资约10%~20%。由此可见,贯流式水轮机是开发低水头水能资源的一种最经济、适宜的水轮机形式,具有资源利用充分、投资节省的优势和电量增值、综合效益增值的效果。

2 国内外贯流式水轮机的应用现状 我国从20世纪60年代开始贯流式水轮机的研究和应用,到20世纪80年代,贯流机组技术及其应用取得突破性的进展,1983年引进设备的第一座大型灯泡贯流机组电站一湖南马迹塘水电站建成,1984年自主开发的广东白垢电站转轮直径5.5m,单机容量10MW灯泡贯流机组投运,标志着具备自行开发研制大型贯流机组设备的能力。贯流式水轮机的应用研究和运行技术也获得了发展,积累了经验。最近20年来,相继开发建成引进设备、技术合作或自行装备的大型灯泡贯流机组电站数十座,如凌津滩、王甫洲、尼那、洪江等。其中洪江水电站最大工作水头27.3m,单机容量45MW,是目前世界上应用水头最高、国内单机容量最大的灯泡贯流机组。国内已运行的灯泡贯流式水轮机最大转轮直径已达7.5m。目前规划或在建的贯流式水电站遍布全国各地,在建的广西长洲水电站装机15台,总装机容量达621.3MW。在西北地区,20世纪80年代开始贯流式水电站的规划设计,并完成了柴家峡等电站的可行性研究。在黄河干流上现已建成青海尼那电站,宁夏沙坡头电站即将竣工,甘肃柴家峡、青海直岗拉卡等电站在建。尼那电站是我国海拔最高的大型灯泡贯流机组电站,沙坡头则是应用于高含沙水流的第一座大型灯泡贯流机组电站,各具特色,为贯流式水电站的开发提供了新的经验。 3 贯流式水轮机的应用及技术发展探讨 推进我国贯流水轮机技术的进步,应当关注贯流机组大型化技术的发展,并致力于提高国内贯流机组整体技术水平。

根据对贯流式水轮机的应用及其技术发展的分析,应用水头逐渐提高、贯流机组大型化是国际贯流水轮机技术发展的趋势,这也和我国低水头水电开发对大型贯流机组的应用需求相吻合。贯流机组对开发低水头水电资源具有优势,而这些资源的开发地点往往位于经济发达、人口稠密的平原或河谷地区,自然资源富集或处于交通要道(如黄河上游等地区)。这类水电资源经济合理的开发,要求实现发电、防洪、航运等综合利用功能,保护生态环境和土地资源,减少移民搬迁及交通设施等淹没、浸没及赔偿,修建高坝大库通常已不适宜。为了优化开发方案和工程总体布置,便于工程综合功能经济地实现,有利于保护生态和环境等资源,往往需要采用单机容量(机组尺寸)更大或应用水头更高的贯流机组。 全面提高我国贯流式水轮机的整体技术水平,实现包括产品研制技术(水力开发、结构分析、制造工艺、试验研究等)及产品的技术性能、贯流式水轮机应用开发和运行等技术水平的全面提升,结合国内实际和借鉴国际先进经验,应加强计算机及信息技术如计算机CFD、FE、CAD/CAM等及现代制造技术在贯流式水轮机开发、研制和运行等领域的推广和应用,还应加强对国际先进技术的引进、消化和吸收.研究具有自主知识产权的贯流式水轮机产品和技术,这是提升我国贯流式水轮机技术和产业竞争力的必然途径。此外,我国的各类水电资源开发,包括广大农村中小低水头资源及海洋潮汐能源的规模开发,需要技术经济特性优越的,包括各类贯流式水轮机在内的多样性的水轮发电机组设备,因此,应加强对轴伸贯流式水轮机的研究和推广应用,完善轴伸贯流水轮机转轮的研究并形成系列型谱;应加强对用于潮汐能源开发的双向可逆贯流机组、全贯流机组及竖井贯流机组的技术开发和研究;对齿轮增速技术及设备在贯流机组的应用,以及贯流水轮机适用的调速设备的开发等技术课题,应进行全面的规划布局和系统的研究。

4 结语

推进我国贯流式水轮机的技术发展,应对国内的应用现状和发展水平进行客观的评估,对贯流机组的需求情况(包括近期和远期需求)进行分析预测,制订技术发展规划,指导发展研究。我国有巨大的市场需求,全面提升贯流机组的技术及应用水平,将为我国低水头水电资源开发带来巨大的经济效益,也将为我国贯流式水轮发电机组设备提高竞争力,进入国际市场提供强大的技术支持。