小水电技术薄弱环节的思考

小水电技术薄弱环节的思考

中国的小水电产业在规模和设备上是世界上最重要的，而且距离遥远。但在技术方面却并不是很先进的。可以说,中国小水电技术已积累了一整套比较成熟而有中国特色的经验,包括规划、设计、施工、科研以及设备制造各个方面。但与发达国家比,仍有相当差距,特别是机电设备的研究、开发与设计、制造技术,还有不少薄弱环节。其中,有的是研发能力差,有的则是国情和思路不同,以致不能与国际全面接轨,直接影响了我国小水电设备的出口和国际合作。以下着重就几项小水电设备的技术薄弱环节谈谈个人看法。1存在的问题1.1低水头机组目前,在国际上,开发低水头(<10m)水电站很普遍。发达国家研发、制造并已成功进入商业供应的低水头机组品种很多,除一般转桨式水轮机外,主要还有:全贯流式(Bulb);轴伸贯流(Tubular),包括卧式、斜式及虹吸进口;潜水式厂房(立式机组)。1.1.1发电机转子图2这种机组采用转桨式(Kaplan)水轮机、双调节。国外现有两种型式,一种是Straflow全贯流式,发电机转子的轮毂直接套在水轮机转轮叶片外(一般是定桨式),置于水道中。发电机转子磁极与定子则在水道外面。结构复杂,密封要求高,制造难度大。这种机型在德国已有70余台在运行,水头8～9m,出力1000～2000kW。这种机组可直接安装在溢流坝内,不必另建厂房,大大节约了土建费用(见图1)。另一种是Bulb灯泡式,发电机全部装在1个“灯泡”外壳内,直接与水轮机转子同轴,转桨式水轮机转轮的轮毂均在灯泡内,但转轮叶片则在外面(见图2)。还有发电机与水轮机通过齿轮连接,但仍置于灯泡内(见图3,4)。以上各种型式,我国目前基本不能生产,现已建几座电站,采用此机型,均为进口。1.1.2桨叶的运行限制国外品种较多,主要采用转桨式S型为多。水轮机导水叶和转轮叶片双重调节,可适应水头变化较大的电站,随时调节,保持高效率运行。除卧式外,还普遍采用倾斜式,发电机斜置,但也有卧式(见图5)与立式(见图6)两种,水道较为流畅,并减少厂房面积和基础开挖。我国目前虽也能生产轴伸贯流式机组,但局限性较大。对直径2m以下的水轮机,只能生产贯流定桨式,不能生产贯流转桨式,而国外就无此限制。定桨与转桨性能差距较大,仅从我国技术规范看,以相应水头下机组最大保证功率(%)为例,前者仅为75～100%,后者可达35～100%,图7是国外典型转桨与定桨式水轮机运行效率曲线,可看出转桨式在20%负荷时,效率仍可保持在80%,而定桨式在70%负荷时,效率仅有68%,二者有效运行范围大不一样(见图7)。贯流定桨式机组只能单调,调节性能差,运行范围小,效率低。国外订货经常要求我们提供贯流转桨式,由于技术水平不够,失去很多订户。例如,2003年11月印尼一家进口公司为该国ketengen4级水电站订购1台500kW机组,及Siteki水电站订购1台1200kW机组,水头均为16m左右,均要求采用转桨轴伸贯流式(S型)机组发电机要求1000r/min,无刷励磁。对此,我国制造厂因水头高于10m,无法采用轴伸贯流式;而机组容量小,水轮机转轮直径小于1.8m,又无法制造转桨式;由于齿轮箱制造能力限制,发电机采用1000r/min也不可能;如此种种限制,我国只能提供普通轴流式机组。结果,订户只好转向欧洲订货。这种低水头电站类似情况很多,去年仅印尼就向我们提出数次订货,巴基斯坦几处渠道电站,水头均为4m左右,要求都很高,我国无法满足,坐失良机。至于斜式及带虹吸进口的轴伸贯流机组,我国更没有制造和运行经验。1.1.3海外车间和完全密封车间该类厂房是将机组设计与厂房设计结合进行的,在小水电建设中,我国尚未研究、开发。1.1.4选择转速,提高转速对轴伸贯流式机组,国外普遍采用增速器,以适应低水头、低转速水轮机与高转速发电机匹配的问题,降低发电机价格。其次,采用增速技术可以使水轮机的转速选择不受发电机同步转速的限制,可以根据水电站的水头、流量、出力等参数,最合理地选择水轮机最高效率相对应的转速,使水轮机在最佳转速即最优工况下运行,发挥应有的高效率。我国目前增速器制造技术比较薄弱,只能供应1000W以下的机组,且噪音和振动都大,传动效率低,影响出力,磨损大,寿命短,得不到推广。1.2无刷励磁技术我国目前小水电机组多采用静止可控硅励磁,而国外均普遍采用无刷励磁、我国虽也已能制造,但由于技术上的原因,只能限于小容量(<630kW)低压机组。这也不能满足国外订货要求,也经常为此丧失出口机会。1.3双式机组/混流式国外对150kW以下(水头100m以下)的水轮机常倾向采用双击式,因为结构简单,制造方便,价格便宜,运行范围比混流式水轮机大(见图8)。双击式水轮机在1/3流量(出力)时,效率已可达80%以上,而普通混流式则至少在55%以上的出力,效率才能达到80%。双击式机组最大容量,有的国家甚至可做到1000kW。无论电站设计部门还是制造厂对此种机型均不重视,原因是我国很少采用一站一机的设计,一般至少一站两机或多机,对水轮机有效运行范围要求不高,在负荷变化时,可在机组间分配。而国外小水电常用一站一机,要求能适应大范围变化的负荷,对此双击式可以适应而混流式就不行。由于国情不同,思路不同,也使我们不能很好接轨国际,影响出口。1.4水轮机/发电机方案比选西方国家常用这种方式,如新西兰、法国等等。以混流式机组为主,均为卧式,单机流量小于15m3/s。我国则尚未采用。这种型式,据国外估算,电站厂房部分造价(土建+机电)约为传统两台水轮机/两台发电机方案的70%。这种型式的优点还在于可适应负荷变化范围较大的电站。采用这种方案必须对调速系统、发电机转子抽心,水轮机迷宫冷却,推力轴承型式以及安装步骤等等作细致考虑。一般一台水轮机采用普通调速器,而另一台采用简单的操作器。此外,当一台水轮机运行时,另一台水轮机应能脱开转动的大轴,避免将其空转。典型方案(见图9)。1.5影响我国机组出口的重要因素我国目前虽有50余家正规的中小水轮机组制造厂,但真正能独立设计水轮机转轮的还很少。因此,大多数厂靠套用、抄袭定型化、标准化转轮进行生产。这对加快生产速度,扩大承制能力以致降低成本是有积极意义的,我们也为此作了宣传、推广,但迄今为止,多数发达国家及部分发展中国家(由西方技术咨询的)似对水轮机效率斤斤计较,十分看重,不愿采用标准定型转轮而牺牲效率,坚持要“量体裁衣”(Tailor-made),针对具体电站的水头、流量,要求专为它设计,而不愿采用定型机组(Custom-made),这也常给我国机组出口带来困难。在水轮机效率方面,我们强调小水电不必计较1～2个百分点的高低,但国外订户(尤其在国际招标时)常要求水轮机最高效率达到94%或更高。我国现有小水电水轮机转轮由于设计性能和加工精度等问题,最多只能达92～93%,一般还不到此数。虽然看似差距不大,但也因此常常失去机会。至于价格问题,过去我国出口机组在国际上很有竞争优势。但近几年来,由于人工和原材料价格上升,我国机组价格不断上涨,已没有什么优势。如技术没有大的改进,则出口前景堪忧。1.6气开关设备和控制设备组合箱式水电站是将水电厂中的机电设备,包括水轮机、发电机、调速器、主阀、励磁装置、电气开关设备和控制设备都组合在1个集装箱内,运到现场,接上水管和出线,即可发电。它的优点是占地面积小,施工工期短,不受地质条件限制,还可以减少施工期间对环境的破坏和影响。该技术在国外已得到应用,但国内尚属空白,目前水利部正组织引进。1.7微型机组的应用100kW以下的机组为微型机组。在我国多数地方,小水电越做越大,上限已做到25000kW,因此很少有用微型机组的。但国外情况有很大不同。发达国家许多私人庄园、山区别墅、医院等都采用微型整装机组。不少发展中国家,在一些山区也刚开始推广这种机组,如印度、印尼、越南等等,常到中国来咨询订购,由于国内很少厂家愿意,往往也是坐失良机。2加大对中、小水轮机制造技术企业的财政支持力度,发挥好市场综上所述,我国中小水轮机技术水平虽可基本满足国内建设要求,但离优质高效、高水平和不断降低造价的目标,差距还不小,尤其与国际差距更大,已在很大程度上影响了本可获得更多出口的机会。当然原因是多方面的,但主要是市场经济下,很多企业只顾眼前利益,不愿投入研究开发所需的财力和人力。从当前实际情况看,国家在这方面的重点支持和投入是不可少的。为此建议:制造主管部门与水利部共同研究,提出提高中、小水轮机制造技术的目