雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組在水電站中的應(yīng)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(nóng)村經(jīng)濟(jì)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(zhì)、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(jī)組要適應(yīng)這些千變?nèi)f化的條件，使之保持高效運(yùn)行，要求也進(jìn)一步提高。傳統(tǒng)的水輪發(fā)電機(jī)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(shè)計(jì)工況，致使電站機(jī)組設(shè)備在非設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)效率較低或無法發(fā)電，導(dǎo)致電站機(jī)組設(shè)備運(yùn)行不正常、機(jī)組壽命短，電站年利用小時(shí)低，發(fā)電收益低微。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》 (GB/T 15468)，傳統(tǒng)相應(yīng)機(jī)組的功率范圍如下所示 (見表1)。

表1 傳統(tǒng)水輪發(fā)電機(jī)組出力范圍

對于混流式機(jī)組，如在運(yùn)行范圍內(nèi)出現(xiàn)強(qiáng)振，應(yīng)采取相應(yīng)措施或避振運(yùn)行。

當(dāng)電站發(fā)電出力在標(biāo)準(zhǔn)范圍之外運(yùn)行，可能會引起機(jī)組振動加劇、噪音增大、溫度升高等一系列問題，導(dǎo)致機(jī)組損傷較大，發(fā)電得不償失。

2 雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組應(yīng)用

為了解決水輪發(fā)電機(jī)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(yùn)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(shí)在一定程度上解決由于此類問題引起機(jī)組的空化空蝕、劇烈振動、機(jī)組壽命短等現(xiàn)象，本文列舉了“雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組在水電站中的運(yùn)用”方案，供相關(guān)電站參考選擇。

2.1 傳統(tǒng)的水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備主要存在的問題

(1)一般在額定負(fù)荷工況下運(yùn)行，機(jī)組效率比較高，當(dāng)偏離額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)效率下降，尤其在負(fù)荷低于50%額定負(fù)荷時(shí)效率明顯下降，并伴有噪音增大、振動加劇等現(xiàn)象，危害機(jī)組。而水電站機(jī)組常常要在低負(fù)荷下運(yùn)行，機(jī)組效率低下，機(jī)組壽命短。

(2)傳統(tǒng)的水輪機(jī)為1個水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，受軸向水推力和磁拉力的影響，通常存在軸向串動現(xiàn)象，導(dǎo)致軸瓦溫度升高，徑向推力軸承受損，嚴(yán)重時(shí)會拉壞主軸。

(3)傳統(tǒng)機(jī)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(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組

基于上述情況，本文提出了由2臺水輪機(jī)帶動1個發(fā)電機(jī)的水輪發(fā)電機(jī)組在電站的使用，這樣的機(jī)組設(shè)備已經(jīng)在部分電站投入使用。由于各種特殊因素，這樣的機(jī)組設(shè)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(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組 (見圖1)。

圖1 盤縣魯楚坡水電站機(jī)組布置

發(fā)電機(jī)兩邊分別布置1臺水輪機(jī)，2臺水輪機(jī)型號相同，均為雙噴嘴沖擊式機(jī)組，尺寸相同。運(yùn)行時(shí)1臺水輪機(jī)為順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，另外1臺水輪機(jī)為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。選擇水輪機(jī)是根據(jù)電站條件和運(yùn)行方式等因素確定的，2臺水輪機(jī)可以同時(shí)工作，也可以單臺工作，由1臺調(diào)速器同時(shí)控制。2臺水輪機(jī)由1根壓力管道分岔聯(lián)接，也可以1臺機(jī)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(jù)電站流量變化較大的特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)的單轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組無法保證機(jī)組在流量較小的時(shí)候發(fā)電，以及在流量變化的時(shí)候無法保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，故選用了雙轉(zhuǎn)輪的水輪發(fā)電機(jī)組。魯楚坡水電站所選的發(fā)電機(jī)型號為SFW4000—10/2150，水輪機(jī)型號為2CJA475—95/2×11.5。

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

(1)帶動1臺發(fā)電機(jī)的噴嘴數(shù)為4個，發(fā)電機(jī)兩側(cè)各2個，噴嘴通過調(diào)速器控制，可以為單噴嘴、雙噴嘴和四噴嘴同時(shí)運(yùn)行。根據(jù)電站條件變化和功率變化，自動選擇噴嘴數(shù)運(yùn)行;即可根據(jù)負(fù)荷變化選擇1臺水輪機(jī)的其中1個噴嘴運(yùn)行，2臺機(jī)同時(shí)運(yùn)行等，滿足電站發(fā)電需求;而傳統(tǒng)的水輪發(fā)電機(jī)組沒有此功能。

(2)傳統(tǒng)水輪發(fā)電機(jī)組無論在何種工況下發(fā)電均存在軸向水推力，機(jī)組布置時(shí)必須設(shè)備1臺徑向推力軸承，軸承需設(shè)置主、副推力盤，機(jī)組大軸存在串動現(xiàn)象，軸瓦溫度較高。采用了雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組后，發(fā)電機(jī)兩側(cè)水推力平衡，軸向水推力基本為零，不用設(shè)置徑向推力軸承，軸向不會存在串動現(xiàn)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(jī)組，要滿足電站運(yùn)行出力要求，1臺水輪機(jī)的尺寸加大，轉(zhuǎn)輪直徑與射流直徑很難匹配，機(jī)組運(yùn)行維護(hù)困難，土建成本加大。

(4)魯楚坡電站單臺發(fā)電機(jī)為4 000 kW，傳統(tǒng)的水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)出力范圍為1 000～4 000 kW，而本電站選用雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)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(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語

筆者2009年設(shè)計(jì)的沖擊式雙轉(zhuǎn)輪水輪發(fā)電機(jī)組已經(jīng)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(jī)組在枯水期已正常發(fā)電，機(jī)組出力范圍較大、運(yùn)行穩(wěn)定，各指標(biāo)均優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)，效果良好。