雙擊式水輪機用于生態(tài)機組的研究

徐國君，吳 韜

(1．水利部農村電氣化研究所，浙江 杭州 310012；2.水利部農村水電工程技術研究中心，浙江 杭州 310012)

0 引 言

隨著我國對生態(tài)環(huán)境保護的重視程度顯著提高，小水電清理整改與綠色改造成為近些年水利行業(yè)環(huán)境保護和修復的一項重要任務，其中水電站生態(tài)流量泄放又是清理整改行動的重點之一；有條件的電站一般都增設生態(tài)流量機組來達到消能和泄放生態(tài)流量的目的，同時也能提高電站的經濟效益。生態(tài)機組通常要求在水庫水位變化時要不間斷地足量泄放生態(tài)流量，在生態(tài)機組水輪機選型時，有時會因為水庫的水位變化過大，使得水輪機選擇比較困難。

雙擊式水輪機因其適應水頭變化能力強、效率變化平緩、造價低、維護簡便等特點比較適合應用于水頭變化比較大的生態(tài)機組。本文針對這類機組，對比分析雙擊式與混流式機組的性能、效益等方面，為生態(tài)機組水輪機的選型提供了參考。

1 部分生態(tài)機組存在的問題

水電站根據(jù)評估核定的生態(tài)流量值進行泄放，通過改造或者新建泄放設施來達到泄放生態(tài)流量的目的。目前主要的生態(tài)流量泄放設施建設方法有以下幾種：

(1) 泄流閘改造。采用已有泄流閘增設限位設施的方式，通過改造閘門行程控制器或布置限位裝置來泄放生態(tài)流量(見圖1)。

圖1 泄流閘限位設施

(2)泄流閥改造。改造或利用大壩現(xiàn)有泄水設施和設備，通過調整設施和設備的開度等來控制生態(tài)流量泄放。

(3)增設泄流管。在壩體或壩體周邊渠首以及壩肩通過工程措施布置或埋設無節(jié)制的生態(tài)流量泄放管，或者增設虹吸管來泄放生態(tài)流量(見圖2)。

圖2 生態(tài)泄流管

(4)增設生態(tài)機組。有條件的電站可增設新的生態(tài)機組進行生態(tài)流量的泄放。

以上幾種生態(tài)流量的泄放措施各有利弊，特別是增設生態(tài)機組的方式并不適合所有生態(tài)流量泄放量比較大的水庫電站。目前，常規(guī)的反擊式及沖擊式水輪機應用于生態(tài)機組要求水庫的水頭變化盡量小，生態(tài)流量機組與常規(guī)水電站機組的主要區(qū)別在于低水頭小出力時的運行時間；因為對于調節(jié)能力不強的水庫裝設的生態(tài)機組，在水庫水位接近死水位時仍然需要運行來泄放生態(tài)流量，并且這種運行工況運行的時間會比較長；有些混流式生態(tài)機組會配套2只適用于不同水頭段的轉輪，每年需要更換2次，這樣不僅消耗大量的人力物力，頻繁的拆裝也會對機組壽命產生很大的影響。

目前，國內新建的生態(tài)流量機組水輪機以混流式居多，針對生態(tài)流量機組運行的特點，機組應能在比較寬的負荷即水頭區(qū)間內穩(wěn)定運行；但由于反擊式水輪機的固有特性，在低負荷區(qū)運行時水輪機轉輪葉片的繞流和出流特性將發(fā)生較大變化，機組性能與穩(wěn)定性將會比在設計工況運行時偏離較大，水輪機的效率也下降得比較明顯。雖然目前已投運的生態(tài)機組可以通過改造來適應較寬負荷和穩(wěn)定運行的要求，但每個電站和水庫的實際情況并不相同，也沒有規(guī)律可以找尋，因此這種方式目前也只是在起步階段，對每個生態(tài)機組進行模型轉輪優(yōu)化設計也不經濟；因此還需對生態(tài)機組的實際情況進行深入的研究，確保生態(tài)機組運行的穩(wěn)定性和安全性。

2 雙擊式水輪機結構特點及應用

雙擊式水輪機作為小水電機組的一種機型，屬于沖擊式水輪機的一種類型。相較于其他形式的水輪機，雙擊式水輪機雖然模型最高效率并不高，但其通用性較強，使用范圍比較廣，結構和操作比較簡單，造價也比其他幾種機型低；并且水輪機的效率在出力變化較大時減小得比較平緩(見圖3)，加權平均效率一般比混流式水輪機高，且氣蝕性能良好。同時，對于水流中的雜物也具有比較好的易通過性，因此在水頭范圍變化較大的生態(tài)機組應用雙擊式水輪機具有一定的優(yōu)勢。

圖3 雙擊式水輪機流量——效率曲線

雙擊式水輪機主要由機殼、導水柵、噴嘴、轉輪以及葉片等構成。轉輪是一個具有2個圓形邊壁結構的筒裝結構。葉片均布于轉輪中，與轉輪外圓形成正切角；水流通過導水柵后由矩形噴嘴依照一定的沖角進入轉輪，水流在轉輪內部先從外周通過徑向的葉片流入轉輪的中心，此為第一階段的能量轉換過程；水流通過轉輪中心后再次流向葉片，完成第二次能量轉換。

隨著現(xiàn)代有限元計算分析的發(fā)展與應用逐步成熟和廣泛，對于雙擊式水輪機轉輪可以進行葉片的改型設計，運用氣液兩相的流場特征，建立雙擊式水輪機轉輪模型，在各種工況下進行三維全流道模擬，從而對轉輪和葉片進行優(yōu)化，通過改變轉輪葉片的數(shù)量、葉片與轉輪的直徑比以及葉片頭部的安放角等來提高雙擊式轉輪的效率、轉輪內部流態(tài)及機組的壓力脈動等性能參數(shù)。

自1917年第一臺雙擊式水輪機誕生以來，奧地利、德國、美國、日本等國家一直在研究和改進雙擊式水輪機，其中德國的Ossberger公司是當今為數(shù)不多的一直在研究和生產雙擊式水輪機的廠家(見圖4)。我國也于20世紀80年代引進了雙擊式水輪機并與混流式水輪機進行了對比，結果表明，雙擊式水輪機在價格、體積和維護保養(yǎng)方面都具備一定的優(yōu)勢，但在后期實際推廣使用中轉輪葉片疲勞強度不足導致斷裂的問題一直沒有能很好地解決，因此雙擊式水輪機在我國并沒有較大范圍的推廣使用。2011年，東風水電站進行報廢重建，裝機容量為100 kW，凈水頭為41 m，年利用小時數(shù)為1 635 h。在設計階段對比了斜擊式、混流式和雙擊式水輪機的機組效率、投資額及運行維護等方面因素后推薦使用了雙擊式水輪機作為改造后的機型。

圖4 德國Ossberge雙擊式水輪機

3 雙擊式水輪機運用于生態(tài)流量泄放機組

3.1 概述

根據(jù)雙擊式水輪機的使用范圍和特性，其可運用于徑流式水電站生態(tài)機組和利用水庫底孔泄放生態(tài)流量等情況，特別是對于水庫水位變化比較大的生態(tài)機組，當生態(tài)機組運行的最大和最小水頭比值接近于2甚至更大時，雙擊式水輪機效率變化平緩、氣蝕性能良好的優(yōu)點就會尤為突出。此外，為了減小生態(tài)機組的投資，在低水頭徑流式水電站，生態(tài)流量機組水輪機與發(fā)電機可通過增速器連接，以此提高發(fā)電機的轉速，減小機組尺寸和投資(見圖5)。

圖5 帶齒輪增速的雙擊式水輪發(fā)電機組

3.2 實例分析

某引水式水電站總裝機容量為18 MW，多年平均發(fā)電量為0.63億kW·h，年利用小時數(shù)為3 520 h，該水電站工程具有灌溉、供水以及發(fā)電等綜合利用效益。

電站核定的生態(tài)流量為2.1 m3/s，要求生態(tài)流量必須恒定泄放，擬建設1臺生態(tài)機組用于生態(tài)流量的泄放。生態(tài)機組運行水頭范圍為49.5～99.1 m，最大/最小水頭之比Hmax/Hmin=2.0，水頭變化范圍較大；如采用1臺混流式機組，在生態(tài)流量恒定不變的情況下，在低水頭工況點水輪機運行范圍已到模型曲線的范圍邊緣。雖然低水頭時機組出力不低于額定出力的45%，但此時水輪機運行工況較差，長時間運行將對機組壽命產生影響。此外可采用高—低2只轉輪運行的方式，在每年7月和次年的3月，分別更換一次轉輪。此種方法雖然在整個運行范圍內效率較高，機組穩(wěn)定性和空蝕性能也比較好，但設備投資增加，每年更換轉輪及尾水管也比較麻煩。

采用雙擊式機組，水輪機最高效率為85%左右，且在枯水期時水輪機效率也能維持在81%左右。雙擊式與混流式水輪機運用于這臺生態(tài)機組的對比如下所示(見表1)。

表1 不同機型參數(shù)對比

通過表1對比，雙擊式水輪機效率比混流式機組低，但在氣蝕和低水頭運行穩(wěn)定性方面要優(yōu)于混流式水輪機；如采用國產設備，投資成本也相對較低。

3.3 雙擊式水輪機運用于生態(tài)流量機組的局限性

(1)應用范圍受限。雙擊式水輪機適用水頭范圍一般為1～200 m，國外廠家推薦單機容量一般不超過5 000 kW，比較適用于徑流式水電站生態(tài)機組和利用水庫底孔或排沙管設置生態(tài)機組泄放生態(tài)流量等情況。

(2)下游水位變化不能太大。雙擊式水輪機也屬于沖擊式水輪機的一種類型，因此轉輪在運行時在其下部需要有一定的凈空高度，以防止轉輪被淹沒在水中，因此雙擊式機組不適用于尾水變化比較大的生態(tài)電站。

(3)轉輪葉片強度還需要提高。從我國引進雙擊式水輪機投入商業(yè)運行的情況來看，發(fā)生的主要問題就是葉片的斷裂，因此需要從結構和材料等方面著手提高轉輪的強度，避免發(fā)生葉片斷裂的事故。

4 結 語

雖然雙擊式水輪機引入我國時間較早，但目前并未在我國引起重視，應用也非常不廣泛，不過對于一些特定條件下使用雙擊式水輪機作為生態(tài)流量機組的優(yōu)點還是比較明顯的；因此仍然需要針對雙擊式水輪機葉片易斷裂等問題進行不斷的優(yōu)化和改進，使得雙擊式水輪機可以更好地進行應用和推廣。