小型電站軸流式水輪機調(diào)槳選型

電氣站是一個用熱水生產(chǎn)能源的工廠。首先，使用電機將水流能量轉換為機器的能，然后使用電機將機器的能轉換為能耗。水輪機是水電站的核心工作母機,其能量轉化效率直接關系到水電站投資的經(jīng)濟效益。水位落差在2～20m區(qū)間的水電站常用軸流式水輪機,它的核心部件———工作轉輪可分為軸流定槳和軸流調(diào)槳兩類。軸流定槳由于工作轉輪結構較為簡單得到廣泛應用,軸流調(diào)槳因工作轉輪結構復雜、工藝繁多、材料種類多、加工裝配精度高可靠性要求高等因素應用的很少,尤其是轉輪直徑在600～1400mm之間的小尺寸機型,國內(nèi)生產(chǎn)廠家極少。此范圍內(nèi)的機型是山區(qū)小水電站中最常用的規(guī)格,蘊含十分巨大的市場需求。1提高水資源的利用率常用的定槳式水輪機只能在某一固定流量(稱為額定流量,是設計轉輪槳葉角度的依據(jù))時才能產(chǎn)生最優(yōu)效率。當實際流量小于額定流量,則水能轉化效率急劇下降,降到額定流量的50%～65%以下時,則幾乎不能發(fā)電,此時流量稱為空載流量。當實際流量大于額定流量,水能轉化效率也會下降,并且由于轉輪槳葉角度的固定,轉輪的過流能力受到限制,不能充分利用水能來增加發(fā)電量。因轉輪過流能力的不足,只能采取棄水措施。綜上所述,定槳式水輪機在偏離設計工況時,水能轉化效率均會急劇下降,造成水資源的利用率極低,僅適用于功率不大且水頭變化幅度較小的電站。軸流式水輪機要求流量比較大。在一年四季中,河流水流量又經(jīng)常發(fā)生變化(甚至每天也不一樣),所以只有通過調(diào)槳———轉輪槳葉角度的變換,才能適應這種流量的變化,以保證轉輪均在最優(yōu)工況下運行,獲得最高的水能轉化效率,以增加發(fā)電量。根據(jù)小微型調(diào)槳機組實際生產(chǎn)的經(jīng)驗數(shù)據(jù),電站采用調(diào)槳機型后由于水能轉化效率提高,且能適應流量變化而不棄水,比用定槳機型年發(fā)電量會增加10%～30%,甚至于更高,經(jīng)濟效益十分可觀。2定槳機組與調(diào)槳機組運行區(qū)域出力對比某一逕流式(即沒有庫容)電站設計流量為5m3/s,設計水頭為5.2m,考慮到水輪發(fā)電機組的轉化效率,該電站裝機總容量為200kW。裝機臺數(shù)通常有2種,即裝機1臺或裝機2臺,總容量匹配方案有1臺200kW機組、2臺100kW機組或1臺75kW機組及1臺125kW機組3種方案。以上3種方案的水輪機均為定槳轉輪機組。如運用小微型調(diào)槳機組,可演變?yōu)?臺調(diào)槳機組、1臺定槳機組加1臺調(diào)槳機組或2臺調(diào)槳機組3種備選方案。2臺調(diào)槳機組方案適應流量有重疊,且投資較大,一般不選,另2種備選方案可行。以下就1臺200kW定槳機組方案與1臺200kW調(diào)槳機組方案進行定、調(diào)槳機組數(shù)據(jù)及效益比較。機組運行區(qū)域出力(kW)比較如圖1、圖2。根據(jù)運行區(qū)域圖比較可得:1)定槳機組在流量0～3m3/s時已是空載(為設計流量的50%),即不能發(fā)電,而調(diào)槳機組則在1.5～6m3/s均可發(fā)電,流量為0～1.5m3/s仍為空載。2)定槳機組運行出力拋物曲線下移量在流量3～6m3/s比調(diào)槳機組在流量為3～6m3/s時較大,這是因為機組運行時定、調(diào)槳轉輪轉化效率不一致引起的。如當實際流量為4m3/s時,定槳機組運行效率更低,約為80%,而調(diào)槳機組因為轉輪槳葉角度可調(diào),其轉化效率仍維持在高位,可達86.5%,甚至更高。也就是說兩種機組在同樣水頭及同樣流量的情況下,調(diào)槳機組出力會更多。這種現(xiàn)象,對于定槳機組而言流量越偏離設計值,轉輪轉化效率越低,出力差別越大。3)調(diào)槳機組運行區(qū)域(陰影面積)比定槳機組大很多。依據(jù)生產(chǎn)實際,電站安裝一臺機組而言,調(diào)槳機組的年平均發(fā)電量可比定槳機組多至少30%。4)當實際流量超過設計值5m3/s時,調(diào)槳機組出力區(qū)域也比定槳出力區(qū)域寬,亦即超發(fā)電能力更強。因為定槳轉輪槳葉角度是固定的,過流能力受到了限制。調(diào)槳機組的單價比定槳機組貴6萬元左右,但年平均發(fā)電量可增加約2×105kW·h,可獲得利潤至少4萬元,這樣增加的投入回收期為1.5年,比整座電站投資回收期(通常為6～8年)短很多。3調(diào)槳裝置的傳動早期調(diào)槳技術一般應用在轉輪直徑≥1600mm的水輪機。經(jīng)開發(fā)研制,小微型(轉輪直徑600～1400mm)軸流調(diào)槳式水輪機的調(diào)槳裝置(核心結構是:蝸桿蝸輪傳動—絲桿螺母螺旋傳動—空間曲柄滑塊機構),能實現(xiàn)停機連續(xù)調(diào)槳,槳葉角度從0°～30°任意調(diào)整,完全區(qū)別于早期的拆機調(diào)槳結構,稱為停機調(diào)槳結構。圖3為調(diào)槳裝置的傳動原理圖(共有4個均布的槳葉軸,圖中僅畫2個)。調(diào)槳過程:搖動手動蝸桿,驅使蝸輪轉動;蝸輪中部是內(nèi)螺紋(螺母),且受輔助零件地限制,蝸輪只能轉動,不能移動,因此蝸輪(螺母)與絲桿構成螺旋傳動,絲桿直線向上(或向下)移動,安裝在絲桿上的調(diào)槳架一同向上(或向下)移動;調(diào)槳架、連桿與曲柄(裝在槳葉軸上)構成空間曲柄滑塊機構,調(diào)槳架的移動通過連桿帶動曲柄轉過一定角度,槳葉軸與曲柄一同轉動,最終實現(xiàn)槳葉角度在初始角度的基礎上有0°～15°調(diào)整范圍(初始角度是根據(jù)設計最大流量來設定的)。此停機調(diào)槳裝置結構緊湊,傳動比大,有自鎖能力,調(diào)整時輕便省力。小微型軸流調(diào)槳式水輪機已定型生產(chǎn)的有:ZT60、ZT70、ZT80、ZT100、ZT120、ZT140等6個型號,銷往福建、廣東、江西、湖南等省,累計達100多臺,經(jīng)濟和社會效益顯著。小微型軸流調(diào)槳式水輪機特別適用于河流集雨面積在1000km2以下,單機容量75～1000kW,水位落差在2～20m區(qū)間的電站。4適合小型老舊電