双击式水轮机用于生态机组的研究

徐国君，吴 韬

(1．水利部农村电气化研究所，浙江 杭州 310012；2.水利部农村水电工程技术研究中心，浙江 杭州 310012)

0 引 言

随着我国对生态环境保护的重视程度显著提高，小水电清理整改与绿色改造成为近些年水利行业环境保护和修复的一项重要任务，其中水电站生态流量泄放又是清理整改行动的重点之一；有条件的电站一般都增设生态流量机组来达到消能和泄放生态流量的目的，同时也能提高电站的经济效益。生态机组通常要求在水库水位变化时要不间断地足量泄放生态流量，在生态机组水轮机选型时，有时会因为水库的水位变化过大，使得水轮机选择比较困难。

双击式水轮机因其适应水头变化能力强、效率变化平缓、造价低、维护简便等特点比较适合应用于水头变化比较大的生态机组。本文针对这类机组，对比分析双击式与混流式机组的性能、效益等方面，为生态机组水轮机的选型提供了参考。

1 部分生态机组存在的问题

水电站根据评估核定的生态流量值进行泄放，通过改造或者新建泄放设施来达到泄放生态流量的目的。目前主要的生态流量泄放设施建设方法有以下几种：

(1) 泄流闸改造。采用已有泄流闸增设限位设施的方式，通过改造闸门行程控制器或布置限位装置来泄放生态流量(见图1)。

图1 泄流闸限位设施

(2)泄流阀改造。改造或利用大坝现有泄水设施和设备，通过调整设施和设备的开度等来控制生态流量泄放。

(3)增设泄流管。在坝体或坝体周边渠首以及坝肩通过工程措施布置或埋设无节制的生态流量泄放管，或者增设虹吸管来泄放生态流量(见图2)。

图2 生态泄流管

(4)增设生态机组。有条件的电站可增设新的生态机组进行生态流量的泄放。

以上几种生态流量的泄放措施各有利弊，特别是增设生态机组的方式并不适合所有生态流量泄放量比较大的水库电站。目前，常规的反击式及冲击式水轮机应用于生态机组要求水库的水头变化尽量小，生态流量机组与常规水电站机组的主要区别在于低水头小出力时的运行时间；因为对于调节能力不强的水库装设的生态机组，在水库水位接近死水位时仍然需要运行来泄放生态流量，并且这种运行工况运行的时间会比较长；有些混流式生态机组会配套2只适用于不同水头段的转轮，每年需要更换2次，这样不仅消耗大量的人力物力，频繁的拆装也会对机组寿命产生很大的影响。

目前，国内新建的生态流量机组水轮机以混流式居多，针对生态流量机组运行的特点，机组应能在比较宽的负荷即水头区间内稳定运行；但由于反击式水轮机的固有特性，在低负荷区运行时水轮机转轮叶片的绕流和出流特性将发生较大变化，机组性能与稳定性将会比在设计工况运行时偏离较大，水轮机的效率也下降得比较明显。虽然目前已投运的生态机组可以通过改造来适应较宽负荷和稳定运行的要求，但每个电站和水库的实际情况并不相同，也没有规律可以找寻，因此这种方式目前也只是在起步阶段，对每个生态机组进行模型转轮优化设计也不经济；因此还需对生态机组的实际情况进行深入的研究，确保生态机组运行的稳定性和安全性。

2 双击式水轮机结构特点及应用

双击式水轮机作为小水电机组的一种机型，属于冲击式水轮机的一种类型。相较于其他形式的水轮机，双击式水轮机虽然模型最高效率并不高，但其通用性较强，使用范围比较广，结构和操作比较简单，造价也比其他几种机型低；并且水轮机的效率在出力变化较大时减小得比较平缓(见图3)，加权平均效率一般比混流式水轮机高，且气蚀性能良好。同时，对于水流中的杂物也具有比较好的易通过性，因此在水头范围变化较大的生态机组应用双击式水轮机具有一定的优势。

图3 双击式水轮机流量——效率曲线

双击式水轮机主要由机壳、导水栅、喷嘴、转轮以及叶片等构成。转轮是一个具有2个圆形边壁结构的筒装结构。叶片均布于转轮中，与转轮外圆形成正切角；水流通过导水栅后由矩形喷嘴依照一定的冲角进入转轮，水流在转轮内部先从外周通过径向的叶片流入转轮的中心，此为第一阶段的能量转换过程；水流通过转轮中心后再次流向叶片，完成第二次能量转换。

随着现代有限元计算分析的发展与应用逐步成熟和广泛，对于双击式水轮机转轮可以进行叶片的改型设计，运用气液两相的流场特征，建立双击式水轮机转轮模型，在各种工况下进行三维全流道模拟，从而对转轮和叶片进行优化，通过改变转轮叶片的数量、叶片与转轮的直径比以及叶片头部的安放角等来提高双击式转轮的效率、转轮内部流态及机组的压力脉动等性能参数。

自1917年第一台双击式水轮机诞生以来，奥地利、德国、美国、日本等国家一直在研究和改进双击式水轮机，其中德国的Ossberger公司是当今为数不多的一直在研究和生产双击式水轮机的厂家(见图4)。我国也于20世纪80年代引进了双击式水轮机并与混流式水轮机进行了对比，结果表明，双击式水轮机在价格、体积和维护保养方面都具备一定的优势，但在后期实际推广使用中转轮叶片疲劳强度不足导致断裂的问题一直没有能很好地解决，因此双击式水轮机在我国并没有较大范围的推广使用。2011年，东风水电站进行报废重建，装机容量为100 kW，净水头为41 m，年利用小时数为1 635 h。在设计阶段对比了斜击式、混流式和双击式水轮机的机组效率、投资额及运行维护等方面因素后推荐使用了双击式水轮机作为改造后的机型。

图4 德国Ossberge双击式水轮机

3 双击式水轮机运用于生态流量泄放机组

3.1 概述

根据双击式水轮机的使用范围和特性，其可运用于径流式水电站生态机组和利用水库底孔泄放生态流量等情况，特别是对于水库水位变化比较大的生态机组，当生态机组运行的最大和最小水头比值接近于2甚至更大时，双击式水轮机效率变化平缓、气蚀性能良好的优点就会尤为突出。此外，为了减小生态机组的投资，在低水头径流式水电站，生态流量机组水轮机与发电机可通过增速器连接，以此提高发电机的转速，减小机组尺寸和投资(见图5)。

图5 带齿轮增速的双击式水轮发电机组

3.2 实例分析

某引水式水电站总装机容量为18 MW，多年平均发电量为0.63亿kW·h，年利用小时数为3 520 h，该水电站工程具有灌溉、供水以及发电等综合利用效益。

电站核定的生态流量为2.1 m3/s，要求生态流量必须恒定泄放，拟建设1台生态机组用于生态流量的泄放。生态机组运行水头范围为49.5～99.1 m，最大/最小水头之比Hmax/Hmin=2.0，水头变化范围较大；如采用1台混流式机组，在生态流量恒定不变的情况下，在低水头工况点水轮机运行范围已到模型曲线的范围边缘。虽然低水头时机组出力不低于额定出力的45%，但此时水轮机运行工况较差，长时间运行将对机组寿命产生影响。此外可采用高—低2只转轮运行的方式，在每年7月和次年的3月，分别更换一次转轮。此种方法虽然在整个运行范围内效率较高，机组稳定性和空蚀性能也比较好，但设备投资增加，每年更换转轮及尾水管也比较麻烦。

采用双击式机组，水轮机最高效率为85%左右，且在枯水期时水轮机效率也能维持在81%左右。双击式与混流式水轮机运用于这台生态机组的对比如下所示(见表1)。

表1 不同机型参数对比

通过表1对比，双击式水轮机效率比混流式机组低，但在气蚀和低水头运行稳定性方面要优于混流式水轮机；如采用国产设备，投资成本也相对较低。

3.3 双击式水轮机运用于生态流量机组的局限性

(1)应用范围受限。双击式水轮机适用水头范围一般为1～200 m，国外厂家推荐单机容量一般不超过5 000 kW，比较适用于径流式水电站生态机组和利用水库底孔或排沙管设置生态机组泄放生态流量等情况。

(2)下游水位变化不能太大。双击式水轮机也属于冲击式水轮机的一种类型，因此转轮在运行时在其下部需要有一定的净空高度，以防止转轮被淹没在水中，因此双击式机组不适用于尾水变化比较大的生态电站。

(3)转轮叶片强度还需要提高。从我国引进双击式水轮机投入商业运行的情况来看，发生的主要问题就是叶片的断裂，因此需要从结构和材料等方面着手提高转轮的强度，避免发生叶片断裂的事故。

4 结 语

虽然双击式水轮机引入我国时间较早，但目前并未在我国引起重视，应用也非常不广泛，不过对于一些特定条件下使用双击式水轮机作为生态流量机组的优点还是比较明显的；因此仍然需要针对双击式水轮机叶片易断裂等问题进行不断的优化和改进，使得双击式水轮机可以更好地进行应用和推广。