首台新型水轮发电机组在挪威海格塞特大坝进行中间试验

[挪威]E.奥普萨赫尔 [瑞典]E.霍尔门 [挪威]Ø.克罗维尔

首台新型水轮发电机组在挪威海格塞特大坝进行中间试验

[挪威]E.奥普萨赫尔 [瑞典]E.霍尔门 [挪威]Ø.克罗维尔

清洁能源公司(Clean Power)已在挪威海格塞特(Hegset)大坝安装其首台Turbinator机组,这是一种新型的水轮发电机组。Turbinator机组是将一台轴流式水轮机和一台发电机紧凑而又密封地组合在一起,利用环境排水口的泄水发电。对这种新型水轮发电机组的研发过程及优良性能等作了简单介绍,并对其开发利用前景进行了展望。

新型水轮机;水轮发电机组;试验研究;海格塞特大坝;挪威

欧盟可再生能源指令(2009年)的总体目标是,到 2020年,欧洲可再生能源将占能源总消耗的20%。同时,2000年的水框架指令(WFD)旨在到2015年改善所有水体的水质,包括水电站大坝下游河道的水质。

为保护水生动植物,许多水电站大坝必须在每年的全部或部分时间里,下泄一定的流量。这种泄水称为环境保护流量,WFD的实施将使环境保护流量大幅增加。例如,法国最大的水力发电公司—法国电力公司(EDF)估计,实施 WFD的结果相当于关闭一个 800 MW的发电厂。

总部设在挪威克里斯蒂安桑(Kristiansund)的清洁能源公司,开发了组合式轴流水轮机和发电机,称为 Turbinator机组(见图 1)。它特别适合于在环境出水口发电。除了优化环境保护补偿流量和出水口形态,该机组结构紧凑,有一台全密封的水冷发电机,安装工地简单,甚至不需要发电厂房。2010年,与欧洲可再生能源生产商斯塔特克拉夫特(Statkraft)公司合作,完成了一个试点安装。

1 技术说明

Turbinator机组的水轮机为低水头轴流式,其水轮机和发电机采用集成式,结构紧凑,基底面很小。这种水轮机具有定桨式转轮,试验模型中导叶节距可变,在最终方案中确定节距。发电机是永磁同步电机,完全由清洁能源公司设计。永磁发电机的转子直接固定在水轮机转轮(端部驱动)外侧,即整个发电机/水轮机装配成一个旋转部件。Turbinator机组的上游侧采用法兰用螺栓直接与管道连接,在下游侧装一段管子,以形成水道。

图1 Turbinator水轮发电机组

控制系统具有远程监视下全自动运行的特点,可适应客户的不同要求,将来还可安装复杂的算法系统,以优化电力生产。

2 研 制

水轮机由瑞典的 E.霍尔门 (Evald Holmén)设计。设计理念基于其以前从事的转桨式水轮机,将转轮前的水道改变成所需的管道形状。该转桨式水轮机的模型试验显示,峰值效率为92.2%。该模型具有蜗壳与导叶,是常规的转桨式水轮机设计。采用 8个叶片设计,留有抗空化裕度。模型水轮机的轮毂直径较大,消除了部分转轮的进口转速差,该转速差是转桨式和贯流式水轮机之间半径的函数。

按照所需性能,对模型试验数据进行估算,要求转轮直径为 660mm,叶片角度为 19°。按简单的贯流式设计,考虑设置固定导叶,但由于导叶是从轴向环转变到径向环,难以估算其最佳凸轮角度,因此试验模型安装有 18个叶片的可移动导叶环。根据不同水头的试验模型进行测量,对未来应用的 Turbinator机组进行了协联凸轮角度校准,意在简化为固定导叶,并使其结构特性更加完善。

安装后的试运行显示了预期的输出功率性能数据。受安装条件的限制,使得难以准确测量绝对流量,但穿过坝体的管道(直径为 450 mm)有相对较大的压力损失,这样就能够测量相对流量,并求出相对效率。在最高效率点运行时,通过水轮机流量的决定因素始终是转轮,因此,将模型试验流量1.2 m3/s用作校准相对流量。

发电机由清洁能源公司的 Ø.克罗维尔(Øystein Krøvel)设计,采用装有 8个磁极的永磁同步发电机。定子特点为具有随机圆形导线线圈的典型整数分布绕组。该发电机独有的特点是湿气隙,要求磁铁和定子均能够防水,结果是转子和定子间的距离大。与具有大的湿气隙的感应和绕线磁场同步发电机相比,永磁转子比其更具有优点。

该发电机直接与电网连接,永磁发电机和电网之间没有常用的转换器。永磁发电机不能调整电压和无功功率,因此无功功率潮流依赖于电网特性,即端电压。设计时必须考虑不同的运行点,选择合适的电压降,以确保发电机可在预期范围内运行。所选的电网变压器有多级调压,以适应较大的季节性变化或电网的永久性变化。

由于发电机和水轮机的设计必须相匹配,包括对水轮机转速(最高转速和同步转速)和直径等应当有一些限制。转子内径就是转轮的外径。对于额定转速和额定功率,转子直径的选择比通常的要大得多,因此机组较短,有效长度和气隙直径之比为3∶1。转子和定子磁轭应尽可能薄,以使机组外径尺寸尽量小。薄的磁轭磁密度加重(需避免磁损耗过大),但仍保持发电机的结构小巧。为降低磁负荷,选择的定子长度略有增加。清洁能源公司认为,发电机的成功整合使机组结构变得小巧、紧凑,整体性能非常好。

3 优 点

Turbinator机组的设计重点是实现结构简单、坚固,这种设计也权衡了使其效率达到最高化。通过此法,在以前的一些水电工地安装这种机组,以彰显Turbinator机组的潜能,并扭转这些工地经济不景气的困局。其主要特点是:

(1)设计简单坚固耐用,只有旋转部分。

(2)占用空间小,适合场地狭窄的安装工地。

(3)管道法兰连接,安装简单。

(4)土建工程量小,只需修建能确保稳定性的简单的混凝土基础。

(5)采用高效水冷却的密封发电机。

(6)可以建在户外,不需修建保护性建筑物。

(7)具有良好的效能。

(8)噪声低。

4 安 装

与传统的小水电相比,安装 Turbinator机组只要求完成最基本的准备工作和土建工程。机组与上游的管道采用法兰连接,由控制系统的电动阀门控制。采用螺栓将阀门与混凝土板连接,以确保其稳定;在机组下游设一段水管,以确保所有方向的来水能连续不断流向下游。

控制系统安装在 Turbinator机组附近的现有建筑物内。为能通过因特网实施远程控制,需在工地现场设一根因特网网线(可通过 GSM/GPRS等无线上网)。控制系统和 Turbinator机组敷设有信号电缆,Turbinator机组至电网变压器敷设电力电缆,由控制系统控制。

在常规的小水电站中,通常用于非机电部分的费用约占总投资的 70%,而在安装 Turbinator机组的电站,由于简化了安装,其非机电成本预计将低于总投资的 50%。

5 中间试验

2010年 8月,在海格塞特坝安装了首台足尺模型进行中间试验。该坝位于挪威南特伦德拉格(Sør-Trøndelag)县的内阿 (Nea)河上,在夏季的 5个月,生态环境要求泄水流量为1.5 m3/s,测量点位于下游 6 km。通过大坝生态环境泄水管的流量略低于此值,估计此管提供的流量为1.2 m3/s,不过加上邻近小溪的水,可以确保测量点所需的最小流量。内阿河以产鳟鱼著名,所以必须采取一切预防措施,保护水生环境。

该项目已知条件为:通过大坝的管道直径为450mm,压力损失估计为 4m,约为毛水头的 15%。总潮幅为 24.6～30.6 m。

图2 发电机性能

图3 水轮机性能

由于这种新设计设备的性能还未得到证实,通过挪威因诺瓦斯永(Innovasjon)公司,为试验装置获得了公共配套资金。该工程总造价约为 69万欧元,项目包括研究和开展工程所需的多方面的工作。Turbinator机组的发电机和水轮机性能分别示于图2和图 3。

2010年 10月 14日,完成了 Turbinator机组试验模型的安装,且其运行时间已超过 98%。大部分停机是在夜间因中断供电而自动关闭。2010年,在1 500 h的试验运行期间,电厂已发电0.35 GW·h(平均功率为 234 kW)。已对 Turbinator机组进行拆卸和检查,定于 2011年 4月重新安装,并计划在2011年 5月 1日开始下一个有水期的运行。

6 开发前景

展望未来,主要目标是实现对 Turbinator机组的工业化设计。这就需对各方面进行必要的调整,以最大限度地降低制造费用,包括确定转轮和发电机在内的实际尺寸标准,使之适应每个安装现场的参数,对某些工地,只需增加一台变频器即可增加系统的灵活性。它能够调节电压和无功功率,也可调整转轮转速,从而调整最佳运行点以及与水头密切相关的流量。增加变频器有其优点,但须解决好成本增加和功率损耗的矛盾。

将研究非并网运行(例如,农村自给供电)的最优配置以及先进的轴承系统,这些也可能是永久磁铁或水冷式复合轴承系统。

马元珽 译自英刊《水力发电与坝工建设》2010年第 11期

沙文彬 校

TK 730.7

A

1006-0081(2011)08-0039-03

2011-03-23