鄭吉斯，李志華，晉成龍

(1.深圳市恩萊吉能源科技有限公司，廣東？深圳？518133；2.廣西桂水電力股份有限公司崇左發(fā)電分公司，廣西？崇左？532200；3.中水淮河規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，安徽？合肥？230601)

1 概 述

環(huán)境可持續(xù)性和生態(tài)保護(hù)日益成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)，綠色水電已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樗姰a(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心策略[1]。特別是在中低水頭水電站領(lǐng)域，由于其數(shù)量龐大、地理分布廣泛、管理復(fù)雜性增加，以及頻繁位于生態(tài)敏感區(qū)域，環(huán)境保護(hù)問題已成為一項(xiàng)受到廣泛關(guān)注的挑戰(zhàn)[2]。為促進(jìn)行業(yè)的可持續(xù)性，水利部發(fā)布了《綠色小水電評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(SL/T 752—2020)，旨在規(guī)范小型水電站的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)，其中包含大量的中低水頭電站。然而，達(dá)成這些可持續(xù)目標(biāo)的前提是采用集安全性、環(huán)境友好性、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性于一體的先進(jìn)技術(shù)[3]。

水輪機(jī)作為水電站的關(guān)鍵組件，其與環(huán)保相關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新已成為研究的重點(diǎn)。當(dāng)前，全球綠色水電標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水輪機(jī)的主要要求可概括為兩點(diǎn)：一是減少或消除油品泄漏；二是確保生物多樣性，如通過允許魚類安全通過[4_5]。在這一背景下，各種技術(shù)進(jìn)展都專注于優(yōu)化水輪機(jī)在這兩方面的性能。

我國(guó)小型水電站的開發(fā)高峰主要出現(xiàn)在21世紀(jì)初，受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)和生產(chǎn)周期，許多現(xiàn)存設(shè)備已顯示出老化跡象，影響其經(jīng)濟(jì)性和適用性。與此同時(shí)，由于國(guó)家政策對(duì)小型水電站進(jìn)行提標(biāo)和改造的支持，相關(guān)的技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用，如高油壓槳葉調(diào)節(jié)技術(shù)，也正在迅速發(fā)展并逐漸成熟。該技術(shù)基本解決了傳統(tǒng)轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的油品泄漏問題，但隨著機(jī)械行業(yè)的技術(shù)升級(jí)，純水液壓傳動(dòng)技術(shù)在轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的應(yīng)用潛力開始受到關(guān)注[6]。經(jīng)過多年的研究和測(cè)試，目前全球首個(gè)采用純水作為液壓介質(zhì)的水輪機(jī)槳葉調(diào)節(jié)系統(tǒng)已在廣西農(nóng)本水電站成功實(shí)施。本研究旨在深入分析農(nóng)本水電站采用的水介質(zhì)葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和特性，可為該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究和技術(shù)推廣提供有力的支持和參考。

2 工程背景

2.1 生態(tài)環(huán)境背景

本研究所關(guān)注的電站位于黑水河水系，該水系為左江流域的一級(jí)支流，且穿越越南流域，主要位于非工業(yè)化區(qū)域。圖1展示了壩址下游流域的生態(tài)敏感性分布云圖，該分布是基于路網(wǎng)、土地利用情況、水系、地形坡度、坡向以及植被覆蓋等6個(gè)關(guān)鍵因素的疊加分析得出的。圖1的數(shù)據(jù)明確顯示，從電站壩址到左江匯入口的區(qū)域基本上屬于生態(tài)高度敏感區(qū)域。同樣地，除了崇左市區(qū)之外，附近流域大部分也呈現(xiàn)出高度生態(tài)敏感性。

圖1 農(nóng)本水電站壩址下游生態(tài)敏感性分析云圖

綜合考慮，該流域下游幾乎缺乏工業(yè)活動(dòng)，主要以農(nóng)業(yè)和林業(yè)為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)，地形坡度相對(duì)平緩，生態(tài)環(huán)境敏感性顯著。因此，任何對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響都有可能因地理?xiàng)l件而被放大，從而對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)和旅游產(chǎn)業(yè)構(gòu)成威脅。綜上所述，為了維護(hù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的可持續(xù)性并確保社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，采用新型無油泄漏技術(shù)在電站運(yùn)營(yíng)中具有重要的實(shí)用價(jià)值和理論意義。

2.2 項(xiàng)目背景

農(nóng)本水電站最初設(shè)計(jì)擁有3臺(tái)軸流式水輪機(jī)組，其中，1號(hào)和2號(hào)機(jī)組為ZZ580—LH—250型，分別在1995年投入運(yùn)行；而3號(hào)機(jī)組為ZD580—LH—250型，于2000年投入運(yùn)行。原始總裝機(jī)容量為9 600 kW，在2016年進(jìn)行了增效擴(kuò)容改造，裝機(jī)容量提升至3×3 750 kW。在改造之前，原有調(diào)速器的操作油壓等級(jí)為4.0 MPa，改造后，導(dǎo)葉操作油壓提升至16 MPa；而槳葉操作油壓保持不變，維持在4.0 MPa；因此，電站目前運(yùn)營(yíng)2套獨(dú)立的油壓系統(tǒng)。電站擴(kuò)容后現(xiàn)有3臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，型號(hào)為ZZK400—LH—250和SF3750—28/3900。電站的多年平均發(fā)電量為4 980萬kW·h，年利用小時(shí)數(shù)達(dá)到4 427 h。

該電站的ZZK400型號(hào)機(jī)組為該項(xiàng)目的實(shí)施對(duì)象。針對(duì)該機(jī)組目前的運(yùn)行情況，識(shí)別出了一系列主要問題，其對(duì)機(jī)組性能和運(yùn)行可靠性會(huì)產(chǎn)生明顯影響：

首先，該機(jī)組的導(dǎo)葉和槳葉分別采用了2套獨(dú)立的油壓裝置，這導(dǎo)致了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的增加，進(jìn)而增加了運(yùn)行檢修的難度和備品備件規(guī)格的多樣性。

其次，漏油問題相當(dāng)嚴(yán)重，不僅導(dǎo)致大量油液資源的浪費(fèi)，還對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，尤其是在可能污染河道的情況下，環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)和安全隱患極為突出。

第三，由于維護(hù)困難，運(yùn)行人員面臨的工作任務(wù)壓力相對(duì)較大，同時(shí)年均檢修成本也相對(duì)較高。

第四，在實(shí)際發(fā)電過程中，機(jī)組的槳葉操作系統(tǒng)曾多次出現(xiàn)串油現(xiàn)象，這一現(xiàn)象與導(dǎo)葉和槳葉的油壓不一致有關(guān)，油壓等級(jí)分別為16 MPa和4 MPa。因油壓不一致，當(dāng)槳葉操作系統(tǒng)處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)明顯的系統(tǒng)振動(dòng)和擺度增加，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪槳葉無法正常開啟；這種不準(zhǔn)確的機(jī)組協(xié)聯(lián)導(dǎo)致發(fā)電效率下降約5%。

第五，槳葉反饋線存在偶爾拉斷的問題，同時(shí)液壓油也會(huì)頻繁地漏入機(jī)組內(nèi)部，這種現(xiàn)象不僅影響機(jī)組的正常運(yùn)行，還可能對(duì)發(fā)電機(jī)的絕緣性能造成不良影響。

綜上所述，這些問題不僅影響了該ZZK400型號(hào)機(jī)組的運(yùn)行效率和可靠性，還對(duì)環(huán)境和運(yùn)行人員帶來了一系列的負(fù)面影響。因此，解決這些問題對(duì)于提高該電站整體性能和可持續(xù)性至關(guān)重要。

3 純水介質(zhì)葉片調(diào)節(jié)器及特點(diǎn)

3.1 技術(shù)概況

該系統(tǒng)由高壓水供應(yīng)系統(tǒng)、葉片驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)以及智能控制系統(tǒng)三大核心組件構(gòu)成，具體的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。在額定壓力方面，系統(tǒng)采用了目前廣泛應(yīng)用的16 MPa調(diào)速器操作油壓力。至于環(huán)境溫度，由于水的冰點(diǎn)限制，系統(tǒng)的最低工作溫度設(shè)定為1℃；相對(duì)于傳統(tǒng)液壓油系統(tǒng)，這一點(diǎn)有所局限。關(guān)于系統(tǒng)的內(nèi)泄水量，這一指標(biāo)主要反映在葉片進(jìn)行行程操作過程中，從高壓端泄漏至低壓端的水介質(zhì)流量。從測(cè)試結(jié)果來看，該系統(tǒng)在運(yùn)行過程中只有極小量的泄漏，這一點(diǎn)強(qiáng)烈表明了其出色的能效性能?？傮w而言，該純水介質(zhì)水輪機(jī)葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)在各項(xiàng)性能指標(biāo)上均滿足或超過了國(guó)內(nèi)外相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求，具有顯著的應(yīng)用潛力和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

表1 純水介質(zhì)葉片調(diào)節(jié)器主要技術(shù)指標(biāo)

3.2 高壓水系統(tǒng)特點(diǎn)

高壓水系統(tǒng)的基礎(chǔ)原理如圖2所示。盡管流體介質(zhì)從油到水的轉(zhuǎn)變對(duì)于液體傳動(dòng)系統(tǒng)的基本原理影響有限，流程結(jié)構(gòu)變化不大；然而水與油在物理和化學(xué)屬性上的差異導(dǎo)致了在技術(shù)實(shí)施方面必須進(jìn)行顯著的調(diào)整。

圖2 農(nóng)本水電站高壓水系統(tǒng)原理圖

首先，考慮到水具備較強(qiáng)的腐蝕性質(zhì)，系統(tǒng)中的全部靜態(tài)組件，包括但不局限于管道、閥體、球閥以及蓄能器等，均需采用具有出色抗腐蝕性的不銹鋼材料進(jìn)行制造；這一特性對(duì)制造過程的精度和質(zhì)量提出了更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。其次，由于水的飽和蒸汽壓相對(duì)較高，在一些高速運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械部件中可能觸發(fā)氣蝕現(xiàn)象，尤其是在高壓柱塞泵環(huán)境下更為敏感。為解決這一問題，本系統(tǒng)特別在柱塞泵的前端配置了1臺(tái)預(yù)增壓泵，以確保泵系統(tǒng)始終在正壓環(huán)境下運(yùn)行，從而顯著降低了氣蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

在液壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，水作為工作介質(zhì)具有低黏度的特性，因此對(duì)密封間隙非常敏感，容易導(dǎo)致較大的泄漏量。傳統(tǒng)小型高油壓調(diào)速器經(jīng)常采用滑閥形式的三位四通插裝閥進(jìn)行槳葉控制，這種滑閥設(shè)計(jì)對(duì)閥芯與閥體間的配合精度要求極高，加工難度相對(duì)較大。進(jìn)一步地，如果將閥芯和閥體的材質(zhì)替換為含有氧化層的耐蝕金屬，這無疑會(huì)加劇加工和潤(rùn)滑的挑戰(zhàn)。泄漏量Q(mm3/s)可以根據(jù)哈根泊肅葉(Hagen_Poiseuille)公式來量化，其表示為[7]：

(1)

式中，d為閥芯密封直徑(mm)，e為密封帶間隙(mm)，μ為介質(zhì)的動(dòng)力黏度(N/mm2·s)，L為密封長(zhǎng)度(mm)，ΔP為壓差(N/mm2)。

該公式揭示了泄漏量Q與L和μ成反比關(guān)系。由于滑閥結(jié)構(gòu)通常比較緊湊(L較小)，并且水介質(zhì)的動(dòng)力黏度μ遠(yuǎn)小于油，泄漏風(fēng)險(xiǎn)因此顯著增大。

為解決這一問題，農(nóng)本水電站的控制策略采用了由4個(gè)單獨(dú)的兩位兩通電磁閥組合聯(lián)動(dòng)的方式，詳見圖3。這種直動(dòng)式密封結(jié)構(gòu)對(duì)水的密封性能較好，泄漏風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低。由于密封過程中始終是軸向施力，因此密封層可以采用如NBR橡膠或PTFE等具有優(yōu)越潤(rùn)滑性能的柔性材料，相應(yīng)地降低了加工精度要求，獲得了更好的密封性能。

圖3 控制閥組原理圖

閥組的工作原理如圖3所詳細(xì)示出，其中與壓力入口P口相連的2個(gè)電磁閥1和2是常閉閥，分別連接到接力器的A和B腔；另外2個(gè)電磁閥負(fù)責(zé)控制回油油路的通斷，設(shè)置為常開?；钊恢玫母淖兺ㄟ^電磁閥的電控開/關(guān)來實(shí)現(xiàn)，而活塞位置的穩(wěn)定性則由位于葉片驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的液壓鎖(參見圖2)保證；這種控制方案有效地緩解了由于水介質(zhì)特性導(dǎo)致的泄漏和控制精度問題。

綜上所述，本高壓水系統(tǒng)在維持液體傳動(dòng)基礎(chǔ)原理的同時(shí)，針對(duì)水作為工作介質(zhì)所帶來的獨(dú)特挑戰(zhàn)，作出了一系列技術(shù)優(yōu)化和改進(jìn)，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和效率。

3.3 葉片驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)

如圖4所展示的，該部分系統(tǒng)的葉片驅(qū)動(dòng)部分涉及一系列機(jī)械與液壓傳動(dòng)元件，范圍從受水器至水輪機(jī)內(nèi)部。表2則歸納了其中包含的主要密封材料，特別是在受水器組件中，由于水的低動(dòng)力黏度和相對(duì)較大的泄漏量，該系統(tǒng)對(duì)密封性能提出了更嚴(yán)格的要求。傳統(tǒng)在受油系統(tǒng)或配壓閥中使用的間隙密封在這種場(chǎng)合已不再適用。

表2 葉片驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各部分材料

圖4 葉片驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)系統(tǒng)圖

為解決該問題，系統(tǒng)采用了一種新型親水復(fù)合材料，該材料與水導(dǎo)軸承中所使用的材料類似，既具有良好的水潤(rùn)滑性，又具有高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。這些材料與柔性橡膠圈結(jié)合，共同確保了該部分的密封和潤(rùn)滑性能。此外，軸頭和襯套部分為了維護(hù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性以及防止由于腐蝕導(dǎo)致的潛在風(fēng)險(xiǎn)，選用了具有更強(qiáng)耐蝕性的2205雙相不銹鋼作為主要材料，詳見表2。然而，值得注意的是，即便在這種高度優(yōu)化的設(shè)計(jì)下，如果水中存在氧氣或氫離子，完全消除耗氧腐蝕或析氫腐蝕仍然是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。數(shù)據(jù)顯示，軸頭和外襯套部分的配合間隙約為10 μm。在這樣的條件下，即便是微量的金屬銹蝕或通過流體介質(zhì)傳播的微小銹蝕顆粒也有可能引發(fā)卡阻，導(dǎo)致該旋轉(zhuǎn)組件的溫度顯著升高，甚至抱死。

為提高系統(tǒng)的可靠性，設(shè)計(jì)了一種主受水器與副受水器串聯(lián)的冗余結(jié)構(gòu)。當(dāng)主受水器出現(xiàn)明顯卡阻時(shí)，該冗余設(shè)計(jì)允許備用受水器繼續(xù)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)生成警報(bào)，提示主受水器已經(jīng)出現(xiàn)卡阻，從而便于后續(xù)的維護(hù)和修理工作。

3.4 對(duì)于性能特點(diǎn)的討論

首先，在流體動(dòng)力特性方面，水具有較低的動(dòng)力黏度，導(dǎo)致其在旋轉(zhuǎn)間隙內(nèi)的熱生成量較油為低。更進(jìn)一步，由于水的比熱明顯大于油，其溫度上升緩慢。綜合這些因素，實(shí)際運(yùn)行條件下，受水器與高油壓受油器相比，并沒有明顯的溫升劣勢(shì)。

其次，水的彈性模量大約為油的3/4，因此在流體壓縮過程中，水能更有效地減少由體積形變引起的能量損失。這一特性還賦予水在控制響應(yīng)速度和精度方面的一定優(yōu)勢(shì)，特別在一些關(guān)鍵的PID控制場(chǎng)景下，如導(dǎo)葉關(guān)閉過程的大波動(dòng)條件，水作為工作介質(zhì)能更好地體現(xiàn)其高靈敏性和可靠性。

從環(huán)境和經(jīng)濟(jì)角度來看，使用水作為工作介質(zhì)具有明顯優(yōu)勢(shì)。具體而言，純凈水的生命周期碳排放當(dāng)量約為0.004 t CO2e·m-3，而液壓油則在1 t CO2e·m-3數(shù)量級(jí)，顯示出水在碳排放減緩方面具有巨大的潛力。以我國(guó)目前主要使用油介質(zhì)的水輪機(jī)調(diào)速器為例，如果能采用水介質(zhì)替代油介質(zhì)，其環(huán)境效益將是顯著的。

然而，使用水作為工作介質(zhì)也存在一系列挑戰(zhàn)。首要問題是設(shè)備成本高且市場(chǎng)接受度低，這主要是因?yàn)橄鄳?yīng)的水壓技術(shù)仍處于發(fā)展階段，導(dǎo)致組件無法大規(guī)模生產(chǎn)。另一個(gè)問題是，由于水對(duì)溫度極度敏感，應(yīng)用該技術(shù)在高緯度地區(qū)可能需要額外的冗余溫度控制設(shè)備，從而導(dǎo)致額外的能源消耗。最后，水的低黏度和彈性模量可能引發(fā)更大的壓力脈沖，俗稱“水錘”現(xiàn)象，這在廠房布局和管路設(shè)計(jì)方面帶來了新的挑戰(zhàn)。

總體而言，盡管使用水作為工作介質(zhì)在環(huán)境和流體動(dòng)力特性方面有明顯優(yōu)勢(shì)，但其高成本、溫度敏感性和新的工程設(shè)計(jì)需求也不容忽視。因此，該領(lǐng)域仍有大量待解決的問題和挑戰(zhàn)。

4 結(jié) 論

首先，值得突出的是，在農(nóng)本水電站成功地實(shí)施了全球首個(gè)基于純水液壓技術(shù)的水介質(zhì)水輪機(jī)葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)。該技術(shù)的有效部署不僅驗(yàn)證了其實(shí)用性和可行性，而且在中小型水輪機(jī)調(diào)速器領(lǐng)域的環(huán)境友好性和低碳轉(zhuǎn)型方面提供了重要的啟示。

其次，該研究項(xiàng)目突破了多個(gè)技術(shù)難題，包括水介質(zhì)的高腐蝕性、易氣蝕性、大泄漏量和潤(rùn)滑性能不穩(wěn)定等問題。通過開發(fā)專門針對(duì)水輪機(jī)調(diào)速器的高壓水系統(tǒng)和液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，該項(xiàng)目為純水液壓技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了寶貴的參考案例。

最后，盡管該技術(shù)已取得顯著進(jìn)展，仍然存在若干挑戰(zhàn)和待解決問題。例如，如何進(jìn)一步降低設(shè)備成本、防止結(jié)冰現(xiàn)象以及避免由于水錘效應(yīng)導(dǎo)致的設(shè)備損壞，均是當(dāng)前和未來發(fā)展的關(guān)鍵方向。

綜合而言，該研究不僅證實(shí)了基于純水液壓技術(shù)的水介質(zhì)水輪機(jī)葉片調(diào)節(jié)系統(tǒng)的可行性，還成功地解決了一系列技術(shù)難題，從而為該領(lǐng)域的環(huán)保和低碳發(fā)展提供了有力的支持。然而，為實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用和優(yōu)化，仍需針對(duì)特定的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)問題進(jìn)行進(jìn)一步的研究和開發(fā)。