转桨式水轮机纯水液压叶片调节技术在农本水电站的应用

2023-12-16郑吉斯李志华晋成龙

小水电 2023年6期

郑吉斯，李志华，晋成龙

(1.深圳市恩莱吉能源科技有限公司，广东？深圳？518133；2.广西桂水电力股份有限公司崇左发电分公司，广西？崇左？532200；3.中水淮河规划设计研究有限公司，安徽？合肥？230601)

1 概述

环境可持续性和生态保护日益成为全球关注的焦点，绿色水电已经转变为水利水电产业发展的核心策略[1]。特别是在中低水头水电站领域，由于其数量庞大、地理分布广泛、管理复杂性增加，以及频繁位于生态敏感区域，环境保护问题已成为一项受到广泛关注的挑战[2]。为促进行业的可持续性，水利部发布了《绿色小水电评价标准》(SL/T 752—2020)，旨在规范小型水电站的建设和运营，其中包含大量的中低水头电站。然而，达成这些可持续目标的前提是采用集安全性、环境友好性、经济性和技术性于一体的先进技术[3]。

水轮机作为水电站的关键组件，其与环保相关的技术创新已成为研究的重点。当前，全球绿色水电标准对水轮机的主要要求可概括为两点：一是减少或消除油品泄漏；二是确保生物多样性，如通过允许鱼类安全通过[4_5]。在这一背景下，各种技术进展都专注于优化水轮机在这两方面的性能。

我国小型水电站的开发高峰主要出现在21世纪初，受限于当时的技术和生产周期，许多现存设备已显示出老化迹象，影响其经济性和适用性。与此同时，由于国家政策对小型水电站进行提标和改造的支持，相关的技术创新和应用，如高油压桨叶调节技术，也正在迅速发展并逐渐成熟。该技术基本解决了传统转桨式水轮机的油品泄漏问题，但随着机械行业的技术升级，纯水液压传动技术在转桨式水轮机的应用潜力开始受到关注[6]。经过多年的研究和测试，目前全球首个采用纯水作为液压介质的水轮机桨叶调节系统已在广西农本水电站成功实施。本研究旨在深入分析农本水电站采用的水介质叶片调节系统的结构和特性，可为该领域的进一步研究和技术推广提供有力的支持和参考。

2 工程背景

2.1 生态环境背景

本研究所关注的电站位于黑水河水系，该水系为左江流域的一级支流，且穿越越南流域，主要位于非工业化区域。图1展示了坝址下游流域的生态敏感性分布云图，该分布是基于路网、土地利用情况、水系、地形坡度、坡向以及植被覆盖等6个关键因素的叠加分析得出的。图1的数据明确显示，从电站坝址到左江汇入口的区域基本上属于生态高度敏感区域。同样地，除了崇左市区之外，附近流域大部分也呈现出高度生态敏感性。

图1 农本水电站坝址下游生态敏感性分析云图

综合考虑，该流域下游几乎缺乏工业活动，主要以农业和林业为主导产业，地形坡度相对平缓，生态环境敏感性显著。因此，任何对环境的负面影响都有可能因地理条件而被放大，从而对当地的农业和旅游产业构成威胁。综上所述，为了维护当地环境的可持续性并确保社会经济效益，采用新型无油泄漏技术在电站运营中具有重要的实用价值和理论意义。

2.2 项目背景

农本水电站最初设计拥有3台轴流式水轮机组，其中，1号和2号机组为ZZ580—LH—250型，分别在1995年投入运行；而3号机组为ZD580—LH—250型，于2000年投入运行。原始总装机容量为9 600 kW，在2016年进行了增效扩容改造，装机容量提升至3×3 750 kW。在改造之前，原有调速器的操作油压等级为4.0 MPa，改造后，导叶操作油压提升至16 MPa；而桨叶操作油压保持不变，维持在4.0 MPa；因此，电站目前运营2套独立的油压系统。电站扩容后现有3台轴流转桨式水轮发电机组，型号为ZZK400—LH—250和SF3750—28/3900。电站的多年平均发电量为4 980万kW·h，年利用小时数达到4 427 h。

该电站的ZZK400型号机组为该项目的实施对象。针对该机组目前的运行情况，识别出了一系列主要问题，其对机组性能和运行可靠性会产生明显影响：

首先，该机组的导叶和桨叶分别采用了2套独立的油压装置，这导致了结构复杂性的增加，进而增加了运行检修的难度和备品备件规格的多样性。

其次，漏油问题相当严重，不仅导致大量油液资源的浪费，还对环境产生负面影响，尤其是在可能污染河道的情况下，环保风险和安全隐患极为突出。

第三，由于维护困难，运行人员面临的工作任务压力相对较大，同时年均检修成本也相对较高。

第四，在实际发电过程中，机组的桨叶操作系统曾多次出现串油现象，这一现象与导叶和桨叶的油压不一致有关，油压等级分别为16 MPa和4 MPa。因油压不一致，当桨叶操作系统处于自动状态时，会出现明显的系统振动和摆度增加，严重时甚至导致转轮桨叶无法正常开启；这种不准确的机组协联导致发电效率下降约5%。

第五，桨叶反馈线存在偶尔拉断的问题，同时液压油也会频繁地漏入机组内部，这种现象不仅影响机组的正常运行，还可能对发电机的绝缘性能造成不良影响。

综上所述，这些问题不仅影响了该ZZK400型号机组的运行效率和可靠性，还对环境和运行人员带来了一系列的负面影响。因此，解决这些问题对于提高该电站整体性能和可持续性至关重要。

3 纯水介质叶片调节器及特点

3.1 技术概况

该系统由高压水供应系统、叶片驱动机构以及智能控制系统三大核心组件构成，具体的技术指标如表1所示。在额定压力方面，系统采用了目前广泛应用的16 MPa调速器操作油压力。至于环境温度，由于水的冰点限制，系统的最低工作温度设定为1℃；相对于传统液压油系统，这一点有所局限。关于系统的内泄水量，这一指标主要反映在叶片进行行程操作过程中，从高压端泄漏至低压端的水介质流量。从测试结果来看，该系统在运行过程中只有极小量的泄漏，这一点强烈表明了其出色的能效性能。总体而言，该纯水介质水轮机叶片调节系统在各项性能指标上均满足或超过了国内外相关技术标准和规范要求，具有显著的应用潜力和经济价值。

表1 纯水介质叶片调节器主要技术指标

3.2 高压水系统特点

高压水系统的基础原理如图2所示。尽管流体介质从油到水的转变对于液体传动系统的基本原理影响有限，流程结构变化不大；然而水与油在物理和化学属性上的差异导致了在技术实施方面必须进行显著的调整。

图2 农本水电站高压水系统原理图

首先，考虑到水具备较强的腐蚀性质，系统中的全部静态组件，包括但不局限于管道、阀体、球阀以及蓄能器等，均需采用具有出色抗腐蚀性的不锈钢材料进行制造；这一特性对制造过程的精度和质量提出了更为严格的标准。其次，由于水的饱和蒸汽压相对较高，在一些高速运转的机械部件中可能触发气蚀现象，尤其是在高压柱塞泵环境下更为敏感。为解决这一问题，本系统特别在柱塞泵的前端配置了1台预增压泵，以确保泵系统始终在正压环境下运行，从而显著降低了气蚀的风险。

在液压调节系统中，水作为工作介质具有低黏度的特性，因此对密封间隙非常敏感，容易导致较大的泄漏量。传统小型高油压调速器经常采用滑阀形式的三位四通插装阀进行桨叶控制，这种滑阀设计对阀芯与阀体间的配合精度要求极高，加工难度相对较大。进一步地，如果将阀芯和阀体的材质替换为含有氧化层的耐蚀金属，这无疑会加剧加工和润滑的挑战。泄漏量Q(mm3/s)可以根据哈根泊肃叶(Hagen_Poiseuille)公式来量化，其表示为[7]：

(1)

式中，d为阀芯密封直径(mm)，e为密封带间隙(mm)，μ为介质的动力黏度(N/mm2·s)，L为密封长度(mm)，ΔP为压差(N/mm2)。

该公式揭示了泄漏量Q与L和μ成反比关系。由于滑阀结构通常比较紧凑(L较小)，并且水介质的动力黏度μ远小于油，泄漏风险因此显著增大。

为解决这一问题，农本水电站的控制策略采用了由4个单独的两位两通电磁阀组合联动的方式，详见图3。这种直动式密封结构对水的密封性能较好，泄漏风险相对较低。由于密封过程中始终是轴向施力，因此密封层可以采用如NBR橡胶或PTFE等具有优越润滑性能的柔性材料，相应地降低了加工精度要求，获得了更好的密封性能。

图3 控制阀组原理图

阀组的工作原理如图3所详细示出，其中与压力入口P口相连的2个电磁阀1和2是常闭阀，分别连接到接力器的A和B腔；另外2个电磁阀负责控制回油油路的通断，设置为常开。活塞位置的改变通过电磁阀的电控开/关来实现，而活塞位置的稳定性则由位于叶片驱动系统内的液压锁(参见图2)保证；这种控制方案有效地缓解了由于水介质特性导致的泄漏和控制精度问题。

综上所述，本高压水系统在维持液体传动基础原理的同时，针对水作为工作介质所带来的独特挑战，作出了一系列技术优化和改进，以确保系统的稳定性和效率。

3.3 叶片驱动系统特点

如图4所展示的，该部分系统的叶片驱动部分涉及一系列机械与液压传动元件，范围从受水器至水轮机内部。表2则归纳了其中包含的主要密封材料，特别是在受水器组件中，由于水的低动力黏度和相对较大的泄漏量，该系统对密封性能提出了更严格的要求。传统在受油系统或配压阀中使用的间隙密封在这种场合已不再适用。

表2 叶片驱动系统各部分材料

图4 叶片驱动系统系统图

为解决该问题，系统采用了一种新型亲水复合材料，该材料与水导轴承中所使用的材料类似，既具有良好的水润滑性，又具有高的结构强度。这些材料与柔性橡胶圈结合，共同确保了该部分的密封和润滑性能。此外，轴头和衬套部分为了维护机械结构的稳定性以及防止由于腐蚀导致的潜在风险，选用了具有更强耐蚀性的2205双相不锈钢作为主要材料，详见表2。然而，值得注意的是，即便在这种高度优化的设计下，如果水中存在氧气或氢离子，完全消除耗氧腐蚀或析氢腐蚀仍然是一项挑战。数据显示，轴头和外衬套部分的配合间隙约为10 μm。在这样的条件下，即便是微量的金属锈蚀或通过流体介质传播的微小锈蚀颗粒也有可能引发卡阻，导致该旋转组件的温度显著升高，甚至抱死。

为提高系统的可靠性，设计了一种主受水器与副受水器串联的冗余结构。当主受水器出现明显卡阻时，该冗余设计允许备用受水器继续正常运转，同时生成警报，提示主受水器已经出现卡阻，从而便于后续的维护和修理工作。

3.4 对于性能特点的讨论

首先，在流体动力特性方面，水具有较低的动力黏度，导致其在旋转间隙内的热生成量较油为低。更进一步，由于水的比热明显大于油，其温度上升缓慢。综合这些因素，实际运行条件下，受水器与高油压受油器相比，并没有明显的温升劣势。

其次，水的弹性模量大约为油的3/4，因此在流体压缩过程中，水能更有效地减少由体积形变引起的能量损失。这一特性还赋予水在控制响应速度和精度方面的一定优势，特别在一些关键的PID控制场景下，如导叶关闭过程的大波动条件，水作为工作介质能更好地体现其高灵敏性和可靠性。

从环境和经济角度来看，使用水作为工作介质具有明显优势。具体而言，纯净水的生命周期碳排放当量约为0.004 t CO2e·m-3，而液压油则在1 t CO2e·m-3数量级，显示出水在碳排放减缓方面具有巨大的潜力。以我国目前主要使用油介质的水轮机调速器为例，如果能采用水介质替代油介质，其环境效益将是显著的。

然而，使用水作为工作介质也存在一系列挑战。首要问题是设备成本高且市场接受度低，这主要是因为相应的水压技术仍处于发展阶段，导致组件无法大规模生产。另一个问题是，由于水对温度极度敏感，应用该技术在高纬度地区可能需要额外的冗余温度控制设备，从而导致额外的能源消耗。最后，水的低黏度和弹性模量可能引发更大的压力脉冲，俗称“水锤”现象，这在厂房布局和管路设计方面带来了新的挑战。

总体而言，尽管使用水作为工作介质在环境和流体动力特性方面有明显优势，但其高成本、温度敏感性和新的工程设计需求也不容忽视。因此，该领域仍有大量待解决的问题和挑战。