双转轮水轮发电机组在水电站中的应用

陈少武

(盘县江源电力有限公司，贵州 盘县 553537)

1 概述

改革开放以来，贵州省水力发电行业蓬勃发展，特别是小型水电站遍地开花，成为了全省农村经济和生活的重要组成部分。但是由于水电站所处的地理环境、地形地质、水文气象等条件的不同，开发方式各有差异，水轮发电机组要适应这些千变万化的条件，使之保持高效运行，要求也进一步提高。传统的水轮发电机组存在着一定的困难和不足，许多流量变化极大、水头变化极大的电站，往往仅仅考虑了部分设计工况，致使电站机组设备在非设计工况运行时效率较低或无法发电，导致电站机组设备运行不正常、机组寿命短，电站年利用小时低，发电收益低微。

根据国家标准《水轮机基本技术条件》 (GB/T 15468)，传统相应机组的功率范围如下所示 (见表1)。

表1 传统水轮发电机组出力范围

对于混流式机组，如在运行范围内出现强振，应采取相应措施或避振运行。

当电站发电出力在标准范围之外运行，可能会引起机组振动加剧、噪音增大、温度升高等一系列问题，导致机组损伤较大，发电得不偿失。

2 双转轮水轮发电机组应用

为了解决水轮发电机组在电站流量变化较大或水头变化较大的条件下都能保持较高的效率运行，或解决电站电站枯水季节根本不能发电的问题，同时在一定程度上解决由于此类问题引起机组的空化空蚀、剧烈振动、机组寿命短等现象，本文列举了“双转轮水轮发电机组在水电站中的运用”方案，供相关电站参考选择。

2.1 传统的水轮发电机组设备主要存在的问题

(1)一般在额定负荷工况下运行，机组效率比较高，当偏离额定负荷运行时效率下降，尤其在负荷低于50%额定负荷时效率明显下降，并伴有噪音增大、振动加剧等现象，危害机组。而水电站机组常常要在低负荷下运行，机组效率低下，机组寿命短。

(2)传统的水轮机为1个水轮机转轮，受轴向水推力和磁拉力的影响，通常存在轴向串动现象，导致轴瓦温度升高，径向推力轴承受损，严重时会拉坏主轴。

(3)传统机组在枯水季节不能发电，部分电站洪水期发电出力反而下降。

2.2 双转轮水轮发电机组

基于上述情况，本文提出了由2台水轮机带动1个发电机的水轮发电机组在电站的使用，这样的机组设备已经在部分电站投入使用。由于各种特殊因素，这样的机组设备未能得到推广使用。盘县鲁楚坡水电站在贵州省率先选择了这样的双转轮水轮发电机组 (见图1)。

图1 盘县鲁楚坡水电站机组布置

发电机两边分别布置1台水轮机，2台水轮机型号相同，均为双喷嘴冲击式机组，尺寸相同。运行时1台水轮机为顺时针旋转，另外1台水轮机为逆时针旋转。选择水轮机是根据电站条件和运行方式等因素确定的，2台水轮机可以同时工作，也可以单台工作，由1台调速器同时控制。2台水轮机由1根压力管道分岔联接，也可以1台机1根。

盘县鲁楚坡水电站额定水头205 m，流量变化为0.5～4.7 m3/s。根据电站流量变化较大的特点，采用传统的单转轮水轮发电机组无法保证机组在流量较小的时候发电，以及在流量变化的时候无法保证机组的稳定运行，故选用了双转轮的水轮发电机组。鲁楚坡水电站所选的发电机型号为SFW4000—10/2150，水轮机型号为2CJA475—95/2×11.5。

2.3 双转轮水轮发电机组与传统的水轮发电机组的比较

(1)带动1台发电机的喷嘴数为4个，发电机两侧各2个，喷嘴通过调速器控制，可以为单喷嘴、双喷嘴和四喷嘴同时运行。根据电站条件变化和功率变化，自动选择喷嘴数运行;即可根据负荷变化选择1台水轮机的其中1个喷嘴运行，2台机同时运行等，满足电站发电需求;而传统的水轮发电机组没有此功能。

(2)传统水轮发电机组无论在何种工况下发电均存在轴向水推力，机组布置时必须设备1台径向推力轴承，轴承需设置主、副推力盘，机组大轴存在串动现象，轴瓦温度较高。采用了双转轮水轮发电机组后，发电机两侧水推力平衡，轴向水推力基本为零，不用设置径向推力轴承，轴向不会存在串动现象，轴承温度较低;本电站轴瓦温度在35℃左右。

(3)采用传统的水轮发电机组，要满足电站运行出力要求，1台水轮机的尺寸加大，转轮直径与射流直径很难匹配，机组运行维护困难，土建成本加大。

(4)鲁楚坡电站单台发电机为4 000 kW，传统的水轮发电机组运行时出力范围为1 000～4 000 kW，而本电站选用双转轮水轮发电机组后出力范围为500～4 400 kW，出力范围加大，保证电站在枯水期、丰水期等各种工况均能正常高效率发电，提高了水资源利用率，改善了电站的经济效益。

3 结语

笔者2009年设计的冲击式双转轮水轮发电机组已经于2012年在四川木苏沟水电站投入使用至今，效果良好。本电站为第二次采用，目前机组在枯水期已正常发电，机组出力范围较大、运行稳定，各指标均优于国家标准，效果良好。