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1、小水電站-土木工程畢業(yè)論文-小水電站低負(fù)荷運行及氣蝕預(yù)防措施 1貫流式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特點與技術(shù)優(yōu)勢 貫流式水輪機(jī)的流道形式和軸流式水輪機(jī)不同,為保證向?qū)畽C(jī)構(gòu)均勻供水和形成必要的環(huán)量,保證導(dǎo)葉較平滑繞流,軸流式水輪機(jī)需設(shè)置蝸殼,其流道由蝸殼、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和彎肘型尾水管組成。貫流式水輪機(jī)沒有蝸殼,流道由圓錐形導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和直錐擴(kuò)散形或S型尾水管組成。通常采用臥軸式布置,從流道進(jìn)口到尾水管出口,水流沿軸向幾乎呈直線流動,避免了水流拐彎形成的流速分布不均導(dǎo)致的水流損失和流態(tài)變壞,水流平順,水力損失小,尾水管恢復(fù)性能好,水力效率高。燈泡貫流機(jī)組的發(fā)電機(jī)裝置在水輪機(jī)流
2、道中的燈泡形殼體內(nèi),采用直錐擴(kuò)散形尾水管,流道短而平直對稱,水流特性好。大型貫流機(jī)組幾乎都是燈泡機(jī)組,中小型多采用軸伸式、豎井式等形式。 貫流式水輪機(jī)單位過流量大,轉(zhuǎn)速高,水輪機(jī)效率高,且高效區(qū)寬,加權(quán)平均效率也較高,具有比軸流式水輪機(jī)更優(yōu)良的能量特性。其特征參數(shù)比轉(zhuǎn)速ns、可達(dá)1000以上,比速系數(shù)可達(dá)3000以上。與軸流式水輪機(jī)相比,在相同水頭和相同單機(jī)容量時,其機(jī)組尺寸小,重量輕,材料消耗少,機(jī)組造價低。貫流機(jī)組電站還可獲得年發(fā)電量的增加。 貫流式水輪機(jī)的空化性能和運行穩(wěn)定性也優(yōu)于軸流式水輪機(jī),其空化系數(shù)相對較小,機(jī)組可靠性高,運行故障率低,可用率高,檢修時間縮短,檢修周期延長。對于低水
3、頭資源開發(fā),貫流式水輪機(jī)的穩(wěn)定運行范圍寬,在極低水頭時也能穩(wěn)定運行(如超低水頭1.5m以下),是其他類型的水輪機(jī)不可比的。如廣東白垢電站,額定水頭6.2m,最大水頭10.0m,但在1.3m水頭時仍能穩(wěn)定運行。 貫流式水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊,布置簡潔,廠房土建工程量較小,可節(jié)省土建投資。貫流機(jī)組設(shè)備運輸和安裝重量較輕,施工和設(shè)備安裝方便,可縮短工期,實現(xiàn)提前發(fā)電。根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)水電站的統(tǒng)計資料,采用燈泡貫流機(jī)組比相同容量軸流轉(zhuǎn)槳機(jī)組,電站建設(shè)投資一般可節(jié)省10%25%,年發(fā)電量可增加約3%5%。如我國廣東白垢和廣西馬騮灘水電站,投資節(jié)省分別達(dá)22.6%和24%。小型水電站采用軸伸貫流機(jī)組與立式軸流
4、機(jī)組比較,也可節(jié)省建設(shè)投資約10%20%。由此可見,貫流式水輪機(jī)是開發(fā)低水頭水能資源的一種最經(jīng)濟(jì)、適宜的水輪機(jī)形式,具有資源利用充分、投資節(jié)省的優(yōu)勢和電量增值、綜合效益增值的效果。 2國內(nèi)外貫流式水輪機(jī)的現(xiàn)狀 貫流式水輪機(jī)自20世紀(jì)30年代問世以來,因其優(yōu)良的技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性和適用性而得到廣泛應(yīng)用和迅速,包括燈泡貫流發(fā)電機(jī)技術(shù)在內(nèi)的貫流機(jī)組技術(shù)日益成熟,貫流式水電站的開發(fā)、設(shè)計、運行技術(shù)與經(jīng)驗日益豐富。國外水頭25m以下的水電開發(fā),已出現(xiàn)取代軸流式水輪機(jī)的局面。貫流機(jī)組技術(shù)在19601990的發(fā)展最為迅猛,這一時期投入運行的貫流機(jī)組,最大單機(jī)容量達(dá)65.8MW(燈泡貫流,日本只見),最大水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪
5、直徑達(dá)8.2m(豎井貫流,美國墨累),最高工作水頭達(dá)22.45m(燈泡貫流,日本新鄉(xiāng)第二)。 我國從20世紀(jì)60年代開始貫流式水輪機(jī)的和應(yīng)用,到20世紀(jì)80年代,貫流機(jī)組技術(shù)及其應(yīng)用取得突破性的進(jìn)展,1983年引進(jìn)設(shè)備的第一座大型燈泡貫流機(jī)組電站一湖南馬跡塘水電站建成,1984年自主開發(fā)的廣東白垢電站轉(zhuǎn)輪直徑5.5m,單機(jī)容量10MW燈泡貫流機(jī)組投運,標(biāo)志著具備自行開發(fā)研制大型貫流機(jī)組設(shè)備的能力。貫流式水輪機(jī)的應(yīng)用研究和運行技術(shù)也獲得了發(fā)展,積累了經(jīng)驗。最近20年來,相繼開發(fā)建成引進(jìn)設(shè)備、技術(shù)合作或自行裝備的大型燈泡貫流機(jī)組電站數(shù)十座,如凌津灘、王甫洲、尼那、洪江等。其中洪江水電站最大工作水頭
6、27.3m,單機(jī)容量45MW,是世界上應(yīng)用水頭最高、國內(nèi)單機(jī)容量最大的燈泡貫流機(jī)組。國內(nèi)已運行的燈泡貫流式水輪機(jī)最大轉(zhuǎn)輪直徑已達(dá)7.5m。目前規(guī)劃或在建的貫流式水電站遍布全國各地,在建的廣西長洲水電站裝機(jī)15臺,總裝機(jī)容量達(dá)621.3MW。在西北地區(qū),20世紀(jì)80年代開始貫流式水電站的規(guī)劃設(shè)計,并完成了柴家峽等電站的可行性研究。在黃河干流上現(xiàn)已建成青海尼那電站,寧夏沙坡頭電站即將竣工,甘肅柴家峽、青海直崗拉卡等電站在建。尼那電站是我國海拔最高的大型燈泡貫流機(jī)組電站,沙坡頭則是應(yīng)用于高含沙水流的第一座大型燈泡貫流機(jī)組電站,各具特色,為貫流式水電站的開發(fā)提供了新的經(jīng)驗。
7、160; 對于低水頭小型水電站,軸伸貫流水輪機(jī)和豎井貫流水輪機(jī)具有與燈泡貫流水輪機(jī)相當(dāng)?shù)募夹g(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢,國外20m以下的小水電開發(fā),已逐步取代軸流機(jī)組。據(jù)介紹,國外已運行的軸伸貫流式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)8.6m,單機(jī)容量達(dá)到31.5MW,最大使用水頭達(dá)到38m。我國軸伸貫流式水輪機(jī)的技術(shù)開發(fā)起步較晚,自行研制的GZ006、GZ007(5葉片)等轉(zhuǎn)輪的性能達(dá)到或超過國際先進(jìn)水平,但尚沒有得到普遍的技術(shù)推廣和形成相應(yīng)的生產(chǎn)和市場規(guī)模。國內(nèi)已運行的軸伸貫流水輪機(jī)多采用定槳式轉(zhuǎn)輪,最大轉(zhuǎn)輪直徑2.75m,單機(jī)容量3.5MW,最大使用水頭22m。而豎井貫流和全貫流機(jī)組技術(shù)開發(fā)程度較低,應(yīng)用很少,與國
8、外存在明顯差距。3貫流式水輪機(jī)的及技術(shù)探討 我國水電資源豐富,第四次水力資源復(fù)查成果顯示,全國江河水電資源蘊藏量達(dá)7億kW,可開發(fā)量5億kW,可開發(fā)量4億kW。現(xiàn)已開發(fā)量1億kW,只占到經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量的25%。我國江河的低水頭水力資源,根據(jù)估算,水頭在10m左右的資源量占到可開發(fā)資源的約500,達(dá)0.2億kW以上。此外,我國大陸和島嶼海岸線蘊藏著巨大的海洋潮汐能資源,可開發(fā)量超過0.21億kW,尚未進(jìn)行規(guī)模開發(fā)。以上數(shù)據(jù)說明,我國適用于貫流式水輪機(jī)開發(fā)的低水頭水能資源蘊藏巨大,貫流式水輪機(jī)應(yīng)用前景廣闊,需求巨大。經(jīng)過40余年的與實踐,我國對貫流機(jī)組設(shè)備開發(fā)、研制以及貫流水電站設(shè)計和運行技術(shù)都取得
9、了很大的發(fā)展和成就。對于25m以下低水頭水電開發(fā),優(yōu)先選擇貫流機(jī)組,已基本形成共識。但國內(nèi)貫流機(jī)組設(shè)備技術(shù)和供給能力還不能滿足水電建設(shè)的需要,許多大型或頂級的機(jī)組設(shè)備需要國際市場供貨,國內(nèi)外同類產(chǎn)品在設(shè)備性能、單位千瓦材料消耗等技術(shù)方面存在著較明顯的差別,中小型貫流機(jī)組產(chǎn)品的多樣性和技術(shù)適應(yīng)性也不能滿足國內(nèi)或適應(yīng)國際市場的需求。由于研發(fā)能力和技術(shù)水平的限制,又貫流式水輪機(jī)的廣泛應(yīng)用。因此,全面提升我國貫流式水輪機(jī)的技術(shù)水平,任務(wù)迫切,意義深遠(yuǎn)。 推進(jìn)我國貫流水輪機(jī)技術(shù)的進(jìn)步,應(yīng)當(dāng)關(guān)注貫流機(jī)組大型化技術(shù)的發(fā)展,并致力于提高國內(nèi)貫流機(jī)組整體技術(shù)水平。 根據(jù)對貫流式水輪機(jī)的應(yīng)用及其技術(shù)發(fā)展的,應(yīng)用水
10、頭逐漸提高、貫流機(jī)組大型化是國際貫流水輪機(jī)技術(shù)發(fā)展的趨勢,這也和我國低水頭水電開發(fā)對大型貫流機(jī)組的應(yīng)用需求相吻合。貫流機(jī)組對開發(fā)低水頭水電資源具有優(yōu)勢,而這些資源的開發(fā)地點往往位于經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口稠密的平原或河谷地區(qū),資源富集或處于要道(如黃河上游等地區(qū))。這類水電資源經(jīng)濟(jì)合理的開發(fā),要求實現(xiàn)發(fā)電、防洪、航運等綜合利用功能,保護(hù)生態(tài)環(huán)境和土地資源,減少移民搬遷及交通設(shè)施等淹沒、浸沒及賠償,修建高壩大庫通常已不適宜。為了優(yōu)化開發(fā)方案和工程總體布置,便于工程綜合功能經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn),有利于保護(hù)生態(tài)和環(huán)境等資源,往往需要采用單機(jī)容量(機(jī)組尺寸)更大或應(yīng)用水頭更高的貫流機(jī)組。 大型化貫流式水輪機(jī)的水力設(shè)計不存
11、在重大的技術(shù)難題,但機(jī)組設(shè)計、制造與安裝等方面的一些關(guān)鍵技術(shù),以燈泡機(jī)組為例,燈泡體及水輪機(jī)的支承結(jié)構(gòu),軸系的分析、大噸位軸承的設(shè)計制造,發(fā)電機(jī)的設(shè)計,發(fā)電機(jī)的通風(fēng)冷卻,機(jī)組的剛度及振動特性的評估、優(yōu)化,大尺寸機(jī)組的安裝技術(shù)等,存在較大的技術(shù)難度和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險。近年,我國水電業(yè)界結(jié)合湖南洪江、廣西惡灘擴(kuò)建工程、四川桐子林等水電站機(jī)組的選型設(shè)計,對此進(jìn)行了研究。在洪江水電站,對采用燈泡貫流機(jī)組的關(guān)鍵技術(shù)及制造難度,與日本只見、俄羅斯薩拉托夫等電站的大型燈泡機(jī)組進(jìn)行了對比研究,結(jié)論是技術(shù)可行。該工程已成功實施,成為我國貫流電站技術(shù)進(jìn)步的典型案例。而惡灘擴(kuò)建工程采用燈泡貫流機(jī)組方案,其應(yīng)用水頭和單機(jī)容量等設(shè)計參數(shù),機(jī)組設(shè)計制造的技術(shù)難度均已超越了世界上已運行的同類電站機(jī)組,研究表明采用燈泡貫流機(jī)組在技術(shù)上是可行的。兩座電站的經(jīng)濟(jì)分析數(shù)據(jù)也都表明,可節(jié)省建設(shè)投資和獲得年電量的增加,特別是惡灘擴(kuò)建工程采用8臺75MW燈泡貫流機(jī)組與采用4臺150MW軸流轉(zhuǎn)
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