摘要：小型水電站經(jīng)常在低負(fù)荷工況下運(yùn)行，其后果會(huì)造成氣蝕增加。以里石門水庫(kù)壩后電站為例，電站采用不銹鋼轉(zhuǎn)輪，采取補(bǔ)氣措施，對(duì)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行技改，確保電站機(jī)組安全地在低負(fù)荷工況下運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：水電站 水輪機(jī) 低負(fù)荷

1 貫流式水輪機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)

　　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(méi)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(dòng)，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(duì)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(guò)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(shí)，其機(jī)組尺寸小，重量輕，材料消耗少，機(jī)組造價(jià)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(yùn)行穩(wěn)定性也優(yōu)于軸流式水輪機(jī)，其空化系數(shù)相對(duì)較小，機(jī)組可靠性高，運(yùn)行故障率低，可用率高，檢修時(shí)間縮短，檢修周期延長(zhǎng)。對(duì)于低水頭資源開(kāi)發(fā)，貫流式水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行范圍寬，在極低水頭時(shí)也能穩(wěn)定運(yùn)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(shí)仍能穩(wěn)定運(yùn)行。

　　貫流式水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊，布置簡(jiǎn)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(yùn)輸和安裝重量較輕，施工和設(shè)備安裝方便，可縮短工期，實(shí)現(xiàn)提前發(fā)電。根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)水電站的統(tǒng)計(jì)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(guó)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)組與立式軸流機(jī)組比較，也可節(jié)省建設(shè)投資約10%～20%。由此可見(jiàn)，貫流式水輪機(jī)是開(kāi)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(shì)和電量增值、綜合效益增值的效果。

2 國(guó)內(nèi)外貫流式水輪機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀

　　貫流式水輪機(jī)自20世紀(jì)30年代問(wèn)世以來(lái)，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)用和迅速發(fā)展，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(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、運(yùn)行技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)日益豐富。國(guó)外水頭25m以下的水電開(kāi)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1960～1990的發(fā)展最為迅猛，這一時(shí)期投入運(yùn)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(jiàn))，最大水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)8.2m(豎井貫流，美國(guó)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(guó)從20世紀(jì)60年代開(kāi)始貫流式水輪機(jī)的研究和應(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(kāi)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(yùn)，標(biāo)志著具備自行開(kāi)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(yùn)行技術(shù)也獲得了發(fā)展，積累了經(jīng)驗(yàn)。最近20年來(lái)，相繼開(kāi)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?yàn)?、王甫洲、尼那、洪江等。其中洪江水電站最大工作水頭27.3m，單機(jī)容量45MW，是目前世界上應(yīng)用水頭最高、國(guó)內(nèi)單機(jī)容量最大的燈泡貫流機(jī)組。國(guó)內(nèi)已運(yùn)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(guó)各地，在建的廣西長(zhǎng)洲水電站裝機(jī)15臺(tái)，總裝機(jī)容量達(dá)621.3MW。在西北地區(qū)，20世紀(jì)80年代開(kāi)始貫流式水電站的規(guī)劃設(shè)計(jì)，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(guó)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(kāi)發(fā)提供了新的經(jīng)驗(yàn)。

　　對(duì)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(shì)，國(guó)外20m以下的小水電開(kāi)發(fā)，已逐步取代軸流機(jī)組。據(jù)文獻(xiàn)介紹，國(guó)外已運(yùn)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(guó)軸伸貫流式水輪機(jī)的技術(shù)開(kāi)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(guò)國(guó)際先進(jìn)水平，但尚沒(méi)有得到普遍的技術(shù)推廣和形成相應(yīng)的生產(chǎn)和市場(chǎng)規(guī)模。國(guó)內(nèi)已運(yùn)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(kāi)發(fā)程度較低，應(yīng)用很少，與國(guó)外存在明顯差距。