大功率竖井贯流与灯泡贯流水轮发电机组的技术经济分析及应用

甘　波

(四川嘉陵江小龙门航电开发有限公司，四川 南充　637000)

大功率竖井贯流与灯泡贯流水轮发电机组的技术经济分析及应用

甘波

(四川嘉陵江小龙门航电开发有限公司，四川 南充637000)

摘要：小龙水电站是目前国内最大的竖井贯流机组，该机组的投产、运行填补了大功率竖井贯流水轮发电机组在国内应用的空白，并通过竖井增速机组与灯泡贯流机组的技术、经济比较以及近6年的运行维护经验，指明了超低水头电站在应用大功率竖井贯流式机组的方向。

关键词：基本参数；安装调试；机型效率；建议

0引言

近年来，国内外对超低水头电站的兴趣日益增加，为减少高坝大库淹没损失与移民搬迁、减少土建、设备等费用，超低水头水电站成了热门的话题。目前适用于超低水头的机型有灯泡或竖井贯流式水轮发电机组，由于竖井贯流机组轮毂比小，过流量大，发电机转速高，经济指标好，因此竖井贯流式水轮发电机组更适合超低水头的电站。然而竖井贯流水轮发电机组起步较晚，此种机型国内应用较少，特别是在大功率竖井贯流机组更是少见，目前嘉陵江小龙水电站为国内乃至亚洲最大的竖井贯流机组的电站，装机容量4×1.3 MW，该工程以航运和发电为主，于2003年开始兴建，2008年8月首台机组开始发电运行，到目前为止已运行有6年，由于该竖井机组单机容量大，在设计、制造、安装和运行方面积累了前所未有的经验和技术成果，本文以小龙水电站工程为例，对大功率竖井贯流、灯泡贯流水轮发电机组进行了技术经济分析，并说明了大功率竖井贯流水轮发电机组在运用中需要注意的问题。

1机型基本参数对比分析

小龙水电站最大水头6.31 m，额定水头5.0 m，最小水头3.0 m，根据运行水头适合的机型有竖井贯流式和灯泡贯流式，但是，竖井贯流机组与灯泡贯流机组各具有其特点。

小龙水电站工程在初步设计中推荐采用灯泡贯流式机组。但在施工设计阶段，遇到了诸多困难，比如：水轮发电机组采购时，由于机组运行水头超低、转速低、发电机尺寸大、生产周期长、制造难度大、交货时间不能满足电站的施工工期要求，同时大件运输也较困难等。于是对竖井贯流式和灯泡贯流式两种机型主要性能参数进行比较。

表1　两种机组性能基本参数比较表

由表1参数可知，在超低水头、相同同出力条件下，灯泡贯流式转轮直径比竖井贯流式大0.3 m，转速低15%，水轮机重量多12%，水轮机流道尺寸也略大。水轮机最大起吊重量多12%，厂房起吊高度增加5%。而竖井贯流式发电机增加了一套变速系统，但发电机的重量仅是灯泡机的1/4，故机组重量轻。对发电机而言，若选用灯泡贯流式机型，按照水轮机参数，发电机转速为65.22 r/min，转子磁极数为92个。根据电磁计算，发电机定子需选择450槽，发电机结构尺寸相对而言较大，其经济性指标明显下降，随之带来的是运输难度增大，发电机无法整体运输，灯泡头、锥体、定子机座等部件均需分瓣才能完成。同时，定子还需要在工地完成叠片、下线等工作，转子要采用叠片磁轭结构，也需在工地现场进行组装。

从表中可以看出竖井贯流式机型，通过增设一个增速齿轮箱将发电机转速提高到750 r/min，发电机结构尺寸大为减小，定子槽数减为了108槽，转子磁极数仅为8个，发电机可实现在制造厂总装配后整体运至工地。显然，给制造和运输都带来极大的方便。

2机型安装调试、周期的对比分析

由于灯泡贯流式机组结构紧凑，故安装工作要在狭小的空间里进行。而总体上这种机型，特别是对于尺寸较大的机组，其大部件刚性又相对较弱，这样，要满足机组重要部位设计精度的需要，其安装难度、调整工作量大、工作周期长是显而易见。 但对竖井贯流式发电机组而言，情况则完全不一样，竖井贯流机组的发电机部分可在制造厂内进行总装，并在完成转动部件的静、动平衡试验后，如齿轮箱一样，整体运至工地可直接吊入竖井内就位后安装。另外，直锥尾水管的里衬在第一阶段安装，并作为后续工程的基准和支持面，导水机构在安装场预组装，待厂房土建工作结束后整体吊装就位，接着是安装主轴、转子、增速器和发电机，仔细地对中调直，使其在一条直线上，这样可大大减小安装场地，缩短安装周期。

3机型维护检修的对比分析

一般竖井外形除了迎水面做成圆弧形外，沿水面均为平面。灯泡贯流式机组发电机部分的维护工作较少，但维护操作则较为困难，发电机大修时流道需要进行排水，所需维修所需的时间较多。竖井贯流式机组发电机部分的维修操作则较为方便，不需要对流道部分实行排水。当然，增加了一个齿轮箱的维护，增速器一般指齿轮传动，需要我们对齿轮箱的选择给予足够重视，选用可靠的、高质量的产品，就完全可以将齿轮箱的故障率和机组总体噪音降到很低程度。由此看来，竖井机组也可以提高设备的运行可靠性和安全性， 减少维护工作和费用。

4机型效率的对比分析

通常，人们可能认为竖井贯流式机组由于增加了一个齿轮箱，效率要比灯泡贯流式机组低 。事实上，一台高质量的行星齿轮效率满负荷时效率约为99%，行星齿轮效率损失可从高速发电机的效率提高得到补偿。在做具体分析后，我们会发现，实际上两机型的效率几乎相差不大，祥见表2相关数据。

表2　两种机组效率比较表

由表2中两组数据可以看出，两种形式机组的综合效率相差不多。此外，竖井贯流式发电机还因无需采用强迫通风冷却，从而能有效减少厂用电负荷。

5两种机型价格的对比分析

两种机型的水轮机结构基本相同，制造过程也大致一样。但灯泡式水机转轮直径大，重量重，故竖井贯流式水轮机比灯泡贯流机的造价有明显优势。

对发电机而言，竖井贯流式发电机转速较高，转动部件材料的机械性能要求比灯泡贯流机高，若仅从吨价来看，竖井贯流式发电机的吨价比灯泡贯流机高，但由于发电机转速的提高，发电机的总重量也大大减轻，加上增加的齿轮箱带来的投资，其发电机总体价格具有较大优势。若以灯泡贯流式机组的造价为100%，两种机型的价格统计分析见表3。

表3　两种机型价格的比较

从表3中可以看出，灯泡贯流机组的价格约是竖井贯流机组的1.187倍，竖井贯流机组实际采购价格比灯泡贯流机组约少2 300万元，能节省电站的机电投资。

6建议

小龙水电站大功率竖井贯流机组已成功运行了6年，在近几年运行中发现了不少问题，根据此机组在应用中曾出现过的问题，笔者建议大功率竖井贯流机组应在以下几方面引起足够的重视：

(1)水轮机，增速器、发电机的同轴度要严格按照设计要求进行安装；

(2)增速器油泵控制系统中油温、油位及油压均要满足增速器运行要求，才允许机组启动；

(3)增速器润滑油选用高质量、性能优的润滑油；

(4)增速器选用品质优良，口碑好，售后好的厂商；

(5)增速器振动情况的监察；

(6)合理调整导叶紧急关闭规律、调速器轮叶协联关系以及调速器的关机时间和两段关闭拐点，减少反水锤对增速器推力轴承的冲击；

(7)机组运行过程中增速器各部的油温，定期对增速器邮箱内的油质进行检查；

(8)发电机集电环碳刷选用适宜高转速水轮机、硬度合适的产品。

7结语

小龙水电站是目前国内最大的竖井贯流机组，该机组的投产、运行填补了大功率竖井贯流水轮发电机组在国内应用的空白，并通过竖井增速机组与灯泡贯流机组的技术、经济比较以及近6年的运行维护经验，，指明了超低水头电站在应用大功率竖井贯流式机组的方向。

同时，我们也应该清楚地认识到，竖井贯流机组特别是大功率竖井贯流机组起步较晚，目前虽取得了前所未有的进步，但还需要在今后的运行维护中不断总结和完善，也有可能在应用中暴露出更多的问题需要我们去探索和完善。

甘波(1982-)，男，四川资中人，硕士，工程师，从事水电厂运行维护技术工作.

(责任编辑：卓政昌)

收稿日期:2015-03-16

文章编号:1001-2184(2015)02-0106-03

文献标识码:B

中图分类号:U455.8；TM923.3；TK733+.8

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