從中國最早使用的燈泡貫流式機組談其興衰與發展

胡 錦 蘅， 余 波， 劉 彬， 李 文 浩

(西華大學 能源與環境學院，四川 成都 610039)

在低水頭、大流量水電站中，燈泡貫流式和軸流轉槳式機組是其兩種最常用的機型。貫流式水輪發電機組的引水部件、轉輪、排水部件均布置在一條軸線上，水流平直通過，是一種開發利用低水頭、大流量水力資源的良好機型。在各種類型的貫流式機組中，又屬燈泡貫流式機組適應性最強、使用最廣。該機組采用水平布置，水輪機沒有蝸殼，土建開挖量小，發電機裝置設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，具有轉輪效率高、過流量大、發電機尺寸小、建設周期短、總體投資省等優點。除此之外，其也存在單位電量耗水量大、油系統復雜、安裝及大修難度大等缺點(圖1)。

圖1 燈泡貫流式機組模型示意圖

軸流式水輪發電機組的葉片軸線與水輪機軸線垂直，水流在導葉和轉輪之間由徑向流動變為軸向流動；而在轉輪區內，水流保持軸向流動，這種機組同樣適用于開發較低水頭、較大流量的水力資源，屬于高比轉速機組。根據其轉輪葉片在運行中能否轉動，又可分為軸流定槳式和軸流轉槳式兩種。特別是軸流轉槳式機組，由于其轉輪葉片和導葉能隨著工況的變化形成最優的協聯關系，從而提高了水輪機的平均效率，擴大了運行范圍，獲得了穩定的運行特性，因此，其更成為一種廣泛使用的機型。不過，其存在氣蝕性能和強度條件差且土建施工土方開挖量大的缺點。

自20世紀70年代以來，在涪江干流中游段射洪縣境內先后落成的五座水電站中，上述兩種機型在幾十年來不斷地被輪換選用。筆者通過走訪實地考察和查閱大量資料，對這種現象進行了思考與分析。

1 中國最早使用的燈泡貫流式機組——東風水電站1號機組

東風水電站位于四川省涪江干流中游段的射洪縣境內，現隸屬于國家電網四川明珠集團有限責任公司(以下簡稱“明珠公司”)，設計水頭為6.3 m，一期工程于1971年10月建成。據筆者查閱相關資料得知：東風水電站的1號機組是目前中國已知最早使用的燈泡貫流式機組，于“文化大革命”初期(1967年前)從日本富士電機株式會社進口，由國家當時的有關部門及四川省指定射洪縣按照“量體裁衣”的方式建成的全國第一座安裝貫流式機組的試驗性水電站，比之前業界普遍認為采用引進設備的中國第一臺燈泡貫流式機組——湖南省馬跡塘電站的機組(1983年建成)早了十余年。

東風水電站1號機組的銘牌容量為2 500 kW，投運至今已達44 a，累計運行時間為26萬余h，總發電量為5.6億kW·h，目前仍在運行中。按照當年的施工計劃，電站分兩期建設，一期工程于1967年3月開工，安裝了這臺進口的貫流式機組(1號機組)并計劃在1968年試車運行，但實際情況卻是在1971年10月1日該機組才正式發電，其中的原因就是當時國內完全沒有可供參考借鑒的關于燈泡貫流式機組的安裝經驗，加之土建工程量大(引水渠長達6.5 km)、施工方式原始及施工期間洪水突襲等原因，致使機組在其間被反復拆卸、修復和安裝，并且還有15名工人在安裝過程中犧牲了生命。在正常運行兩年后，該機組就進入了其問題多發期，運行情況開始變得不理想，其2 500 kW的容量長期只能按最大出力2 000 kW限定運行，原因有三：一是機組在安裝過程中受到的磨損過多；二是因為其為國內第一臺燈泡貫流式機組，電站工作人員缺乏操作與維護的經驗；三是因為其是進口機組，備品備件奇缺或根本沒有(圖1)。

圖2 東風水電站前池及主廠房上游外觀圖

2 從射洪縣五座水電站輪換選用兩種機型談燈泡貫流式機組的發展

按照東風水電站的施工計劃，1期工程完成了全部土建施工，廠房中預留了2號機組的機窩，2期工程將安裝1臺單機容量同為2 500 kW的國產貫流式機組。盡管國家當時已將另1臺同樣的機組(與1號機組同時進口)指定由浙江蕭山水輪機制造廠進行拆分、仿制(原計劃的東電2號機組就是其仿制的國產機組，且2期工程與1期工程不間斷進行)，但廠家遲遲提供不了產品，致使2期工程停止。與此同時，我國對軸流轉槳式機組的研發制造技術則相對于同期的燈泡貫流式機組要成熟得多，已經擁有了一批技術過硬的廠商，國內電站對其的運行管理經驗業已豐富，因此，在1號機組發電效益不理想的情況下，明珠公司決定修建2期工程，即增加一臺軸流轉槳式機組(機組由天津發電設備廠提供)，工程于1980年7月開工，1982年6月投運，在預留安裝貫流式機組的機窩中安裝了軸流式機組，因此就出現了在同一個廠房里布置兩種機型的局面(圖3)。2號機組投產后，其發電效益很快讓設置在同一廠房的1號機組相形見絀。此后，明珠公司相繼在涪江上(射洪縣境內)建起了螺絲池(3×10.5 MW，1991年3月首臺機組發電)、金華(3×14 MW，1998年12月首臺機組發電，圖4)兩座中型水電站。由于受到東風水電站1、2號機組表現出來的截然不同的效果影響，公司與設計方均堅定不移地為這兩座電站選擇了由東方電機廠生產的軸流轉槳式機組。

圖3 東風水電站1、2號機發電機層高差約達4 m的情景

1984年，由我國自行研制的第一臺燈泡貫流式機組——廣東白垢電站的機組(轉輪直徑5.5 m、單機容量10 MW)投運，標志著我國開始具有制造燈泡貫流式機組的能力。不過此時還處于低級的仿制、消化吸收階段，與阿爾斯通、富士電機等國外著名廠家的產品差距仍然十分巨大。20世紀90年代初期，我國生產出了轉輪直徑為5.8 m、單機容量為18 MW的廣東英德白石窯機組，這是我國在仿制、吸收消化階段達到的最高水平。20世紀90年代后期，國內廠家對燈泡貫流式機組的研制進入了一個新的階段，通過合資和引進技術等方式，使燈泡貫流式機組的開發設計能力大大增強，大量先進、獨具特色的燈泡貫流式機組的設計、制造技術已被熟練掌握，對該類機組的研制水平已經站在了一個高起點上，特別是東方電機廠，因為其長期與東風水電站合作，對貫流式機組的開發早，這一階段生產出來的貫流式機組與軸流轉槳式機組相比已經不再具有明顯的劣勢了。

2000年以后，隨著四川紅巖子電站機組(3×30 MW、D1=6.4 m，東電于2001年生產)、青海尼那電站機組(4×40 W、D1=6 m，天津阿爾斯通于2003年生產)等一批燈泡貫流式機組投產，標志著我國燈泡貫流式機組的設計和生產已經具有了一定的規模和水平，機組的設計制造能力已接近國際先進水平，并且已經具備了生產大容量機組的能力。將這一階段生產的燈泡貫流式機組與軸流轉槳式機組相比較，已經具有了水輪機單位過流量大、效率高、年發電量高、穩定性好等諸多優勢，并且還因為燈泡貫流式機組結構緊湊，使得土建工程量較小，從而可以縮短工期、提前發電。在隨后修建的、額定水頭低于30 m的低水頭大中型電站中，大多數均選用了燈泡貫流式機組。以青海尼那電站和甘肅烏金峽電站為例，若選用軸流轉槳式機組，工程投資分別會增加4 000余萬元和9 850萬元，年平均發電量則會減少3 580萬kW·h和2 380萬kW·h。從相關數據分析看，電站水頭越低，選用燈泡貫流式機組的優勢越明顯。因此，射洪縣最近幾年在涪江干流上新修建的打鼓灘電站(3×10.5 MW，2014年1月3臺機組全部發電，圖5)和柳樹電站(3×15 MW，在建中)直接采納了國內其他新建電站的經驗，舍棄了曾經最為信任和熟悉的軸流轉槳式機組，重新選擇了早已今非昔比的燈泡貫流式機組。

圖4 金華水電站主廠房內景

圖5 打鼓灘水電站主廠房內景

據統計，國內目前還未開工或處于工程規劃設計階段的燈泡貫流式電站還有數十座，這些電站即將安裝的機組數量將達到數百臺，其中不乏單機容量為40～50 MW、轉輪直徑為7 m左右的大型燈泡貫流式機組，它們的建設預示著我國在燈泡貫流式機組的設計與制造領域將會再豎立起一個里程碑。

3 結 語

隨著近幾年國家對低水頭水能資源和潮汐能資源的大力開發，低水頭電站的建設越來越多。燈泡貫流式機組由于其自身具有的優勢，近年來發展較快，在中小型低水頭電站的應用中已有取代軸流轉槳式機組的勢頭。筆者認為：憑借著現階段燈泡貫流式機組明顯的技術與經濟優勢，在計劃新建的額定水頭小于30 m的電站中宜優先采用。但在中小型水電站的設計中，應根據技術經濟比較并對機組特點進行綜合考慮后，再決定是選用燈泡貫流式還是軸流轉槳式機組。以上僅為筆者一些不成熟的觀點，若有不足欠妥之處，還望同行和前輩們指正。

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