雙轉輪水輪發(fā)電機組在水電站中的應用

陳少武

(盤縣江源電力有限公司，貴州 盤縣 553537)

1 概述

改革開放以來，貴州省水力發(fā)電行業(yè)蓬勃發(fā)展，特別是小型水電站遍地開花，成為了全省農村經濟和生活的重要組成部分。但是由于水電站所處的地理環(huán)境、地形地質、水文氣象等條件的不同，開發(fā)方式各有差異，水輪發(fā)電機組要適應這些千變萬化的條件，使之保持高效運行，要求也進一步提高。傳統(tǒng)的水輪發(fā)電機組存在著一定的困難和不足，許多流量變化極大、水頭變化極大的電站，往往僅僅考慮了部分設計工況，致使電站機組設備在非設計工況運行時效率較低或無法發(fā)電，導致電站機組設備運行不正常、機組壽命短，電站年利用小時低，發(fā)電收益低微。

根據國家標準《水輪機基本技術條件》 (GB/T 15468)，傳統(tǒng)相應機組的功率范圍如下所示 (見表1)。

表1 傳統(tǒng)水輪發(fā)電機組出力范圍

對于混流式機組，如在運行范圍內出現強振，應采取相應措施或避振運行。

當電站發(fā)電出力在標準范圍之外運行，可能會引起機組振動加劇、噪音增大、溫度升高等一系列問題，導致機組損傷較大，發(fā)電得不償失。

2 雙轉輪水輪發(fā)電機組應用

為了解決水輪發(fā)電機組在電站流量變化較大或水頭變化較大的條件下都能保持較高的效率運行，或解決電站電站枯水季節(jié)根本不能發(fā)電的問題，同時在一定程度上解決由于此類問題引起機組的空化空蝕、劇烈振動、機組壽命短等現象，本文列舉了“雙轉輪水輪發(fā)電機組在水電站中的運用”方案，供相關電站參考選擇。

2.1 傳統(tǒng)的水輪發(fā)電機組設備主要存在的問題

(1)一般在額定負荷工況下運行，機組效率比較高，當偏離額定負荷運行時效率下降，尤其在負荷低于50%額定負荷時效率明顯下降，并伴有噪音增大、振動加劇等現象，危害機組。而水電站機組常常要在低負荷下運行，機組效率低下，機組壽命短。

(2)傳統(tǒng)的水輪機為1個水輪機轉輪，受軸向水推力和磁拉力的影響，通常存在軸向串動現象，導致軸瓦溫度升高，徑向推力軸承受損，嚴重時會拉壞主軸。

(3)傳統(tǒng)機組在枯水季節(jié)不能發(fā)電，部分電站洪水期發(fā)電出力反而下降。

2.2 雙轉輪水輪發(fā)電機組

基于上述情況，本文提出了由2臺水輪機帶動1個發(fā)電機的水輪發(fā)電機組在電站的使用，這樣的機組設備已經在部分電站投入使用。由于各種特殊因素，這樣的機組設備未能得到推廣使用。盤縣魯楚坡水電站在貴州省率先選擇了這樣的雙轉輪水輪發(fā)電機組 (見圖1)。

圖1 盤縣魯楚坡水電站機組布置

發(fā)電機兩邊分別布置1臺水輪機，2臺水輪機型號相同，均為雙噴嘴沖擊式機組，尺寸相同。運行時1臺水輪機為順時針旋轉，另外1臺水輪機為逆時針旋轉。選擇水輪機是根據電站條件和運行方式等因素確定的，2臺水輪機可以同時工作，也可以單臺工作，由1臺調速器同時控制。2臺水輪機由1根壓力管道分岔聯接，也可以1臺機1根。

盤縣魯楚坡水電站額定水頭205 m，流量變化為0.5～4.7 m3/s。根據電站流量變化較大的特點，采用傳統(tǒng)的單轉輪水輪發(fā)電機組無法保證機組在流量較小的時候發(fā)電，以及在流量變化的時候無法保證機組的穩(wěn)定運行，故選用了雙轉輪的水輪發(fā)電機組。魯楚坡水電站所選的發(fā)電機型號為SFW4000—10/2150，水輪機型號為2CJA475—95/2×11.5。

2.3 雙轉輪水輪發(fā)電機組與傳統(tǒng)的水輪發(fā)電機組的比較

(1)帶動1臺發(fā)電機的噴嘴數為4個，發(fā)電機兩側各2個，噴嘴通過調速器控制，可以為單噴嘴、雙噴嘴和四噴嘴同時運行。根據電站條件變化和功率變化，自動選擇噴嘴數運行;即可根據負荷變化選擇1臺水輪機的其中1個噴嘴運行，2臺機同時運行等，滿足電站發(fā)電需求;而傳統(tǒng)的水輪發(fā)電機組沒有此功能。

(2)傳統(tǒng)水輪發(fā)電機組無論在何種工況下發(fā)電均存在軸向水推力，機組布置時必須設備1臺徑向推力軸承，軸承需設置主、副推力盤，機組大軸存在串動現象，軸瓦溫度較高。采用了雙轉輪水輪發(fā)電機組后，發(fā)電機兩側水推力平衡，軸向水推力基本為零，不用設置徑向推力軸承，軸向不會存在串動現象，軸承溫度較低;本電站軸瓦溫度在35℃左右。

(3)采用傳統(tǒng)的水輪發(fā)電機組，要滿足電站運行出力要求，1臺水輪機的尺寸加大，轉輪直徑與射流直徑很難匹配，機組運行維護困難，土建成本加大。

(4)魯楚坡電站單臺發(fā)電機為4 000 kW，傳統(tǒng)的水輪發(fā)電機組運行時出力范圍為1 000～4 000 kW，而本電站選用雙轉輪水輪發(fā)電機組后出力范圍為500～4 400 kW，出力范圍加大，保證電站在枯水期、豐水期等各種工況均能正常高效率發(fā)電，提高了水資源利用率，改善了電站的經濟效益。

3 結語

筆者2009年設計的沖擊式雙轉輪水輪發(fā)電機組已經于2012年在四川木蘇溝水電站投入使用至今，效果良好。本電站為第二次采用，目前機組在枯水期已正常發(fā)電，機組出力范圍較大、運行穩(wěn)定，各指標均優(yōu)于國家標準，效果良好。