貫流式水輪機的應用與技術發展

論文類別:工學論文 > 水利工程論文
論文作者: 梁章堂 胡斌超
上傳時間:2006/2/14 17:23:00

摘要:水輪机是將水流機械能轉換為固體機械能的水力原動機。根據在水轮機內實現能量轉換的水流能量形式及水流在水輪機轉輪區域内的運動特征,貫流式水輪机屬於軸流式水輪機一類。而根據水輪機的結構和機組的布置形式,貫流式水輪機有全貫流式、半貫流式(灯泡貫流、軸伸貫流和豎井貫流)等形式的區別。

關鍵詞:水輪機 應用 技術發展

1 貫流式水輪機的結構特點與技术經濟優勢
  貫流式水輪機的流道形式和軸流式水輪機不同,為保證向導水機構均勻供水和形成必要的環量,保證導葉較平滑繞流,軸流式水輪機需設置蝸殼,其流道由蝸殼、導水機构和彎肘型尾水管組成。貫流式水輪機沒有蝸殼,流道由圓錐形導水機構和直錐擴散形或S型尾水管組成。通常采用臥軸式布置,從流道進口到尾水管出口,水流沿軸向幾乎呈直線流動,避免了水流拐彎形成的流速分布不均導致的水流損失和流態變坏,水流平順,水力损失小,尾水管恢復性能好,水力效率高。燈泡貫流機組的發电機裝置在水輪機流道中的燈泡形殼體內,采用直錐擴散形尾水管,流道短而平直對稱,水流特性好。大型贯流機組幾乎都是燈泡机組,中小型多采用軸伸式、豎井式等形式。
  贯流式水輪機單位過流量大,轉速高,水輪機效率高,且高效區宽,加權平均效率也较高,具有比軸流式水輪机更優良的能量特性。其特征參數比轉速ns、可達1000以上,比速系數可達3000以上。與軸流式水輪機相比,在相同水頭和相同單機容量時,其機组尺寸小,重量輕,材料消耗少,機組造價低。貫流機组電站還可獲得年發電量的增加。
  貫流式水輪機的空化性能和運行穩定性也優於軸流式水輪機,其空化系數相對較小,機組可靠性高,運行故障率低,可用率高,檢修時間縮短,检修周期延長。對於低水頭資源開發,貫流式水轮機的穩定運行範圍宽,在極低水頭時也能穩定運行(如超低水頭1.5m以下),是其他類型的水輪機不可比的。如廣東白垢電站,額定水頭6.2m,最大水頭10.0m,但在1.3m水頭時仍能穩定运行。
  貫流式水輪發電機組結構紧湊,布置簡潔,廠房土建工程量較小,可節省土建投資。貫流機組設備運输和安裝重量較輕,施工和設備安裝方便,可縮短工期,實現提前發電。根據國內外有關水電站的統計資料,采用燈泡貫流機組比相同容量軸流轉槳機組,電站建設投资一般可節省10%~25%,年发電量可增加約3%~5%。如我國廣東白垢和廣西馬骝灘水電站,投資節省分別达22.6%和24%。小型水電站采用軸伸貫流機組与立式軸流機組比較,也可節省建設投資約10%~20%。由此可見,貫流式水輪機是開發低水头水能資源的一種最經濟、適宜的水輪機形式,具有資源利用充分、投資節省的優勢和電量增值、綜合效益增值的效果。
2 國內外贯流式水輪機的應用現狀
  貫流式水輪機自20世紀30年代問世以來,因其優良的技術经濟特性和適用性而得到廣泛應用和迅速發展,包括燈泡貫流發電機技術在內的貫流機組技術日益成熟,貫流式水電站的開發、設計、運行技術與經驗日益豐富。國外水頭25m以下的水電開發,已出现取代軸流式水輪機的局面。貫流機组技術在1960~1990的發展最為迅猛,這一時期投入運行的貫流機組,最大单機容量達65.8MW(燈泡貫流,日本只見),最大水輪機轉輪直徑達8.2m(竖井貫流,美國墨累),最高工作水頭達22.45m(燈泡貫流,日本新鄉第二)。
  我國從20世紀60年代開始贯流式水輪機的研究和應用,到20世紀80年代,貫流機组技術及其應用取得突破性的進展,1983年引進設備的第一座大型灯泡貫流機組電站一湖南馬跡塘水電站建成,1984年自主開發的广東白垢電站轉輪直徑5.5m,單機容量10MW灯泡貫流機組投運,標誌著具備自行開發研制大型貫流機组設備的能力。貫流式水輪機的應用研究和運行技术也獲得了發展,積累了經验。最近20年來,相繼開發建成引进設備、技術合作或自行裝備的大型燈泡貫流機組電站数十座,如淩津灘、王甫洲、尼那、洪江等。其中洪江水電站最大工作水頭27.3m,單機容量45MW,是目前世界上應用水头最高、國內單機容量最大的燈泡貫流機組。國內已運行的燈泡貫流式水輪機最大轉輪直徑已達7.5m。目前規劃或在建的貫流式水電站遍布全國各地,在建的廣西長洲水電站裝機15臺,總裝机容量達621.3MW。在西北地區,20世紀80年代開始貫流式水電站的規劃設計,並完成了柴家峽等電站的可行性研究。在黃河干流上現已建成青海尼那電站,寧夏沙坡頭電站即将竣工,甘肅柴家峽、青海直崗拉卡等電站在建。尼那電站是我国海拔最高的大型燈泡貫流機組電站,沙坡頭則是應用於高含沙水流的第一座大型燈泡貫流機組電站,各具特色,为貫流式水電站的開發提供了新的经驗。
  對於低水頭小型水電站,軸伸貫流水輪機和豎井貫流水輪机具有與燈泡貫流水輪机相當的技術經濟優勢,國外20m以下的小水电開發,已逐步取代軸流機组。據文獻介紹,國外已運行的軸伸貫流式水輪機轉輪直徑達8.6m,單機容量達到31.5MW,最大使用水頭達到38m。我國軸伸貫流式水輪機的技術開發起步較晚,自行研制的GZ006、GZ007(5葉片)等轉輪的性能達到或超過國際先進水平,但尚沒有得到普遍的技術推廣和形成相應的生產和市場規模。國内已運行的軸伸貫流水輪機多采用定槳式轉輪,最大轉輪直徑2.75m,單機容量3.5MW,最大使用水頭22m。而豎井貫流和全貫流機组技術開發程度較低,應用很少,與國外存在明顯差距。 免費論文下载中心 http://www.hi138.com 3 貫流式水輪機的應用及技術發展探討
  我國水電資源豐富,第四次水力資源復查成果顯示,全國江河水電資源蕴藏量達7億kW,可開发量5億kW,經濟可開發量4億kW。現已开發量1億kW,只占到經濟可开發量的25%。我国江河的低水頭水力資源,根據文獻估算,水頭在10m左右的资源量占到可開發資源的約500,達0.2億kW以上。此外,我國大陸和島嶼海岸線蕴藏著巨大的海洋潮汐能資源,可開發量超過0.21亿kW,尚未進行規模开發。以上數據說明,我國适用於貫流式水輪機开發的低水頭水能資源蘊藏巨大,貫流式水輪機應用前景廣闊,需求巨大。經過40余年的研究與實踐,我国對貫流機組設備開發、研制以及貫流水電站設計和運行技術都取得了很大的發展和成就。對於25m以下低水頭水電開發,優先選擇貫流機組,已基本形成共识。但目前國內貫流機組設備技术和供給能力還不能滿足水电建設的需要,許多大型或顶級的機組設備需要國際市場供貨,國內外同類產品在設備性能、單位千瓦材料消耗等技術方面存在著較明顯的差別,中小型貫流機組產品的多樣性和技术適應性也不能滿足國内或適應國際市場的需求。由於研發能力和技術水平的限制,又影響貫流式水輪機的廣泛應用。因此,全面提升我國贯流式水輪機的技術水平,任務迫切,意義深遠。
  推進我國贯流水輪機技術的進步,應當關註貫流機組大型化技術的發展,並致力於提高國內貫流機組整體技术水平。
  根據對貫流式水輪機的應用及其技術發展的分析,應用水頭逐漸提高、貫流機组大型化是國際貫流水輪机技術發展的趨勢,這也和我國低水頭水電開發對大型貫流機組的應用需求相吻合。貫流機組對開發低水頭水電資源具有優勢,而這些资源的開發地點往往位于經濟發達、人口稠密的平原或河谷地區,自然資源富集或處於交通要道(如黃河上遊等地區)。這類水電資源經濟合理的開發,要求實现發電、防洪、航運等综合利用功能,保護生態環境和土地資源,減少移民搬遷及交通設施等淹沒、浸沒及賠償,修建高壩大庫通常已不适宜。為了優化開發方案和工程總體布置,便於工程綜合功能經濟地實現,有利于保護生態和環境等資源,往往需要采用單機容量(機組尺寸)更大或应用水頭更高的貫流機組。
  大型化貫流式水轮機的水力設計不存在重大的技術難题,但機組設計、制造與安裝等方面的一些關鍵技術,以燈泡機組為例,灯泡體及水輪機的支承結构,軸系的分析計算、大噸位軸承的设計制造,發電機的設計,發電機的通風冷卻,機組的剛度及振動特性的評估、優化,大尺寸機組的安装技術等,存在較大的技術難度和经濟風險。近年,我國水電業界結合湖南洪江、广西惡灘擴建工程、四川桐子林等水電站機組的選型設計,對此進行了研究。在洪江水電站,對采用燈泡貫流機組的關鍵技術及制造難度,與日本只見、俄羅斯薩拉托夫等电站的大型燈泡機組進行了對比研究,結論是技術可行。該工程已成功實施,成為我國貫流電站技術進步的典型案例。而惡灘擴建工程采用燈泡貫流機組方案,其應用水頭和單機容量等設计參數,機組設計制造的技術難度均已超越了世界上已運行的同類電站機組,研究表明采用燈泡贯流機組在技術上是可行的。兩座電站的經濟分析數据也都表明,可節省建設投資和獲得年電量的增加,特別是惡灘擴建工程采用8臺75MW燈泡貫流机組與采用4臺150MW轴流轉槳機組的方案比較,前者首臺機組提前9個月發電,工程总工期縮短一年,其提前發電的電費收入,與比後者高出的投資差基本相抵(貫流機組方案設備投資概算按采用2臺進口、6臺合作编制),每年還可多獲得約3%的電量增加,其經濟性明顯優越。上述研究也說明,開發、應用25~35m水頭段的贯流式水輪機和單機容量75MW及以上的燈泡貫流機組,技術上可行,經濟上仍處於有利和合理範疇。
  全面提高我國貫流式水輪機的整體技術水平,實現包括產品研制技術(水力開發、結構分析、制造工藝、試驗研究等)及產品的技術性能、貫流式水輪機應用開發和運行等技術水平的全面提升,結合國內實際和借鑒国際先進經驗,應加強计算機及信息技術如計算機CFD、FE、CAD/CAM等及現代制造技術在貫流式水輪機開發、研制和運行等領域的推廣和應用,還應加強對國際先进技術的引進、消化和吸收.研究具有自主知識產權的貫流式水輪機產品和技術,這是提升我國貫流式水轮機技術和產業競爭力的必然途徑。此外,我國的各類水电資源開發,包括廣大農村中小低水頭資源及海洋潮汐能源的规模開發,需要技術經濟特性優越的,包括各類貫流式水輪機在內的多樣性的水輪發電機組設備,因此,應加強對軸伸貫流式水輪機的研究和推廣應用,完善軸伸貫流水輪機转輪的研究並形成系列型譜;應加強对用於潮汐能源開發的雙向可逆貫流机組、全貫流機組及豎井貫流機組的技術開發和研究;对齒輪增速技術及設備在貫流機組的應用,以及貫流水輪機適用的調速設備的開發等技術课題,應進行全面的规劃布局和系統的研究。
4 結語
  推進我國貫流式水輪機的技术發展,應對國內的應用現状和發展水平進行客觀的評估,對貫流機組的需求情況(包括近期和遠期需求)進行分析預測,制訂技術發展規劃,指導發展研究。我國有巨大的市場需求,全面提升贯流機組的技術及應用水平,將為我國低水頭水電資源開发帶來巨大的經濟效益,也將為我國貫流式水輪發電機組設备提高競爭力,進入國際市場提供強大的技術支持。转貼於 免费論文下載中心 http://www.hi138.com
下载论文

論文《貫流式水輪機的應用與技術發展》其它版本

水利工程論文服務

網站聲明 | 聯系我們 | 網站地圖 | 論文下載地址 | 代寫論文 | 作者搜索 | 英文版 | 手機版 CopyRight@2008 - 2017 免費論文下載中心 京ICP备17062730号