小型电站轴流式水轮机调桨选型

小型电站轴流式水轮机调桨选型

电气站是一个用热水生产能源的工厂。首先，使用电机将水流能量转换为机器的能，然后使用电机将机器的能转换为能耗。水轮机是水电站的核心工作母机,其能量转化效率直接关系到水电站投资的经济效益。水位落差在2～20m区间的水电站常用轴流式水轮机,它的核心部件———工作转轮可分为轴流定桨和轴流调桨两类。轴流定桨由于工作转轮结构较为简单得到广泛应用,轴流调桨因工作转轮结构复杂、工艺繁多、材料种类多、加工装配精度高可靠性要求高等因素应用的很少,尤其是转轮直径在600～1400mm之间的小尺寸机型,国内生产厂家极少。此范围内的机型是山区小水电站中最常用的规格,蕴含十分巨大的市场需求。1提高水资源的利用率常用的定桨式水轮机只能在某一固定流量(称为额定流量,是设计转轮桨叶角度的依据)时才能产生最优效率。当实际流量小于额定流量,则水能转化效率急剧下降,降到额定流量的50%～65%以下时,则几乎不能发电,此时流量称为空载流量。当实际流量大于额定流量,水能转化效率也会下降,并且由于转轮桨叶角度的固定,转轮的过流能力受到限制,不能充分利用水能来增加发电量。因转轮过流能力的不足,只能采取弃水措施。综上所述,定桨式水轮机在偏离设计工况时,水能转化效率均会急剧下降,造成水资源的利用率极低,仅适用于功率不大且水头变化幅度较小的电站。轴流式水轮机要求流量比较大。在一年四季中,河流水流量又经常发生变化(甚至每天也不一样),所以只有通过调桨———转轮桨叶角度的变换,才能适应这种流量的变化,以保证转轮均在最优工况下运行,获得最高的水能转化效率,以增加发电量。根据小微型调桨机组实际生产的经验数据,电站采用调桨机型后由于水能转化效率提高,且能适应流量变化而不弃水,比用定桨机型年发电量会增加10%～30%,甚至于更高,经济效益十分可观。2定桨机组与调桨机组运行区域出力对比某一迳流式(即没有库容)电站设计流量为5m3/s,设计水头为5.2m,考虑到水轮发电机组的转化效率,该电站装机总容量为200kW。装机台数通常有2种,即装机1台或装机2台,总容量匹配方案有1台200kW机组、2台100kW机组或1台75kW机组及1台125kW机组3种方案。以上3种方案的水轮机均为定桨转轮机组。如运用小微型调桨机组,可演变为1台调桨机组、1台定桨机组加1台调桨机组或2台调桨机组3种备选方案。2台调桨机组方案适应流量有重叠,且投资较大,一般不选,另2种备选方案可行。以下就1台200kW定桨机组方案与1台200kW调桨机组方案进行定、调桨机组数据及效益比较。机组运行区域出力(kW)比较如图1、图2。根据运行区域图比较可得:1)定桨机组在流量0～3m3/s时已是空载(为设计流量的50%),即不能发电,而调桨机组则在1.5～6m3/s均可发电,流量为0～1.5m3/s仍为空载。2)定桨机组运行出力抛物曲线下移量在流量3～6m3/s比调桨机组在流量为3～6m3/s时较大,这是因为机组运行时定、调桨转轮转化效率不一致引起的。如当实际流量为4m3/s时,定桨机组运行效率更低,约为80%,而调桨机组因为转轮桨叶角度可调,其转化效率仍维持在高位,可达86.5%,甚至更高。也就是说两种机组在同样水头及同样流量的情况下,调桨机组出力会更多。这种现象,对于定桨机组而言流量越偏离设计值,转轮转化效率越低,出力差别越大。3)调桨机组运行区域(阴影面积)比定桨机组大很多。依据生产实际,电站安装一台机组而言,调桨机组的年平均发电量可比定桨机组多至少30%。4)当实际流量超过设计值5m3/s时,调桨机组出力区域也比定桨出力区域宽,亦即超发电能力更强。因为定桨转轮桨叶角度是固定的,过流能力受到了限制。调桨机组的单价比定桨机组贵6万元左右,但年平均发电量可增加约2×105kW·h,可获得利润至少4万元,这样增加的投入回收期为1.5年,比整座电站投资回收期(通常为6～8年)短很多。3调桨装置的传动早期调桨技术一般应用在转轮直径≥1600mm的水轮机。经开发研制,小微型(转轮直径600～1400mm)轴流调桨式水轮机的调桨装置(核心结构是:蜗杆蜗轮传动—丝杆螺母螺旋传动—空间曲柄滑块机构),能实现停机连续调桨,桨叶角度从0°～30°任意调整,完全区别于早期的拆机调桨结构,称为停机调桨结构。图3为调桨装置的传动原理图(共有4个均布的桨叶轴,图中仅画2个)。调桨过程:摇动手动蜗杆,驱使蜗轮转动;蜗轮中部是内螺纹(螺母),且受辅助零件地限制,蜗轮只能转动,不能移动,因此蜗轮(螺母)与丝杆构成螺旋传动,丝杆直线向上(或向下)移动,安装在丝杆上的调桨架一同向上(或向下)移动;调桨架、连杆与曲柄(装在桨叶轴上)构成空间曲柄滑块机构,调桨架的移动通过连杆带动曲柄转过一定角度,桨叶轴与曲柄一同转动,最终实现桨叶角度在初始角度的基础上有0°～15°调整范围(初始角度是根据设计最大流量来设定的)。此停机调桨装置结构紧凑,传动比大,有自锁能力,调整时轻便省力。小微型轴流调桨式水轮机已定型生产的有:ZT60、ZT70、ZT80、ZT100、ZT120、ZT140等6个型号,销往福建、广东、江西、湖南等省,累计达100多台,经济和社会效益显著。小微型轴流调桨式水轮机特别适用于河流集雨面积在1000km2以下,单机容量75～1000kW,水位落差在2～20m区间的电站。4适合小型老旧电