3 貫流式水輪機的應用及技術發展探討

　　我國水電資源豐富，第四次水力資源復查成果顯示，全國江河水電資源蘊藏量達7億kW，可開發量5億kW，經濟可開發量4億kW.現已開發量1億kW，只占到經濟可開發量的25%.我國江河的低水頭水力資源，根據文獻估算，水頭在10m左右的資源量占到可開發資源的約500，達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，可開發量超過0.21億kW，尚未進行規模開發。以上數據說明，我國適用于貫流式水輪機開發的低水頭水能資源蘊藏巨大，貫流式水輪機應用前景廣闊，需求巨大。經過40余年的研究與實踐，我國對貫流機組設備開發、研制以及貫流水電站設計和運行技術都取得了很大的發展和成就。對于25m以下低水頭水電開發，優先選擇貫流機組，已基本形成共識。但目前國內貫流機組設備技術和供給能力還不能滿足水電建設的需要，許多大型或頂級的機組設備需要國際市場供貨，國內外同類產品在設備性能、單位千瓦材料消耗等技術方面存在著較明顯的差別，中小型貫流機組產品的多樣性和技術適應性也不能滿足國內或適應國際市場的需求。由于研發能力和技術水平的限制，又影響貫流式水輪機的廣泛應用。因此，全面提升我國貫流式水輪機的技術水平，任務迫切，意義深遠。

　　推進我國貫流水輪機技術的進步，應當關注貫流機組大型化技術的發展，并致力于提高國內貫流機組整體技術水平。

　　根據對貫流式水輪機的應用及其技術發展的分析，應用水頭逐漸提高、貫流機組大型化是國際貫流水輪機技術發展的趨勢，這也和我國低水頭水電開發對大型貫流機組的應用需求相吻合。貫流機組對開發低水頭水電資源具有優勢，而這些資源的開發地點往往位于經濟發達、人口稠密的平原或河谷地區，自然資源富集或處于交通要道（如黃河上游等地區）。這類水電資源經濟合理的開發，要求實現發電、防洪、航運等綜合利用功能，保護生態環境和土地資源，減少移民搬遷及交通設施等淹沒、浸沒及賠償，修建高壩大庫通常已不適宜。為了優化開發方案和工程總體布置，便于工程綜合功能經濟地實現，有利于保護生態和環境等資源，往往需要采用單機容量（機組尺寸）更大或應用水頭更高的貫流機組。

　　大型化貫流式水輪機的水力設計不存在重大的技術難題，但機組設計、制造與安裝等方面的一些關鍵技術，以燈泡機組為例，燈泡體及水輪機的支承結構，軸系的分析計算、大噸位軸承的設計制造，發電機的設計，發電機的通風冷卻，機組的剛度及振動特性的評估、優化，大尺寸機組的安裝技術等，存在較大的技術難度和經濟風險。近年，我國水電業界結合湖南洪江、廣西惡灘擴建工程、四川桐子林等水電站機組的選型設計，對此進行了研究。在洪江水電站，對采用燈泡貫流機組的關鍵技術及制造難度，與日本只見、俄羅斯薩拉托夫等電站的大型燈泡機組進行了對比研究，結論是技術可行。該工程已成功實施，成為我國貫流電站技術進步的典型案例。而惡灘擴建工程采用燈泡貫流機組方案，其應用水頭和單機容量等設計參數，機組設計制造的技術難度均已超越了世界上已運行的同類電站機組，研究表明采用燈泡貫流機組在技術上是可行的。兩座電站的經濟分析數據也都表明，可節省建設投資和獲得年電量的增加，特別是惡灘擴建工程采用8臺75MW燈泡貫流機組與采用4臺150MW軸流轉槳機組的方案比較，前者首臺機組提前9個月發電，工程總工期縮短一年，其提前發電的電費收入，與比后者高出的投資差基本相抵（貫流機組方案設備投資概算按采用2臺進口、6臺合作編制），每年還可多獲得約3%的電量增加，其經濟性明顯優越。上述研究也說明，開發、應用25～35m水頭段的貫流式水輪機和單機容量75MW及以上的燈泡貫流機組，技術上可行，經濟上仍處于有利和合理范疇。

　　全面提高我國貫流式水輪機的整體技術水平，實現包括產品研制技術（水力開發、結構分析、制造工藝、試驗研究等）及產品的技術性能、貫流式水輪機應用開發和運行等技術水平的全面提升，結合國內實際和借鑒國際先進經驗，應加強計算機及信息技術如計算機CFD、FE、CAD/CAM等及現代制造技術在貫流式水輪機開發、研制和運行等領域的推廣和應用，還應加強對國際先進技術的引進、消化和吸收。研究具有自主知識產權的貫流式水輪機產品和技術，這是提升我國貫流式水輪機技術和產業競爭力的必然途徑。此外，我國的各類水電資源開發，包括廣大農村中小低水頭資源及海洋潮汐能源的規模開發，需要技術經濟特性優越的，包括各類貫流式水輪機在內的多樣性的水輪發電機組設備，因此，應加強對軸伸貫流式水輪機的研究和推廣應用，完善軸伸貫流水輪機轉輪的研究并形成系列型譜；應加強對用于潮汐能源開發的雙向可逆貫流機組、全貫流機組及豎井貫流機組的技術開發和研究；對齒輪增速技術及設備在貫流機組的應用，以及貫流水輪機適用的調速設備的開發等技術課題，應進行全面的規劃布局和系統的研究。

　　4 結語

　　推進我國貫流式水輪機的技術發展，應對國內的應用現狀和發展水平進行客觀的評估，對貫流機組的需求情況（包括近期和遠期需求）進行分析預測，制訂技術發展規劃，指導發展研究。我國有巨大的市場需求，全面提升貫流機組的技術及應用水平，將為我國低水頭水電資源開發帶來巨大的經濟效益，也將為我國貫流式水輪發電機組設備提高競爭力，進入國際市場提供強大的技術支持。軸流式水輪機相比，在相同水頭和相同單機容量時，其機組尺寸小，重量輕，材料消耗少，機組造價低。貫流機組電站還可獲得年發電量的增加。（考試大一級建造師編輯整理）