大功率豎井貫流與燈泡貫流水輪發電機組的技術經濟分析及應用

甘　波

(四川嘉陵江小龍門航電開發有限公司，四川 南充　637000)

大功率豎井貫流與燈泡貫流水輪發電機組的技術經濟分析及應用

甘波

(四川嘉陵江小龍門航電開發有限公司，四川 南充637000)

摘要：小龍水電站是目前國內最大的豎井貫流機組，該機組的投產、運行填補了大功率豎井貫流水輪發電機組在國內應用的空白，并通過豎井增速機組與燈泡貫流機組的技術、經濟比較以及近6年的運行維護經驗，指明了超低水頭電站在應用大功率豎井貫流式機組的方向。

關鍵詞：基本參數；安裝調試；機型效率；建議

0引言

近年來，國內外對超低水頭電站的興趣日益增加，為減少高壩大庫淹沒損失與移民搬遷、減少土建、設備等費用，超低水頭水電站成了熱門的話題。目前適用于超低水頭的機型有燈泡或豎井貫流式水輪發電機組，由于豎井貫流機組輪轂比小，過流量大，發電機轉速高，經濟指標好，因此豎井貫流式水輪發電機組更適合超低水頭的電站。然而豎井貫流水輪發電機組起步較晚，此種機型國內應用較少，特別是在大功率豎井貫流機組更是少見，目前嘉陵江小龍水電站為國內乃至亞洲最大的豎井貫流機組的電站，裝機容量4×1.3 MW，該工程以航運和發電為主，于2003年開始興建，2008年8月首臺機組開始發電運行，到目前為止已運行有6年，由于該豎井機組單機容量大，在設計、制造、安裝和運行方面積累了前所未有的經驗和技術成果，本文以小龍水電站工程為例，對大功率豎井貫流、燈泡貫流水輪發電機組進行了技術經濟分析，并說明了大功率豎井貫流水輪發電機組在運用中需要注意的問題。

1機型基本參數對比分析

小龍水電站最大水頭6.31 m，額定水頭5.0 m，最小水頭3.0 m，根據運行水頭適合的機型有豎井貫流式和燈泡貫流式，但是，豎井貫流機組與燈泡貫流機組各具有其特點。

小龍水電站工程在初步設計中推薦采用燈泡貫流式機組。但在施工設計階段，遇到了諸多困難，比如：水輪發電機組采購時，由于機組運行水頭超低、轉速低、發電機尺寸大、生產周期長、制造難度大、交貨時間不能滿足電站的施工工期要求，同時大件運輸也較困難等。于是對豎井貫流式和燈泡貫流式兩種機型主要性能參數進行比較。

表1　兩種機組性能基本參數比較表

由表1參數可知，在超低水頭、相同同出力條件下，燈泡貫流式轉輪直徑比豎井貫流式大0.3 m，轉速低15%，水輪機重量多12%，水輪機流道尺寸也略大。水輪機最大起吊重量多12%，廠房起吊高度增加5%。而豎井貫流式發電機增加了一套變速系統，但發電機的重量僅是燈泡機的1/4，故機組重量輕。對發電機而言，若選用燈泡貫流式機型，按照水輪機參數，發電機轉速為65.22 r/min，轉子磁極數為92個。根據電磁計算，發電機定子需選擇450槽，發電機結構尺寸相對而言較大，其經濟性指標明顯下降，隨之帶來的是運輸難度增大，發電機無法整體運輸，燈泡頭、錐體、定子機座等部件均需分瓣才能完成。同時，定子還需要在工地完成疊片、下線等工作，轉子要采用疊片磁軛結構，也需在工地現場進行組裝。

從表中可以看出豎井貫流式機型，通過增設一個增速齒輪箱將發電機轉速提高到750 r/min，發電機結構尺寸大為減小，定子槽數減為了108槽，轉子磁極數僅為8個，發電機可實現在制造廠總裝配后整體運至工地。顯然，給制造和運輸都帶來極大的方便。

2機型安裝調試、周期的對比分析

由于燈泡貫流式機組結構緊湊，故安裝工作要在狹小的空間里進行。而總體上這種機型，特別是對于尺寸較大的機組，其大部件剛性又相對較弱，這樣，要滿足機組重要部位設計精度的需要，其安裝難度、調整工作量大、工作周期長是顯而易見。 但對豎井貫流式發電機組而言，情況則完全不一樣，豎井貫流機組的發電機部分可在制造廠內進行總裝，并在完成轉動部件的靜、動平衡試驗后，如齒輪箱一樣，整體運至工地可直接吊入豎井內就位后安裝。另外，直錐尾水管的里襯在第一階段安裝，并作為后續工程的基準和支持面，導水機構在安裝場預組裝，待廠房土建工作結束后整體吊裝就位，接著是安裝主軸、轉子、增速器和發電機，仔細地對中調直，使其在一條直線上，這樣可大大減小安裝場地，縮短安裝周期。

3機型維護檢修的對比分析

一般豎井外形除了迎水面做成圓弧形外，沿水面均為平面。燈泡貫流式機組發電機部分的維護工作較少，但維護操作則較為困難，發電機大修時流道需要進行排水，所需維修所需的時間較多。豎井貫流式機組發電機部分的維修操作則較為方便，不需要對流道部分實行排水。當然，增加了一個齒輪箱的維護，增速器一般指齒輪傳動，需要我們對齒輪箱的選擇給予足夠重視，選用可靠的、高質量的產品，就完全可以將齒輪箱的故障率和機組總體噪音降到很低程度。由此看來，豎井機組也可以提高設備的運行可靠性和安全性， 減少維護工作和費用。

4機型效率的對比分析

通常，人們可能認為豎井貫流式機組由于增加了一個齒輪箱，效率要比燈泡貫流式機組低 。事實上，一臺高質量的行星齒輪效率滿負荷時效率約為99%，行星齒輪效率損失可從高速發電機的效率提高得到補償。在做具體分析后，我們會發現，實際上兩機型的效率幾乎相差不大，祥見表2相關數據。

表2　兩種機組效率比較表

由表2中兩組數據可以看出，兩種形式機組的綜合效率相差不多。此外，豎井貫流式發電機還因無需采用強迫通風冷卻，從而能有效減少廠用電負荷。

5兩種機型價格的對比分析

兩種機型的水輪機結構基本相同，制造過程也大致一樣。但燈泡式水機轉輪直徑大，重量重，故豎井貫流式水輪機比燈泡貫流機的造價有明顯優勢。

對發電機而言，豎井貫流式發電機轉速較高，轉動部件材料的機械性能要求比燈泡貫流機高，若僅從噸價來看，豎井貫流式發電機的噸價比燈泡貫流機高，但由于發電機轉速的提高，發電機的總重量也大大減輕，加上增加的齒輪箱帶來的投資，其發電機總體價格具有較大優勢。若以燈泡貫流式機組的造價為100%，兩種機型的價格統計分析見表3。

表3　兩種機型價格的比較

從表3中可以看出，燈泡貫流機組的價格約是豎井貫流機組的1.187倍，豎井貫流機組實際采購價格比燈泡貫流機組約少2 300萬元，能節省電站的機電投資。

6建議

小龍水電站大功率豎井貫流機組已成功運行了6年，在近幾年運行中發現了不少問題，根據此機組在應用中曾出現過的問題，筆者建議大功率豎井貫流機組應在以下幾方面引起足夠的重視：

(1)水輪機，增速器、發電機的同軸度要嚴格按照設計要求進行安裝；

(2)增速器油泵控制系統中油溫、油位及油壓均要滿足增速器運行要求，才允許機組啟動；

(3)增速器潤滑油選用高質量、性能優的潤滑油；

(4)增速器選用品質優良，口碑好，售后好的廠商；

(5)增速器振動情況的監察；

(6)合理調整導葉緊急關閉規律、調速器輪葉協聯關系以及調速器的關機時間和兩段關閉拐點，減少反水錘對增速器推力軸承的沖擊；

(7)機組運行過程中增速器各部的油溫，定期對增速器郵箱內的油質進行檢查；

(8)發電機集電環碳刷選用適宜高轉速水輪機、硬度合適的產品。

7結語

小龍水電站是目前國內最大的豎井貫流機組，該機組的投產、運行填補了大功率豎井貫流水輪發電機組在國內應用的空白，并通過豎井增速機組與燈泡貫流機組的技術、經濟比較以及近6年的運行維護經驗，，指明了超低水頭電站在應用大功率豎井貫流式機組的方向。

同時，我們也應該清楚地認識到，豎井貫流機組特別是大功率豎井貫流機組起步較晚，目前雖取得了前所未有的進步，但還需要在今后的運行維護中不斷總結和完善，也有可能在應用中暴露出更多的問題需要我們去探索和完善。

甘波(1982-)，男，四川資中人，碩士，工程師，從事水電廠運行維護技術工作.

(責任編輯：卓政昌)

收稿日期:2015-03-16

文章編號:1001-2184(2015)02-0106-03

文獻標識碼:B

中圖分類號:U455.8；TM923.3；TK733+.8

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