臥軸混流式雙轉輪水輪發電機組技術特點及應用前景簡析

丁 況

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

臥軸混流式雙轉輪水輪發電機組技術特點及應用前景簡析

丁 況

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

簡述了臥軸混流式雙轉輪水輪發電機組的基本特點，通過調節投入運行的轉輪數量，可以較好地解決流量變幅大的電站在小流量低負荷工況下的機組運行穩定性問題，擴大了臥軸混流式水輪機的運行范圍，增加電站在枯水期的發電效益。同時，為該類型電站的機組選型提供了一種新的思路。

臥軸混流式； 雙轉輪； 水輪機； 流量變幅

0 前 言

目前，國內外大容量機組的水電站越來越少，且諸多發展中國家電網薄弱，我公司跟蹤的國外電站中，以中小型甚至微型電站居多，并且國外水電站多為私人業主，對投資回報率相當看重。因此，我公司在國內外中小型電站的博弈中，不妨換一種設計思路，降低投資，從而獲得更多的市場份額。

臥軸混流式水輪發電機組由于結構簡單、土建工程量少、日常維護方便，在小容量電站中應用十分普遍。但是，混流式水輪機相對較窄的運行范圍，一定程度上限制了其應用，特別是流量年內變化大的電站，若枯水期來流量低于機組的最低穩定運行范圍相對應的流量，則機組在此工況下運行時，容易出現較大的噪音及振動，對機組損害較大，且發電效率較低[1]，若停機，將損失電站枯水期電量，對電站的經濟效益會造成一定的影響。針對這種流量變化大的中小型電站，需采取一定的措施保證機組的安全、穩定、高效運行。一般來講，常見的措施是增加機組臺數，降低單機容量，但是，隨著機組臺數的增加，整個電站的土建投資和機電設備投資將隨之大幅度增加?；诖?，本文從機組選型方面，介紹一種臥軸混流式雙轉輪的水輪發電機組，可以解決中小型水輪機在小流量低負荷工況下的運行穩定性問題，節省工程投資，增加電站效益，縮短電站建設工期。

1 臥軸混流式雙轉輪水輪發電機組基本類型

目前，臥軸混流式雙轉輪的水輪發電機組主要有兩種型式：一是2套水輪機轉輪背靠背布置，共用1套蝸殼和進水閥、2套尾水管，發電機布置于端頭，其布置如圖1所示，以下簡稱“背靠背機組”；二是2套水輪機轉輪單獨對稱布置，2套蝸殼和進水閥、2套尾水管，發電機布置于2臺水輪機中間，其布置如圖2所示，以下簡稱“雙挑機組”。

從圖1、2中可以看出，臥軸混流式雙轉輪水輪發電機組與常規的混流式水輪發電機組相比，其設備組成及布置方式明顯不同。并且，“背靠背機組”與“雙挑機組”的2個轉輪均配置有單獨的導水機構，因此，在小流量低負荷工況下，可以通過關閉1套導水機構來實現單轉輪的運行。

圖1 “背靠背機組”示意 圖2 “雙挑機組”示意

2 不同型式的混流式水輪發電機組的對比分析

眾所周知，立軸混流式水輪機和常規的臥軸混流式水輪機是2種最常見的混流式水輪機型式。本文對臥軸混流式雙轉輪水輪機與上述2種常見的混流式水輪機進行了對比分析。

(1)立軸混流式水輪發電機組適用范圍廣，單機容量從幾百千瓦至上百萬千瓦均可使用，其技術成熟，業績多，設計、制造及安裝較為簡單，國內水輪發電機組制造廠家均能生產制造，但是其廠房一般為多層布置，開挖深度大，土建工程量較大，建設工期長，投資較多。

(2)常規的臥軸混流式水輪發電機組的廠房一般為單層布置，土建投資少，建設工期短，在中小型電站中應用較多，但其對單機容量和轉輪直徑有一定限制，目前,國內水輪發電機組制造廠業績中，哈爾濱電機廠曾在巴拿馬供貨單機容量11.27 MW，轉輪直徑1.32 m的臥軸混流式單轉輪水輪發電機組，重慶水輪機廠曾在泰國供貨單機容量10.0 MW，轉輪直徑1.52 m的臥軸混流式單轉輪水輪發電機組，其他水輪發電機組制造廠家均表示常規的臥軸混流式單轉輪水輪發電機組一般應用于單機容量不超過6 000 kW，轉輪直徑不超過1.3 m的機組。

(3)臥軸混流式雙轉輪水輪發電機組與上述2種常見的混流式水輪發電機組相比，具有顯著的特點。首先，相對于立軸機組，臥軸機組的土建投資大大降低，建設工期短。另一方面，通過調節2套獨立的控制機構，既可以單轉輪運行，也可以雙轉輪運行，運行靈活，高效運行范圍寬，低負荷區運行效率較高。一般來講，混流式水輪機的穩定運行范圍為相應水頭下的機組保證功率的45%～100%[3]，常規的混流式水輪發電機組在低于45%保證功率運行時，機組振動及噪音大，對機組損害嚴重，將大大縮短機組使用壽命，并且機組運行效率較低。臥軸混流式雙轉輪水輪發電機組則不同，由于采用雙轉輪結構，實際使用等同于1套設備、2臺水輪機，每臺水輪機的容量相當于相同容量單轉輪水輪機容量的一半，通過調節投入運行的轉輪數量，理論上其最低穩定運行范圍可擴展至相應水頭下機組保證功率的22.5%，并且單轉輪水輪機最低保證功率的45%對雙轉輪水輪機來說，若只運行一個轉輪，則為相應容量的90%，基本在額定點運行，運行效率較高。

(4)從設計制造角度來看，水輪機的水推力隨著機組容量的增加而增大，機組推力軸承的設計制造難度隨之增加，因此，推力軸承是制約常規臥軸混流式水輪發電機組設計制造的一大因素。由于臥軸混流式雙轉輪水輪發電機組轉輪中的水流方向相反(“背靠背”機組)或水輪機對稱布置(“雙挑”機組)，水輪機的水推力可以相互抵消，從而降低機組推力軸承的設計難度。從這一方面來看，臥軸混流式水輪發電機組的適用容量可以大幅度提高。

3 “背靠背機組”和“雙挑機組”的對比分析

從圖1、2可以看出，“背靠背機組”和“雙挑機組”設備配置明顯不同，各具優缺點。具體表現在以下幾個方面：

(1)“背靠背機組”兩個轉輪的水流通過蝸殼中間的導流板進行流量分配，單轉輪運行時，可能會存在水流分配不均勻，導致2個轉輪有一定的干涉，并且導流板的設計、制造及安裝精度，對機組運行穩定性及效率有較大的影響。

(2)“背靠背機組”的主軸貫穿2個尾水管，對尾水管的水流形態有一定影響，某些工況下，會造成尾水管壓力脈動激增，不利于機組運行穩定性和尾水管能量的回收。

(3)“背靠背機組”共用1套蝸殼，只需要設置1套進水閥?！半p挑機組”的每臺水輪機配置獨立的蝸殼和進水閥?！半p挑機組”進水閥公稱直徑相對較小，因此，2種機組進水閥投資基本相當。

(4)“背靠背機組”共用1套蝸殼，壓力鋼管不用分叉?！半p挑機組”的每臺水輪機配置獨立的蝸殼，若機組臺數較多，則壓力鋼管分叉隨之增多，壓力鋼管的設計和布置較為復雜，并且可能會由于壓力鋼管的布置引起廠房尺寸的增加，從而增加投資。

(5)“背靠背機組”一般為4支點結構，一方面造成機組主軸較長，另一方面對于分段大軸且剛性連接來說，要保證同心困難較大，給安裝及今后的檢修帶來不便[4]。“雙挑機組”一般為2支點結構，安裝檢修方便。

(6)“背靠背機組”在檢修發電機時不需要拆解水輪機，而“雙挑機組”在檢修發電機時，必須將一邊的水輪機拆解，稍顯麻煩。

4 臥軸混流式雙轉輪水輪發電機組的國內外生產制造情況

經與國內一些水輪發電機組制造廠家溝通交流，國內的幾個廠家已經有臥軸混流式雙轉輪水輪發電機組的生產業績，詳見表1。

經查閱相關文獻資料[2]，“背靠背機組”在國外一些電站也有應用業績，詳見表2。

目前來看，國內的機組制造廠家有能力生產臥軸混流式雙轉輪水輪發電機組，并且從廠家反饋的結果來看，臥軸混流式雙轉輪水輪發電機組在實際運行中無重大問題，但是，目前已投運的機組較少，并且有些電站年代久遠，機組的運行穩定性有待更多投運機組進一步檢驗。

表1 臥軸混流式雙轉輪水輪發電機組國內廠家制造業績

表2 國外電站“背靠背機組”應用業績

5 國外某電站臥軸混流式機組選型實例分析

近期，我公司跟蹤了國外某電站，該電站基本參數為：單機容量11.5 MW,裝機臺數3臺,最大水頭64.0 m,額定水頭57.8 m。

根據本電站的單機容量及水頭范圍，水輪發電機組型式通常的設計思路是選擇立軸混流式或臥軸混流式機組。立軸混流式機組因主廠房開挖深度大，土建工程量較大，建設工期較長，投資較多，在本電站使用顯然是不經濟的；適合于本電站的機組型式應該是臥軸混流式機組。為此，與國內某制造廠就該機組選型問題作了進一步溝通交流，制造廠推薦“雙挑機組”和常規的臥軸混流式單轉輪水輪機2種方案供選擇。

“雙挑機組”相關基本參數為：機組型式為臥軸混流式雙轉輪,轉輪直徑1.2 m,額定轉速500 r/min,進水閥公稱直徑1.6 m;

常規臥軸混流式單轉輪機組相關基本參數為:機組型式為臥軸混流式單轉輪,轉輪直徑1.65 m,額定轉速375 r/min,進水閥公稱直徑2.4 m。

從2種機型的基本參數可以看出，常規的臥軸混流式單轉輪水輪機轉輪直徑達1.65m，已超過目前已投運的臥軸混流式單轉輪水輪機的最大轉輪直徑，若按單轉輪進行設計制造，則日常運行有一定的風險。另外，本電站枯水期來流量較小，臥軸混流式單轉輪水輪機在枯水期無法運行。

與同容量的臥軸混流式單轉輪機組相比，雖然水輪機多了1套轉輪及相應的導水機構，但“雙挑機組”的轉速較高，相應的發電機總體造價也降低?！半p挑機組”雖然需設置2套獨立的進水閥，但其公稱直徑較臥軸混流式單轉輪機組減小約1/3，就進水閥而言，設備投資相差不大。其余配套設備的投資，“雙挑機組”和常規的臥軸混流式單轉輪機組基本相同。相比臥軸混流式單轉輪機組，制造廠推薦的“雙挑機組”單臺套的主要機電設備投資減少將近100萬人民幣，并且可以在不影響機組運行的情況下，對起重1臺水輪機進行檢修。

因此，針對本電站的實際情況，我們推薦了“雙挑機組”作為水輪發電機組的最終選型方案。

6 市場前景展望

基于以上分析，臥軸混流式雙轉輪水輪發電機組在流量變化大的電站中，可以有較好的應用，并且雙轉輪水輪發電機組可以提高常規臥軸混流式水輪發電機組的適用容量。對于高水頭電站，雙轉輪甚至多轉輪沖擊式水輪發電機組也是一個較好的替代機型。

目前，我公司跟蹤的中亞地區某些新建和改造項目，業主明確提出希望采用臥軸混流式雙轉輪水輪發電機組以節省工程投資。國內的一些機組制造廠家已有該類型機組的生產業績，不妨在某個項目中采用該機型進行試點，在滿足業主要求的同時，也為我公司在中小型電站的設計增加經驗，從而在眾多中小型電站的競標中脫穎而出。

7 結 論

本文簡要分析了臥軸混流式雙轉輪水輪發電機組的技術特點和市場應用前景，初步可以得出以下結論：

(1)臥式機組較立式機組能大幅度地節約土建工程量；

(2)臥軸混流式雙轉輪水輪發電機組可以較好地解決流量變化大的電站在小流量低負荷時的運行穩定性問題；

(3)臥軸混流式雙轉輪水輪發電機組提高了臥軸混流式水輪發電機組的適用容量；

(4)對來流量及負荷變化大的中小型電站，“背靠背機組”適用小容量臥式機組，“雙挑機組”適合更大容量的臥式機組;

(5)可進一步研究更大容量的單、雙轉輪機組，以節省電站投資并縮短電站建設工期。

[1] 陳少武. 雙轉輪水輪發電機組在水電站中的應用[J]. 小水電, 2015(5): 53-54.

[2] D·羅伯特. 用于流量變化大的雙轉輪混流式水輪機[J]. 水電站技術, 1996(3): 67-70.

[3] 中國國家標準化管理委員會. GB/T 15468-2006 水輪機基本技術條件[S]. 北京：中國標準出版社, 2006.

[4] 倪國明. 雙挑水輪發電機組技術引進與應用研究成果分析[J]. 中國農村水電及電氣化, 2006(8): 41-42.

2017-01-12

丁況(1984-)，男，河南西華縣人，碩士，工程師，從事水電站水力機械設計工作。

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