绿色水轮机——时代 的呼唤 ·...
24
2018/1/5 1 绿色水轮机及低水头 水轮机的绿化技术 主讲人：郑程遥 绿色水轮机——时代 的呼唤 1
Transcript of 绿色水轮机——时代 的呼唤 ·...
2018/1/5
1
绿色水轮机及低水头
水轮机的绿化技术
主讲人：郑程遥
绿色水轮机——时代的呼唤1
2018/1/5
2
当代水电建设面临着环境和生态可持续发展的严峻
挑战，因此绿色水电站作为相关的重要概念引入到了水
电站建设的评价体系中。而水轮机是水电站的核心部件
，与水工建筑物和水流介质及水生物是紧密耦合的，因
此其对环境的影响也是较大的。所以绿色水轮机是绿色
水电站的重要组成部分，应该进行深入细致的研究。
绿色水轮机——绿色水电站的重要组成部分
水轮机振动和噪声对人体的危害
当代水轮机设计应该
关注的环保问题
2018/1/5
3
水轮机发展的必然趋势2
目前，国际上生态水轮机的研究已取得显著的进
展。
例如，在美国的瓦纳普姆坝，一台设计先进的水
轮机使发电容量增加14%，水的利用效率提高了
3%，鱼类通过水轮机的生存率达97.82%。
法国罗纳河开发后，记录到的鱼种约有25类，与
开发前基本相同。其中4种鲤鱼占生物总量的90%，
这4种鱼在自然状态下占有的优势，在开发后仍
然保持这种状态，鱼类平衡方面变化很小。
2018/1/5
4
因此，借鉴国际上生态水轮机成功经
验和研究成果，开发利于生态环境的水轮
机，对中国社会的可持续发展具有积极的
战略意义。
绿色水轮机——水轮机发展的趋势
绿色水轮机3
2018/1/5
5
第一代
第三代
20世纪70年代
第四代
第二代
暂引系列型谱中的水轮机，如HL240,HL110等
“六五”、“七五”期间
列入1999年颁布的《中小型轴流式，混流式水轮机转轮分列型谱》（JB/T6310-1992）中的水轮机，如A224、D41等
“绿色水轮机”
针对国内一些大型水电站（包括三峡）开发的具有世界领先水平的水轮机，有A551、D261等
如田树棠先生等《水轮机的环保与防腐》、李海峰等《新式环保型上流式水轮机的实验研究》
绿色水轮机
在水轮机的全寿命周期，充分
满足了生态环境及可持续发展
的要求，具有人——机——鱼
——水多目标交互最优化的生
态水轮机。
2018/1/5
6
水轮机的振动和噪声对人体有不良的影响，使人心律不适。
长期承受振动会使人脊柱变形，长期噪声会使人耳聋。在振
动和噪声环境下工作的人员，容易疲劳，注意力分散，意外
事故率升高。
在此特别指出，0.1—0.63HZ的超低频振动，它常引起人们一
连串病症，如从脸色苍白、头昏眼花开始，经呕心呕吐到完
全失去工作能力。因此，绿色水轮机应当避开上述振动频率。
总之，绿色水轮机的亲人性要求保护人的身心健康，最大限
度的做到人——机和谐。
绿色水轮机——亲人性
鱼与水轮机的摩擦和相撞可使鱼损伤甚至直接死亡；当鱼类
通过水轮机流道，将经受快速的压力改变，有些鱼当压力降
至环境压力的40%时会导致鱼体破裂。
空蚀发生时，汽泡爆裂，引起噪声、振动、压力波动，造成
一定的冲击力，会伤害鱼类。当鱼进入水轮机系统剪切应力
“伤害”区域时，鱼就会受伤甚至致命。在尾水管中，大规
模的紊流可使鱼迷失方向，容易被其他鱼类和鸟类所捕食。
绿色水轮机——亲鱼性
2018/1/5
7
亲鱼性水轮机国外研究较早，1994年，美国能源部与美国水
电企业合作，制订了高级水轮机系统计划（AHTS），其目标
是开发新型水轮机，使鱼受到的伤害或死亡率最低，，同时
高效地发电。
英国碳基金开发了一个项目，采用流体三维流动的数值模拟
的CFD技术计算水轮机转轮及其流道的各类参数，然后将此参
数输入到STRISER模型预测鱼类的伤亡状况，反复改进，得出
亲鱼型水轮机的设计参数。
我们应积极的借鉴国外的成功经验，开发亲鱼类水轮机。
绿色水轮机——亲鱼性
水轮机主要工作部件用油润滑与操作，如导水机构、各类轴
承、导叶接力器、桨叶接力器等，由于磨损或老化，密封失
效，油水混合，进入水中，污染河流。
尤其是转桨式水轮机，其桨叶接力器置于转轮轮毂体内，压
力油自然也进入转轮体，桨叶根部转轴与其衬套，在叶片承
受较大的水压力而不断转动时，会磨损变形而使密封失效，
从而使压力油注入河流。
绿色水轮机——亲水性
2018/1/5
8
例如某水电站，4台转桨式机组漏油量达八十吨/年，可见其
对生态的不良影响。
此外，为了防止某些微生物寄生在水轮机的一些部件上，将
这些部件涂上有毒的漆，虽然消除了寄生物，但却污染了河
流。也有为了使水轮机部件上坚硬附着生物剥落而使用特别
的化学药物，同样造成了对河流造成了污染。
上述水轮机，对各种生态都会产生不利影响，而绿色水轮机，
不污染水，有“亲水性”。
绿色水轮机——亲水性
水轮机的高效率意味着振动小、汽蚀
小、水流平稳、噪声小，过机鱼类的生
存率高，具有绿色性能。将定桨式水轮
机改造为转桨式水轮机，是一种较好的
水轮机的绿化技术。
绿色水轮机——高效性
2018/1/5
9
轴流式转轮效率与鱼撞击的概率曲线
绿色水轮机，不是单纯指使个别企业
经济效益最优的水轮机，而是指人—
—机——鱼——水多目标平衡，全局
效益最优的水轮机。研发、设计和制
造及使用绿色水轮机，是水力发电行
业的一项新的挑战。
绿色水轮机的内涵
2018/1/5
10
低水头水轮机的绿化技术4
低水头水轮机的绿化技术
绿化技术
高油压KAPLAN型水轮机
改善材料与工艺
优化水轮机结构和几何
参数
采用高油压KAPLAN型水轮机可将桨叶接力器外置于发电机轴端，
从而杜绝油对河流的污染。
1、尽量减少导叶数和叶片数。
2、选择最优的叶栅稠密度。
3、选择合理的转速。
采用无油轴套，桨叶也可用水作介质操作来代替透平油，如德
国Voith公司。
2018/1/5
11
绿色水轮机绿化技术之一：
KAPLAN水轮机
轮毂无油化技术
5
ENT-16H-v（h）型高油压桨叶电液自动双调节水轮机，是由
我国自主研发的一种中低水头轮毂无油化水轮机。
ENT-16H-v（h）型水轮机桨叶调节器及应用
导叶、桨叶采用16MPa高油压控制 桨叶接力器外置
采用油旋转接头，由新式受油器取代
旧式受油器
采用桨叶推拉杆而取消操作油管
2018/1/5
12
相关发明专利
传统桨叶调节装置存在的问题5.1
2018/1/5
14
1、漏油严重
众多具有转桨式（或贯流式）机组的电站，或多或少均存在桨叶漏油问题。例如湖南省某水电站一年漏油达80余吨。---周泰经
2、耗电量大由于漏油的存在，油泵频繁开启，消耗大量的厂用电，一般为30分钟
启动一次电机。
3、体积大受油器结构复杂，体积大，以至于小型机组不能实现桨叶调节。
4、污染河流漏油对河流生态造成严重的危害，尤其对于下游有供水需求的电站。
5、安装维护困难、运维费用高由于存在内管、外管及中管和浮动瓦等，结构复杂，中心调整十分困
难，安装难度大，盘车往往要耗费数天时间。此外由于零件甚多，故障率高，可靠性差，运行费用高，部分电站甚至将桨叶焊死，失去调节功能。
水轮机新型桨叶高液压全自动调节装置结构及控制原理
5.2
2018/1/5
15
水轮机新型桨叶高液压调节器的技术来源
航空航天旋转接头主要是用于紧凑装置中的乙醇传送，
军事国防旋转接头主要用于高振动高负载下旋转设计
水轮机新型桨叶高液压结构及控制原理
深圳市恩莱吉能源科技
2018/1/5
16
水轮机新型桨叶高液压结构
深圳市恩莱吉能源科技CPS工业4.0产品
桨叶高液压调节装置特点及优越性5.3
2018/1/5
17
水轮机新型桨叶高液压结构及优越性
水电站厂房建设
施工工期显著缩短，
机组造价降低5%
左右，定桨改转桨
机组效率提高10％
以上
将水轮机桨叶操作油压提高到16MPa，从而较大的减少了桨叶接力器的体积。
根本上解决了传统
双调节水轮机漏油
对河流的污染问题，
同时也较大的减少
了水电站的运维成
本。
1 2 3
新型转桨式水轮机桨叶高油压全自动调节系统的研究开发对水电站建设有重大的技术经济意义。
节能环保 高效体积小
水轮机新型桨叶高液压结构及优越性
结构特点
采用16MPa压力油作为操作油源，使水力机械及其建筑设施的尺寸显著减小。
采用了标准化的旋转接头，将接力器外置，简化了水力机械结构，同时杜绝了水力机械桨叶漏油对河流的污染。
水轮机桨叶采用自润滑（德国材料，8年免维护），简化了密封结构。
桨叶位移传感器外置于旋转接头端，简化了反馈链，便于在线调节与精确定位，可实现无人值班。
采用模糊算法，和双死区技术，既保证了调节的经济性，又减少了桨叶的动作次数，运行稳定可靠。
整个水力机械结构简化，受油装置的可靠性类似于风力发电的桨距调节装置，至少做到4年免维护（24h/d运行）。
2018/1/5
18
水轮机新型桨叶高液压结构及优越性
EN-16H成功将桨叶调节装置的额定工作油压提升到16MPa。
使得水轮机桨叶液压控制器体积减小，厂房结构尺寸减小，并可以与高油压（16MPa）调速器相匹配，带来诸多的技术进步和巨大经济效益。
使用高油压（16MPa）调桨装置的英德红桥水电站(2*3.5MW,D=3.56m)
使用常规油压（6.3MPa）的惠东西枝江水电站（2*3.5MW,D=3.56m)
水力机械新型桨叶高液压结构及优越性
应用EN-16H，使得桨叶接力器外置，可减小水轮机轮毂直径，从而减小轮毂比，提高转轮的过流能力和能量指标，并且使转浆式水轮机的应用范围向高水头、小直径方面发展。
用于新建水电站使水轮机造价降低10％～15％，水电站厂房造价减少5％～10％。建设施工工期缩短三分之一的时间。
用于改造机组尺寸较小，不能使用调节桨叶技术的定桨式机组，可使其效率提高10％～15％。
西枝江水电站厂房纵剖图 红桥水电站厂房纵剖图
2018/1/5
19
新型桨叶高液压调节装置的应用5.4
水轮机新型桨叶高液压调节装置的应用
已投运的电站
项目名称 项目地点 装机容量 转轮直径（m) 接力器操作力(kgf) 备注
红桥水电站 广东省 2×3500kW 3.56 83209/67999 2016年年利用小时4290H
甘溪水电站 湖南省 10×1600kW 1.8 42412/33929 2016年年利用小时6780H
烟园电站 海南省 2×3800kW 3.3 104916/72985 2016年年利用小时4536H
狮子口水电站 广东省 3×2000KW 3.0 57680/45616改造后发电效率增加16%（与河海大学合作）
新丰水电站 广西省 2×10MW 4.3 251327/204204 2017年新建水电站
依亚果莱电站 越南 2×3750kW 1.8 57680/48255 2017年新建水电站
2018/1/5
20
使用高油压调桨装置的英德红桥水电站
五 水轮机新型桨叶高液压调节装置的应用
甘溪水电站增效扩容改造工程
水轮机新型桨叶高液压调节装置的应用
2018/1/5
21
水轮机新型桨叶高液压调节装置的应用
海南烟园电站增效扩容改造工程
水轮机新型桨叶高液压调节装置的应用
广东狮子口增效扩容改造工程
2018/1/5
23
水轮机新型桨叶高液压调节装置的应用
已采用的在建电站项目名称 项目地点 装机容量 转轮直径（m) 接力器操作力(kgf)
大宁水电站（与河海大学合作）
广西省 1×3000kW 2.85 81807/66853
张家桥水电站 四川省 1×1500kW 2.75 75398/60444
黄茅峡水电站 广东省 4×1550kW+5×200kW 3.0 75398/60444
南坑口水电站 广东省 2×1700kW+1×2000kW 2.0 47124/37699
前进水电站 福建省 2×3800kW 3.0 95379/66350
山口水电站 黑龙江省 2×15MW 3.1 251327/204204
陶家水电站 黑龙江省 4×5000kW+500kW 4.21.8150796/12176837573/28149
黄燕水电站 广东省 3×3500kW 3.2 81807/66853
桂江水电站 江西省 1×3200kW 3.5 81807/66853
城景水电站 贵州省 3×16000kW 3.65 251327/204204
美山水电站 福建省 1×12000kW 4.3 251327/204204
滩头水电站 江西省 2×2000kW 3.0 81807/66853
陆洲水电站 湖南省 2×2000kW 3.0 81807/66853
水轮机新型桨叶高液压调节装置的应用
正在设计的大型电站
黑龙江省五大连池市山口水电站因为是一级水源地，政
府市长指定使用该装置，机组容量为2*15MW
目前公司正和哈尔滨大机电研究所合作，准备将大型调
桨装置(φ950）应用于西班牙的洪都拉斯水电站，该项
目装机2*80MW.
2018/1/5
24
