摘要：小型水電站經常在低負荷工況下運行，其后果會造成氣蝕增加。以里石門水庫壩后電站為例，電站采用不銹鋼轉輪，采取補氣措施，對導水機構進行技改，確保電站機組安全地在低負荷工況下運行。

　　關鍵字：水電站；水輪機；低負荷

　　1、貫流式水輪機的結構特點與技術經濟優(yōu)勢

　　貫流式水輪機的流道形式和軸流式水輪機不同，為保證向導水機構均勻供水和形成必要的環(huán)量，保證導葉較平滑繞流，軸流式水輪機需設置蝸殼，其流道由蝸殼、導水機構和彎肘型尾水管組成。貫流式水輪機沒有蝸殼，流道由圓錐形導水機構和直錐擴散形或S型尾水管組成。通常采用臥軸式布置，從流道進口到尾水管出口，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，尾水管恢復性能好，水力效率高。燈泡貫流機組的發(fā)電機裝置在水輪機流道中的燈泡形殼體內，采用直錐擴散形尾水管，流道短而平直對稱，水流特性好。大型貫流機組幾乎都是燈泡機組，中小型多采用軸伸式、豎井式等形式。

　　貫流式水輪機單位過流量大，轉速高，水輪機效率高，且高效區(qū)寬，加權平均效率也較高，具有比軸流式水輪機更優(yōu)良的能量特性。其特征參數比轉速ns、可達1000以上，比速系數可達3000以上。與軸流式水輪機相比，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(fā)電量的增加。

　　貫流式水輪機的空化性能和運行穩(wěn)定性也優(yōu)于軸流式水輪機，其空化系數相對較小，機組可靠性高，運行故障率低，可用率高，檢修時間縮短，檢修周期延長。對于低水頭資源開發(fā)，貫流式水輪機的穩(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)電機組結構緊湊，布置簡潔，廠房土建工程量較小，可節(jié)省土建投資。貫流機組設備運輸和安裝重量較輕，施工和設備安裝方便，可縮短工期，實現提前發(fā)電。根據國內外有關水電站的統計資料，采用燈泡貫流機組比相同容量軸流轉槳機組，電站建設投資一般可節(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22.6%和24%.小型水電站采用軸伸貫流機組與立式軸流機組比較，也可節(jié)省建設投資約10%～20%.由此可見，貫流式水輪機是開發(fā)低水頭水能資源的一種最經濟、適宜的水輪機形式，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、國內外貫流式水輪機的應用現狀

　　貫流式水輪機自20世紀30年代問世以來，因其優(yōu)良的技術經濟特性和適用性而得到廣泛應用和迅速發(fā)展，包括燈泡貫流發(fā)電機技術在內的貫流機組技術日益成熟，貫流式水電站的開發(fā)、設計、運行技術與經驗日益豐富。國外水頭25m以下的水電開發(fā)，已出現取代軸流式水輪機的局面。貫流機組技術在1960～1990的發(fā)展最為迅猛，這一時期投入運行的貫流機組，最大單機容量達65.8MW（燈泡貫流，日本只見），最大水輪機轉輪直徑達8.2m（豎井貫流，美國墨累），最高工作水頭達22.45m（燈泡貫流，日本新鄉(xiāng)第二）。

　　我國從20世紀60年代開始貫流式水輪機的研究和應用，到20世紀80年代，貫流機組技術及其應用取得突破性的進展，1983年引進設備的第一座大型燈泡貫流機組電站一湖南馬跡塘水電站建成，1984年自主開發(fā)的廣東白垢電站轉輪直徑5.5m，單機容量10MW燈泡貫流機組投運，標志著具備自行開發(fā)研制大型貫流機組設備的能力。貫流式水輪機的應用研究和運行技術也獲得了發(fā)展，積累了經驗。最近20年來，相繼開發(fā)建成引進設備、技術合作或自行裝備的大型燈泡貫流機組電站數十座，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27.3m，單機容量45MW，是目前世界上應用水頭最高、國內單機容量最大的燈泡貫流機組。國內已運行的燈泡貫流式水輪機最大轉輪直徑已達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15臺，總裝機容量達621.3MW.在西北地區(qū)，20世紀80年代開始貫流式水電站的規(guī)劃設計，并完成了柴家峽等電站的可行性研究。在黃河干流上現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組電站，沙坡頭則是應用于高含沙水流的第一座大型燈泡貫流機組電站，各具特色，為貫流式水電站的開發(fā)提供了新的經驗。

　　對于低水頭小型水電站，軸伸貫流水輪機和豎井貫流水輪機具有與燈泡貫流水輪機相當的技術經濟優(yōu)勢，國外20m以下的小水電開發(fā)，已逐步取代軸流機組。據文獻介紹，國外已運行的軸伸貫流式水輪機轉輪直徑達8.6m，單機容量達到31.5MW，最大使用水頭達到38m.我國軸伸貫流式水輪機的技術開發(fā)起步較晚，自行研制的GZ006、GZ007（5葉片）等轉輪的性能達到或超過國際先進水平，但尚沒有得到普遍的技術推廣和形成相應的生產和市場規(guī)模。國內已運行的軸伸貫流水輪機多采用定槳式轉輪，最大轉輪直徑2.75m，單機容量3.5MW，最大使用水頭22m.而豎井貫流和全貫流機組技術開發(fā)程度較低，應用很少，與國外存在明顯差距。

　　3、貫流式水輪機的應用及技術發(fā)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(fā)量5億kW，經濟可開發(fā)量4億kW.現已開發(fā)量1億kW，只占到經濟可開發(fā)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(fā)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(fā)量超過0.21億kW，尚未進行規(guī)模開發(fā)。以上數據說明，我國適用于貫流式水輪機開發(fā)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(fā)、研制以及貫流水電站設計，我國適用于貫流式水輪機開發(fā)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(fā)、研制以及貫流水電站設計和運行技術都取得了很大的發(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

　　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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)展的趨勢，這也和我國低水頭水電開發(fā)對大型貫流機組的應用需求相吻合。貫流機組對開發(fā)低水頭水電資源具有優(yōu)勢，而這些資源的開發(fā)地點往往位于經濟發(fā)達、人口稠密的平原或河谷地區(qū)，自然資源富集或處于交通要道（如黃河上游等地區(qū)）。這類水電資源經濟合理的開發(fā)，要求實現發(fā)電、防洪、航運等綜合利用功能，保護生態(tài)環(huán)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(yōu)化開發(fā)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(tài)和環(huán)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(fā)電機的設計，發(fā)電機的通風冷卻，機組的剛度及振動特性的評估、優(yōu)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(yè)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(jié)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(fā)電，工程總工期縮短一年，其提前發(fā)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(yōu)越。上述研究也說明，開發(fā)、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(fā)、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(fā)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(fā)、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(yè)競爭力的必然途徑。此外，我國的各類水電資源開發(fā)，包括廣大農村中小低水頭資源及海洋潮汐能源的規(guī)模開發(fā)，需要技術經濟特性優(yōu)越的，包括各類貫流式水輪機在內的多樣性的水輪發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)等技術課題，應進行全面的規(guī)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(fā)展，應對國內的應用現狀和發(fā)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(fā)展規(guī)劃，指導發(fā)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(fā)帶來巨大的經濟效益，也將為我國貫流式水輪發(fā)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。