大功率豎井貫流與燈泡貫流水輪發(fā)電機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析及應(yīng)用

甘　波

(四川嘉陵江小龍門航電開發(fā)有限公司，四川 南充　637000)

大功率豎井貫流與燈泡貫流水輪發(fā)電機(jī)組的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析及應(yīng)用

甘波

(四川嘉陵江小龍門航電開發(fā)有限公司，四川 南充637000)

摘要：小龍水電站是目前國內(nèi)最大的豎井貫流機(jī)組，該機(jī)組的投產(chǎn)、運(yùn)行填補(bǔ)了大功率豎井貫流水輪發(fā)電機(jī)組在國內(nèi)應(yīng)用的空白，并通過豎井增速機(jī)組與燈泡貫流機(jī)組的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較以及近6年的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，指明了超低水頭電站在應(yīng)用大功率豎井貫流式機(jī)組的方向。

關(guān)鍵詞：基本參數(shù)；安裝調(diào)試；機(jī)型效率；建議

0引言

近年來，國內(nèi)外對超低水頭電站的興趣日益增加，為減少高壩大庫淹沒損失與移民搬遷、減少土建、設(shè)備等費(fèi)用，超低水頭水電站成了熱門的話題。目前適用于超低水頭的機(jī)型有燈泡或豎井貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，由于豎井貫流機(jī)組輪轂比小，過流量大，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速高，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好，因此豎井貫流式水輪發(fā)電機(jī)組更適合超低水頭的電站。然而豎井貫流水輪發(fā)電機(jī)組起步較晚，此種機(jī)型國內(nèi)應(yīng)用較少，特別是在大功率豎井貫流機(jī)組更是少見，目前嘉陵江小龍水電站為國內(nèi)乃至亞洲最大的豎井貫流機(jī)組的電站，裝機(jī)容量4×1.3 MW，該工程以航運(yùn)和發(fā)電為主，于2003年開始興建，2008年8月首臺機(jī)組開始發(fā)電運(yùn)行，到目前為止已運(yùn)行有6年，由于該豎井機(jī)組單機(jī)容量大，在設(shè)計(jì)、制造、安裝和運(yùn)行方面積累了前所未有的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)成果，本文以小龍水電站工程為例，對大功率豎井貫流、燈泡貫流水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，并說明了大功率豎井貫流水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)用中需要注意的問題。

1機(jī)型基本參數(shù)對比分析

小龍水電站最大水頭6.31 m，額定水頭5.0 m，最小水頭3.0 m，根據(jù)運(yùn)行水頭適合的機(jī)型有豎井貫流式和燈泡貫流式，但是，豎井貫流機(jī)組與燈泡貫流機(jī)組各具有其特點(diǎn)。

小龍水電站工程在初步設(shè)計(jì)中推薦采用燈泡貫流式機(jī)組。但在施工設(shè)計(jì)階段，遇到了諸多困難，比如：水輪發(fā)電機(jī)組采購時(shí)，由于機(jī)組運(yùn)行水頭超低、轉(zhuǎn)速低、發(fā)電機(jī)尺寸大、生產(chǎn)周期長、制造難度大、交貨時(shí)間不能滿足電站的施工工期要求，同時(shí)大件運(yùn)輸也較困難等。于是對豎井貫流式和燈泡貫流式兩種機(jī)型主要性能參數(shù)進(jìn)行比較。

表1　兩種機(jī)組性能基本參數(shù)比較表

由表1參數(shù)可知，在超低水頭、相同同出力條件下，燈泡貫流式轉(zhuǎn)輪直徑比豎井貫流式大0.3 m，轉(zhuǎn)速低15%，水輪機(jī)重量多12%，水輪機(jī)流道尺寸也略大。水輪機(jī)最大起吊重量多12%，廠房起吊高度增加5%。而豎井貫流式發(fā)電機(jī)增加了一套變速系統(tǒng)，但發(fā)電機(jī)的重量僅是燈泡機(jī)的1/4，故機(jī)組重量輕。對發(fā)電機(jī)而言，若選用燈泡貫流式機(jī)型，按照水輪機(jī)參數(shù)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為65.22 r/min，轉(zhuǎn)子磁極數(shù)為92個(gè)。根據(jù)電磁計(jì)算，發(fā)電機(jī)定子需選擇450槽，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸相對而言較大，其經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)明顯下降，隨之帶來的是運(yùn)輸難度增大，發(fā)電機(jī)無法整體運(yùn)輸，燈泡頭、錐體、定子機(jī)座等部件均需分瓣才能完成。同時(shí)，定子還需要在工地完成疊片、下線等工作，轉(zhuǎn)子要采用疊片磁軛結(jié)構(gòu)，也需在工地現(xiàn)場進(jìn)行組裝。

從表中可以看出豎井貫流式機(jī)型，通過增設(shè)一個(gè)增速齒輪箱將發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速提高到750 r/min，發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸大為減小，定子槽數(shù)減為了108槽，轉(zhuǎn)子磁極數(shù)僅為8個(gè)，發(fā)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)在制造廠總裝配后整體運(yùn)至工地。顯然，給制造和運(yùn)輸都帶來極大的方便。

2機(jī)型安裝調(diào)試、周期的對比分析

由于燈泡貫流式機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，故安裝工作要在狹小的空間里進(jìn)行。而總體上這種機(jī)型，特別是對于尺寸較大的機(jī)組，其大部件剛性又相對較弱，這樣，要滿足機(jī)組重要部位設(shè)計(jì)精度的需要，其安裝難度、調(diào)整工作量大、工作周期長是顯而易見。 但對豎井貫流式發(fā)電機(jī)組而言，情況則完全不一樣，豎井貫流機(jī)組的發(fā)電機(jī)部分可在制造廠內(nèi)進(jìn)行總裝，并在完成轉(zhuǎn)動部件的靜、動平衡試驗(yàn)后，如齒輪箱一樣，整體運(yùn)至工地可直接吊入豎井內(nèi)就位后安裝。另外，直錐尾水管的里襯在第一階段安裝，并作為后續(xù)工程的基準(zhǔn)和支持面，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)在安裝場預(yù)組裝，待廠房土建工作結(jié)束后整體吊裝就位，接著是安裝主軸、轉(zhuǎn)子、增速器和發(fā)電機(jī)，仔細(xì)地對中調(diào)直，使其在一條直線上，這樣可大大減小安裝場地，縮短安裝周期。

3機(jī)型維護(hù)檢修的對比分析

一般豎井外形除了迎水面做成圓弧形外，沿水面均為平面。燈泡貫流式機(jī)組發(fā)電機(jī)部分的維護(hù)工作較少，但維護(hù)操作則較為困難，發(fā)電機(jī)大修時(shí)流道需要進(jìn)行排水，所需維修所需的時(shí)間較多。豎井貫流式機(jī)組發(fā)電機(jī)部分的維修操作則較為方便，不需要對流道部分實(shí)行排水。當(dāng)然，增加了一個(gè)齒輪箱的維護(hù)，增速器一般指齒輪傳動，需要我們對齒輪箱的選擇給予足夠重視，選用可靠的、高質(zhì)量的產(chǎn)品，就完全可以將齒輪箱的故障率和機(jī)組總體噪音降到很低程度。由此看來，豎井機(jī)組也可以提高設(shè)備的運(yùn)行可靠性和安全性， 減少維護(hù)工作和費(fèi)用。

4機(jī)型效率的對比分析

通常，人們可能認(rèn)為豎井貫流式機(jī)組由于增加了一個(gè)齒輪箱，效率要比燈泡貫流式機(jī)組低 。事實(shí)上，一臺高質(zhì)量的行星齒輪效率滿負(fù)荷時(shí)效率約為99%，行星齒輪效率損失可從高速發(fā)電機(jī)的效率提高得到補(bǔ)償。在做具體分析后，我們會發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上兩機(jī)型的效率幾乎相差不大，祥見表2相關(guān)數(shù)據(jù)。

表2　兩種機(jī)組效率比較表

由表2中兩組數(shù)據(jù)可以看出，兩種形式機(jī)組的綜合效率相差不多。此外，豎井貫流式發(fā)電機(jī)還因無需采用強(qiáng)迫通風(fēng)冷卻，從而能有效減少廠用電負(fù)荷。

5兩種機(jī)型價(jià)格的對比分析

兩種機(jī)型的水輪機(jī)結(jié)構(gòu)基本相同，制造過程也大致一樣。但燈泡式水機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑大，重量重，故豎井貫流式水輪機(jī)比燈泡貫流機(jī)的造價(jià)有明顯優(yōu)勢。

對發(fā)電機(jī)而言，豎井貫流式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)動部件材料的機(jī)械性能要求比燈泡貫流機(jī)高，若僅從噸價(jià)來看，豎井貫流式發(fā)電機(jī)的噸價(jià)比燈泡貫流機(jī)高，但由于發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，發(fā)電機(jī)的總重量也大大減輕，加上增加的齒輪箱帶來的投資，其發(fā)電機(jī)總體價(jià)格具有較大優(yōu)勢。若以燈泡貫流式機(jī)組的造價(jià)為100%，兩種機(jī)型的價(jià)格統(tǒng)計(jì)分析見表3。

表3　兩種機(jī)型價(jià)格的比較

從表3中可以看出，燈泡貫流機(jī)組的價(jià)格約是豎井貫流機(jī)組的1.187倍，豎井貫流機(jī)組實(shí)際采購價(jià)格比燈泡貫流機(jī)組約少2 300萬元，能節(jié)省電站的機(jī)電投資。

6建議

小龍水電站大功率豎井貫流機(jī)組已成功運(yùn)行了6年，在近幾年運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)了不少問題，根據(jù)此機(jī)組在應(yīng)用中曾出現(xiàn)過的問題，筆者建議大功率豎井貫流機(jī)組應(yīng)在以下幾方面引起足夠的重視：

(1)水輪機(jī)，增速器、發(fā)電機(jī)的同軸度要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行安裝；

(2)增速器油泵控制系統(tǒng)中油溫、油位及油壓均要滿足增速器運(yùn)行要求，才允許機(jī)組啟動；

(3)增速器潤滑油選用高質(zhì)量、性能優(yōu)的潤滑油；

(4)增速器選用品質(zhì)優(yōu)良，口碑好，售后好的廠商；

(5)增速器振動情況的監(jiān)察；

(6)合理調(diào)整導(dǎo)葉緊急關(guān)閉規(guī)律、調(diào)速器輪葉協(xié)聯(lián)關(guān)系以及調(diào)速器的關(guān)機(jī)時(shí)間和兩段關(guān)閉拐點(diǎn)，減少反水錘對增速器推力軸承的沖擊；

(7)機(jī)組運(yùn)行過程中增速器各部的油溫，定期對增速器郵箱內(nèi)的油質(zhì)進(jìn)行檢查；

(8)發(fā)電機(jī)集電環(huán)碳刷選用適宜高轉(zhuǎn)速水輪機(jī)、硬度合適的產(chǎn)品。

7結(jié)語

小龍水電站是目前國內(nèi)最大的豎井貫流機(jī)組，該機(jī)組的投產(chǎn)、運(yùn)行填補(bǔ)了大功率豎井貫流水輪發(fā)電機(jī)組在國內(nèi)應(yīng)用的空白，并通過豎井增速機(jī)組與燈泡貫流機(jī)組的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較以及近6年的運(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，，指明了超低水頭電站在應(yīng)用大功率豎井貫流式機(jī)組的方向。

同時(shí)，我們也應(yīng)該清楚地認(rèn)識到，豎井貫流機(jī)組特別是大功率豎井貫流機(jī)組起步較晚，目前雖取得了前所未有的進(jìn)步，但還需要在今后的運(yùn)行維護(hù)中不斷總結(jié)和完善，也有可能在應(yīng)用中暴露出更多的問題需要我們?nèi)ヌ剿骱屯晟啤?/p>

甘波(1982-)，男，四川資中人，碩士，工程師，從事水電廠運(yùn)行維護(hù)技術(shù)工作.

(責(zé)任編輯：卓政昌)

收稿日期:2015-03-16

文章編號:1001-2184(2015)02-0106-03

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

中圖分類號:U455.8；TM923.3；TK733+.8

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