徐國君，吳 韜

(1．水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012；2.水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 310012)

0 引 言

隨著我國對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重視程度顯著提高，小水電清理整改與綠色改造成為近些年水利行業(yè)環(huán)境保護(hù)和修復(fù)的一項重要任務(wù)，其中水電站生態(tài)流量泄放又是清理整改行動的重點之一；有條件的電站一般都增設(shè)生態(tài)流量機組來達(dá)到消能和泄放生態(tài)流量的目的，同時也能提高電站的經(jīng)濟效益。生態(tài)機組通常要求在水庫水位變化時要不間斷地足量泄放生態(tài)流量，在生態(tài)機組水輪機選型時，有時會因為水庫的水位變化過大，使得水輪機選擇比較困難。

雙擊式水輪機因其適應(yīng)水頭變化能力強、效率變化平緩、造價低、維護(hù)簡便等特點比較適合應(yīng)用于水頭變化比較大的生態(tài)機組。本文針對這類機組，對比分析雙擊式與混流式機組的性能、效益等方面，為生態(tài)機組水輪機的選型提供了參考。

1 部分生態(tài)機組存在的問題

水電站根據(jù)評估核定的生態(tài)流量值進(jìn)行泄放，通過改造或者新建泄放設(shè)施來達(dá)到泄放生態(tài)流量的目的。目前主要的生態(tài)流量泄放設(shè)施建設(shè)方法有以下幾種：

(1) 泄流閘改造。采用已有泄流閘增設(shè)限位設(shè)施的方式，通過改造閘門行程控制器或布置限位裝置來泄放生態(tài)流量(見圖1)。

圖1 泄流閘限位設(shè)施

(2)泄流閥改造。改造或利用大壩現(xiàn)有泄水設(shè)施和設(shè)備，通過調(diào)整設(shè)施和設(shè)備的開度等來控制生態(tài)流量泄放。

(3)增設(shè)泄流管。在壩體或壩體周邊渠首以及壩肩通過工程措施布置或埋設(shè)無節(jié)制的生態(tài)流量泄放管，或者增設(shè)虹吸管來泄放生態(tài)流量(見圖2)。

圖2 生態(tài)泄流管

(4)增設(shè)生態(tài)機組。有條件的電站可增設(shè)新的生態(tài)機組進(jìn)行生態(tài)流量的泄放。

以上幾種生態(tài)流量的泄放措施各有利弊，特別是增設(shè)生態(tài)機組的方式并不適合所有生態(tài)流量泄放量比較大的水庫電站。目前，常規(guī)的反擊式及沖擊式水輪機應(yīng)用于生態(tài)機組要求水庫的水頭變化盡量小，生態(tài)流量機組與常規(guī)水電站機組的主要區(qū)別在于低水頭小出力時的運行時間；因為對于調(diào)節(jié)能力不強的水庫裝設(shè)的生態(tài)機組，在水庫水位接近死水位時仍然需要運行來泄放生態(tài)流量，并且這種運行工況運行的時間會比較長；有些混流式生態(tài)機組會配套2只適用于不同水頭段的轉(zhuǎn)輪，每年需要更換2次，這樣不僅消耗大量的人力物力，頻繁的拆裝也會對機組壽命產(chǎn)生很大的影響。

目前，國內(nèi)新建的生態(tài)流量機組水輪機以混流式居多，針對生態(tài)流量機組運行的特點，機組應(yīng)能在比較寬的負(fù)荷即水頭區(qū)間內(nèi)穩(wěn)定運行；但由于反擊式水輪機的固有特性，在低負(fù)荷區(qū)運行時水輪機轉(zhuǎn)輪葉片的繞流和出流特性將發(fā)生較大變化，機組性能與穩(wěn)定性將會比在設(shè)計工況運行時偏離較大，水輪機的效率也下降得比較明顯。雖然目前已投運的生態(tài)機組可以通過改造來適應(yīng)較寬負(fù)荷和穩(wěn)定運行的要求，但每個電站和水庫的實際情況并不相同，也沒有規(guī)律可以找尋，因此這種方式目前也只是在起步階段，對每個生態(tài)機組進(jìn)行模型轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設(shè)計也不經(jīng)濟；因此還需對生態(tài)機組的實際情況進(jìn)行深入的研究，確保生態(tài)機組運行的穩(wěn)定性和安全性。

2 雙擊式水輪機結(jié)構(gòu)特點及應(yīng)用

雙擊式水輪機作為小水電機組的一種機型，屬于沖擊式水輪機的一種類型。相較于其他形式的水輪機，雙擊式水輪機雖然模型最高效率并不高，但其通用性較強，使用范圍比較廣，結(jié)構(gòu)和操作比較簡單，造價也比其他幾種機型低；并且水輪機的效率在出力變化較大時減小得比較平緩(見圖3)，加權(quán)平均效率一般比混流式水輪機高，且氣蝕性能良好。同時，對于水流中的雜物也具有比較好的易通過性，因此在水頭范圍變化較大的生態(tài)機組應(yīng)用雙擊式水輪機具有一定的優(yōu)勢。

圖3 雙擊式水輪機流量——效率曲線

雙擊式水輪機主要由機殼、導(dǎo)水柵、噴嘴、轉(zhuǎn)輪以及葉片等構(gòu)成。轉(zhuǎn)輪是一個具有2個圓形邊壁結(jié)構(gòu)的筒裝結(jié)構(gòu)。葉片均布于轉(zhuǎn)輪中，與轉(zhuǎn)輪外圓形成正切角；水流通過導(dǎo)水柵后由矩形噴嘴依照一定的沖角進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，水流在轉(zhuǎn)輪內(nèi)部先從外周通過徑向的葉片流入轉(zhuǎn)輪的中心，此為第一階段的能量轉(zhuǎn)換過程；水流通過轉(zhuǎn)輪中心后再次流向葉片，完成第二次能量轉(zhuǎn)換。

隨著現(xiàn)代有限元計算分析的發(fā)展與應(yīng)用逐步成熟和廣泛，對于雙擊式水輪機轉(zhuǎn)輪可以進(jìn)行葉片的改型設(shè)計，運用氣液兩相的流場特征，建立雙擊式水輪機轉(zhuǎn)輪模型，在各種工況下進(jìn)行三維全流道模擬，從而對轉(zhuǎn)輪和葉片進(jìn)行優(yōu)化，通過改變轉(zhuǎn)輪葉片的數(shù)量、葉片與轉(zhuǎn)輪的直徑比以及葉片頭部的安放角等來提高雙擊式轉(zhuǎn)輪的效率、轉(zhuǎn)輪內(nèi)部流態(tài)及機組的壓力脈動等性能參數(shù)。

自1917年第一臺雙擊式水輪機誕生以來，奧地利、德國、美國、日本等國家一直在研究和改進(jìn)雙擊式水輪機，其中德國的Ossberger公司是當(dāng)今為數(shù)不多的一直在研究和生產(chǎn)雙擊式水輪機的廠家(見圖4)。我國也于20世紀(jì)80年代引進(jìn)了雙擊式水輪機并與混流式水輪機進(jìn)行了對比，結(jié)果表明，雙擊式水輪機在價格、體積和維護(hù)保養(yǎng)方面都具備一定的優(yōu)勢，但在后期實際推廣使用中轉(zhuǎn)輪葉片疲勞強度不足導(dǎo)致斷裂的問題一直沒有能很好地解決，因此雙擊式水輪機在我國并沒有較大范圍的推廣使用。2011年，東風(fēng)水電站進(jìn)行報廢重建，裝機容量為100 kW，凈水頭為41 m，年利用小時數(shù)為1 635 h。在設(shè)計階段對比了斜擊式、混流式和雙擊式水輪機的機組效率、投資額及運行維護(hù)等方面因素后推薦使用了雙擊式水輪機作為改造后的機型。

圖4 德國Ossberge雙擊式水輪機

3 雙擊式水輪機運用于生態(tài)流量泄放機組

3.1 概述

根據(jù)雙擊式水輪機的使用范圍和特性，其可運用于徑流式水電站生態(tài)機組和利用水庫底孔泄放生態(tài)流量等情況，特別是對于水庫水位變化比較大的生態(tài)機組，當(dāng)生態(tài)機組運行的最大和最小水頭比值接近于2甚至更大時，雙擊式水輪機效率變化平緩、氣蝕性能良好的優(yōu)點就會尤為突出。此外，為了減小生態(tài)機組的投資，在低水頭徑流式水電站，生態(tài)流量機組水輪機與發(fā)電機可通過增速器連接，以此提高發(fā)電機的轉(zhuǎn)速，減小機組尺寸和投資(見圖5)。

圖5 帶齒輪增速的雙擊式水輪發(fā)電機組

3.2 實例分析

某引水式水電站總裝機容量為18 MW，多年平均發(fā)電量為0.63億kW·h，年利用小時數(shù)為3 520 h，該水電站工程具有灌溉、供水以及發(fā)電等綜合利用效益。

電站核定的生態(tài)流量為2.1 m3/s，要求生態(tài)流量必須恒定泄放，擬建設(shè)1臺生態(tài)機組用于生態(tài)流量的泄放。生態(tài)機組運行水頭范圍為49.5～99.1 m，最大/最小水頭之比Hmax/Hmin=2.0，水頭變化范圍較大；如采用1臺混流式機組，在生態(tài)流量恒定不變的情況下，在低水頭工況點水輪機運行范圍已到模型曲線的范圍邊緣。雖然低水頭時機組出力不低于額定出力的45%，但此時水輪機運行工況較差，長時間運行將對機組壽命產(chǎn)生影響。此外可采用高—低2只轉(zhuǎn)輪運行的方式，在每年7月和次年的3月，分別更換一次轉(zhuǎn)輪。此種方法雖然在整個運行范圍內(nèi)效率較高，機組穩(wěn)定性和空蝕性能也比較好，但設(shè)備投資增加，每年更換轉(zhuǎn)輪及尾水管也比較麻煩。

采用雙擊式機組，水輪機最高效率為85%左右，且在枯水期時水輪機效率也能維持在81%左右。雙擊式與混流式水輪機運用于這臺生態(tài)機組的對比如下所示(見表1)。

表1 不同機型參數(shù)對比

通過表1對比，雙擊式水輪機效率比混流式機組低，但在氣蝕和低水頭運行穩(wěn)定性方面要優(yōu)于混流式水輪機；如采用國產(chǎn)設(shè)備，投資成本也相對較低。

3.3 雙擊式水輪機運用于生態(tài)流量機組的局限性

(1)應(yīng)用范圍受限。雙擊式水輪機適用水頭范圍一般為1～200 m，國外廠家推薦單機容量一般不超過5 000 kW，比較適用于徑流式水電站生態(tài)機組和利用水庫底孔或排沙管設(shè)置生態(tài)機組泄放生態(tài)流量等情況。

(2)下游水位變化不能太大。雙擊式水輪機也屬于沖擊式水輪機的一種類型，因此轉(zhuǎn)輪在運行時在其下部需要有一定的凈空高度，以防止轉(zhuǎn)輪被淹沒在水中，因此雙擊式機組不適用于尾水變化比較大的生態(tài)電站。

(3)轉(zhuǎn)輪葉片強度還需要提高。從我國引進(jìn)雙擊式水輪機投入商業(yè)運行的情況來看，發(fā)生的主要問題就是葉片的斷裂，因此需要從結(jié)構(gòu)和材料等方面著手提高轉(zhuǎn)輪的強度，避免發(fā)生葉片斷裂的事故。

4 結(jié) 語

雖然雙擊式水輪機引入我國時間較早，但目前并未在我國引起重視，應(yīng)用也非常不廣泛，不過對于一些特定條件下使用雙擊式水輪機作為生態(tài)流量機組的優(yōu)點還是比較明顯的；因此仍然需要針對雙擊式水輪機葉片易斷裂等問題進(jìn)行不斷的優(yōu)化和改進(jìn)，使得雙擊式水輪機可以更好地進(jìn)行應(yīng)用和推廣。