卧轴混流式双转轮水轮发电机组技术特点及应用前景简析

2017-09-14丁况

水电站设计 2017年3期

关键词：混流式水轮转轮

丁况

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

卧轴混流式双转轮水轮发电机组技术特点及应用前景简析

丁况

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

简述了卧轴混流式双转轮水轮发电机组的基本特点，通过调节投入运行的转轮数量，可以较好地解决流量变幅大的电站在小流量低负荷工况下的机组运行稳定性问题，扩大了卧轴混流式水轮机的运行范围，增加电站在枯水期的发电效益。同时，为该类型电站的机组选型提供了一种新的思路。

卧轴混流式；双转轮；水轮机；流量变幅

0 前言

目前，国内外大容量机组的水电站越来越少，且诸多发展中国家电网薄弱，我公司跟踪的国外电站中，以中小型甚至微型电站居多，并且国外水电站多为私人业主，对投资回报率相当看重。因此，我公司在国内外中小型电站的博弈中，不妨换一种设计思路，降低投资，从而获得更多的市场份额。

卧轴混流式水轮发电机组由于结构简单、土建工程量少、日常维护方便，在小容量电站中应用十分普遍。但是，混流式水轮机相对较窄的运行范围，一定程度上限制了其应用，特别是流量年内变化大的电站，若枯水期来流量低于机组的最低稳定运行范围相对应的流量，则机组在此工况下运行时，容易出现较大的噪音及振动，对机组损害较大，且发电效率较低[1]，若停机，将损失电站枯水期电量，对电站的经济效益会造成一定的影响。针对这种流量变化大的中小型电站，需采取一定的措施保证机组的安全、稳定、高效运行。一般来讲，常见的措施是增加机组台数，降低单机容量，但是，随着机组台数的增加，整个电站的土建投资和机电设备投资将随之大幅度增加。基于此，本文从机组选型方面，介绍一种卧轴混流式双转轮的水轮发电机组，可以解决中小型水轮机在小流量低负荷工况下的运行稳定性问题，节省工程投资，增加电站效益，缩短电站建设工期。

1 卧轴混流式双转轮水轮发电机组基本类型

目前，卧轴混流式双转轮的水轮发电机组主要有两种型式：一是2套水轮机转轮背靠背布置，共用1套蜗壳和进水阀、2套尾水管，发电机布置于端头，其布置如图1所示，以下简称“背靠背机组”；二是2套水轮机转轮单独对称布置，2套蜗壳和进水阀、2套尾水管，发电机布置于2台水轮机中间，其布置如图2所示，以下简称“双挑机组”。

从图1、2中可以看出，卧轴混流式双转轮水轮发电机组与常规的混流式水轮发电机组相比，其设备组成及布置方式明显不同。并且，“背靠背机组”与“双挑机组”的2个转轮均配置有单独的导水机构，因此，在小流量低负荷工况下，可以通过关闭1套导水机构来实现单转轮的运行。

图1 “背靠背机组”示意图2 “双挑机组”示意

2 不同型式的混流式水轮发电机组的对比分析

众所周知，立轴混流式水轮机和常规的卧轴混流式水轮机是2种最常见的混流式水轮机型式。本文对卧轴混流式双转轮水轮机与上述2种常见的混流式水轮机进行了对比分析。

(1)立轴混流式水轮发电机组适用范围广，单机容量从几百千瓦至上百万千瓦均可使用，其技术成熟，业绩多，设计、制造及安装较为简单，国内水轮发电机组制造厂家均能生产制造，但是其厂房一般为多层布置，开挖深度大，土建工程量较大，建设工期长，投资较多。

(2)常规的卧轴混流式水轮发电机组的厂房一般为单层布置，土建投资少，建设工期短，在中小型电站中应用较多，但其对单机容量和转轮直径有一定限制，目前,国内水轮发电机组制造厂业绩中，哈尔滨电机厂曾在巴拿马供货单机容量11.27 MW，转轮直径1.32 m的卧轴混流式单转轮水轮发电机组，重庆水轮机厂曾在泰国供货单机容量10.0 MW，转轮直径1.52 m的卧轴混流式单转轮水轮发电机组，其他水轮发电机组制造厂家均表示常规的卧轴混流式单转轮水轮发电机组一般应用于单机容量不超过6 000 kW，转轮直径不超过1.3 m的机组。

(3)卧轴混流式双转轮水轮发电机组与上述2种常见的混流式水轮发电机组相比，具有显著的特点。首先，相对于立轴机组，卧轴机组的土建投资大大降低，建设工期短。另一方面，通过调节2套独立的控制机构，既可以单转轮运行，也可以双转轮运行，运行灵活，高效运行范围宽，低负荷区运行效率较高。一般来讲，混流式水轮机的稳定运行范围为相应水头下的机组保证功率的45%～100%[3]，常规的混流式水轮发电机组在低于45%保证功率运行时，机组振动及噪音大，对机组损害严重，将大大缩短机组使用寿命，并且机组运行效率较低。卧轴混流式双转轮水轮发电机组则不同，由于采用双转轮结构，实际使用等同于1套设备、2台水轮机，每台水轮机的容量相当于相同容量单转轮水轮机容量的一半，通过调节投入运行的转轮数量，理论上其最低稳定运行范围可扩展至相应水头下机组保证功率的22.5%，并且单转轮水轮机最低保证功率的45%对双转轮水轮机来说，若只运行一个转轮，则为相应容量的90%，基本在额定点运行，运行效率较高。

(4)从设计制造角度来看，水轮机的水推力随着机组容量的增加而增大，机组推力轴承的设计制造难度随之增加，因此，推力轴承是制约常规卧轴混流式水轮发电机组设计制造的一大因素。由于卧轴混流式双转轮水轮发电机组转轮中的水流方向相反(“背靠背”机组)或水轮机对称布置(“双挑”机组)，水轮机的水推力可以相互抵消，从而降低机组推力轴承的设计难度。从这一方面来看，卧轴混流式水轮发电机组的适用容量可以大幅度提高。

3 “背靠背机组”和“双挑机组”的对比分析

从图1、2可以看出，“背靠背机组”和“双挑机组”设备配置明显不同，各具优缺点。具体表现在以下几个方面：

(1)“背靠背机组”两个转轮的水流通过蜗壳中间的导流板进行流量分配，单转轮运行时，可能会存在水流分配不均匀，导致2个转轮有一定的干涉，并且导流板的设计、制造及安装精度，对机组运行稳定性及效率有较大的影响。

(2)“背靠背机组”的主轴贯穿2个尾水管，对尾水管的水流形态有一定影响，某些工况下，会造成尾水管压力脉动激增，不利于机组运行稳定性和尾水管能量的回收。

(3)“背靠背机组”共用1套蜗壳，只需要设置1套进水阀。“双挑机组”的每台水轮机配置独立的蜗壳和进水阀。“双挑机组”进水阀公称直径相对较小，因此，2种机组进水阀投资基本相当。

(4)“背靠背机组”共用1套蜗壳，压力钢管不用分叉。“双挑机组”的每台水轮机配置独立的蜗壳，若机组台数较多，则压力钢管分叉随之增多，压力钢管的设计和布置较为复杂，并且可能会由于压力钢管的布置引起厂房尺寸的增加，从而增加投资。

(5)“背靠背机组”一般为4支点结构，一方面造成机组主轴较长，另一方面对于分段大轴且刚性连接来说，要保证同心困难较大，给安装及今后的检修带来不便[4]。“双挑机组”一般为2支点结构，安装检修方便。

(6)“背靠背机组”在检修发电机时不需要拆解水轮机，而“双挑机组”在检修发电机时，必须将一边的水轮机拆解，稍显麻烦。

4 卧轴混流式双转轮水轮发电机组的国内外生产制造情况

经与国内一些水轮发电机组制造厂家沟通交流，国内的几个厂家已经有卧轴混流式双转轮水轮发电机组的生产业绩，详见表1。

经查阅相关文献资料[2]，“背靠背机组”在国外一些电站也有应用业绩，详见表2。

目前来看，国内的机组制造厂家有能力生产卧轴混流式双转轮水轮发电机组，并且从厂家反馈的结果来看，卧轴混流式双转轮水轮发电机组在实际运行中无重大问题，但是，目前已投运的机组较少，并且有些电站年代久远，机组的运行稳定性有待更多投运机组进一步检验。

表1 卧轴混流式双转轮水轮发电机组国内厂家制造业绩

表2 国外电站“背靠背机组”应用业绩

5 国外某电站卧轴混流式机组选型实例分析

近期，我公司跟踪了国外某电站，该电站基本参数为：单机容量11.5 MW,装机台数3台,最大水头64.0 m,额定水头57.8 m。

根据本电站的单机容量及水头范围，水轮发电机组型式通常的设计思路是选择立轴混流式或卧轴混流式机组。立轴混流式机组因主厂房开挖深度大，土建工程量较大，建设工期较长，投资较多，在本电站使用显然是不经济的；适合于本电站的机组型式应该是卧轴混流式机组。为此，与国内某制造厂就该机组选型问题作了进一步沟通交流，制造厂推荐“双挑机组”和常规的卧轴混流式单转轮水轮机2种方案供选择。

“双挑机组”相关基本参数为：机组型式为卧轴混流式双转轮,转轮直径1.2 m,额定转速500 r/min,进水阀公称直径1.6 m;

常规卧轴混流式单转轮机组相关基本参数为:机组型式为卧轴混流式单转轮,转轮直径1.65 m,额定转速375 r/min,进水阀公称直径2.4 m。

从2种机型的基本参数可以看出，常规的卧轴混流式单转轮水轮机转轮直径达1.65m，已超过目前已投运的卧轴混流式单转轮水轮机的最大转轮直径，若按单转轮进行设计制造，则日常运行有一定的风险。另外，本电站枯水期来流量较小，卧轴混流式单转轮水轮机在枯水期无法运行。

与同容量的卧轴混流式单转轮机组相比，虽然水轮机多了1套转轮及相应的导水机构，但“双挑机组”的转速较高，相应的发电机总体造价也降低。“双挑机组”虽然需设置2套独立的进水阀，但其公称直径较卧轴混流式单转轮机组减小约1/3，就进水阀而言，设备投资相差不大。其余配套设备的投资，“双挑机组”和常规的卧轴混流式单转轮机组基本相同。相比卧轴混流式单转轮机组，制造厂推荐的“双挑机组”单台套的主要机电设备投资减少将近100万人民币，并且可以在不影响机组运行的情况下，对起重1台水轮机进行检修。

因此，针对本电站的实际情况，我们推荐了“双挑机组”作为水轮发电机组的最终选型方案。