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摘要：本文针对西埇电站的机组选型与轴伸贯流式机组的特点，着重介绍电站机组的选型所考虑的情况与轴伸贯流式机组的特点，分别阐述了西埇电站的机型选择、机组参数等以及卧式轴伸贯流式机组的应用概况和选择要点等。
关键字：西埇 水电站 机组选型 设计 特点
Abstract: this paper for the Xiyong hydropower station set selection and stretched out the characteristics of the shaft tubular turbine units, emphasis on the introduction of the selection of the power station unit are considered and the characteristics of the shaft stretch tubular turbine units, respectively expounds the Xiyong hydropower station, the parameters of the model selection and horizontal axis stretch of tubular turbine units general application and selection points, etc.
Key word: Xiyong hydropower station set selection design characteristics
中图分类号： TV547.3文献标识码：A文章编号：
1、概述
西埇电站位于广东省湛江市遂溪县洋清镇内，座落在青年运河主河西段，依靠青年运河来水发电。原西埇电站始建于1968年，设计装机容量为4×75kW，设计水头2.5m，单机流量为4.5m³/s，年平均发电量为70万千瓦时。多年来由于运行时间过长，机组严重老化，磨损严重，运行效率低，噪音大以及设备故障多等问题，经安全检测后，确认重建。现复核电站总装机容量650kW，总流量36m³/s，年利用小时数2333.3h。
2、电站机组选型
2.1、电站基本参数：
（1）上游水位
最高水位31.65m，
设计水位31.50m，
最低水位31.10m；
（2）下游水位
最高水位29.82m，
设计水位29.22m，
最低水位28.39m；
（3）工作水头
最大水头3.16m，
设计水头2.20m，
最小水头1.18m。
2.2、机型选择与台数确定
西埇电站装机总容量为650kW。由于电站以灌溉为主，兼顾发电的特点；按在技术经济指标相当的情况，尽量选用较大的单机容量；同时，为了电站运行的灵活性和检修的要求，机组台数不宜少于两台的原则；本电站采用装机2×325kW方案。
本电站为低水头河床式径流电站，根据H、N的范围，可供选择的机组有贯流式和轴流式水轮机。
在25m水头段以下，贯流式水轮机与轴流式水轮机相比，具有一系列优点，尤其突出的是水电站土建工程投资少和良好的运行性能，以及其有较高的过水能力、较高的运行效率（其效率比轴流式机组一般约高3%左右），同时对水头变化适应能力较好等优势。本站推荐选用贯流式机组。另外贯流式水轮机，根据其结构特点和布置形式，可分为全贯流式、半贯流式（竖井式、轴伸式和灯泡式）两种，根据其适用的范围，本电站适合选择半贯流式轴伸贯流式水轮机。轴伸式贯流机组其发电机放置在发电机层地面上，具有机组安装、拆卸和检修都比较方便等特点。综合以上优缺点比较，本电站推荐选择机型为2台单机装机容量325kW的轴伸贯流式水轮机。
2.3、机组主要参数
（1）水轮机
型号：GZ008-WZ-230
额定出力：353kW
设计水头：2.20m
设计流量：18.8m³/s
额定转速：109.6r/min
转轮直径：2.3m
吸出高度：-1.25m
额定效率：87%
（2）发电机
型号：SFW325-12/1180
额定容量：325kW
额定电压0.4kV
功率因数：0.8（滞后）
额定转速：500r/min
3、轴伸贯流式机组的特点
3.1、应用概况
轴伸贯流式水轮发电机组（如图1）是贯流式机组的一种，是适用于低水头大流量的一种水力性能优良、结构紧凑、安装维护方便的机型。它的发电机置于流道之外，因而解决了因转轮直径小的灯泡机组，要把发电机置于尺寸很小的灯泡体内，在设计安装以及运行维护方面存在的许多困难。同时，与传统的立式轴流转桨式机组相比具有机构简单、维护方便、土建工程量小以及较大的过流量、较高的水力效率。因此，相同容量的机组，轴伸机组转轮直径比轴流机组转轮直径小10%~15%，机组转速提高，而价格降低，或年发电量增加，其经济效益显著，具有较强的竞争能力。以已建的蓟县于桥水电站为例，由于采用轴伸机组较之采用轴流转桨式机组效率提高了3%~4%，厂房建设费用节省约20%。而与小型混流式水轮机相比，其比转速可提高100%~120%，机组造价节省2/3左右。
图1轴伸贯流机组外形图
3.2、与灯泡机组的比较
灯泡机组与轴伸机组的比较，虽然同属贯流机组，但灯泡机组的发电机布置在灯泡体内，流道平直，检修维护较复杂，在单机容量较大的机组应用。轴伸机组则有一弯曲的S形流道，水轮机通过较长的轴從进水弯管或尾水弯管（如图1）中伸出，与布置在流道外部的发电机直接或间接连接。
S形尾水管的轴伸机组当单位流量较大时，比具有直锥尾水管的灯泡机组效率有低一些。选用单位流量Q11时，轴伸机组一般要比灯泡机组的单位流量小10%~15%，即当有效水头和最大使用流量给定时，轴伸机组转轮直径要比灯泡机组转轮直径大5%~9%，选取的转速也较低一些。同时，轴伸机组的安装高程也要比灯泡机组安装高程高一些，这不仅有利于节省土建工程量，也有利于检修维护。
稳定性，灯泡机组因其发电机是装在灯泡体内的，为减少流道水力损失，提高效率，定子外径尺寸在灯泡体内收到一定限制，转动部分的转动惯量（GD2）及惯性时间常数（ ）较小，当电站未并网运行或处于电力系统末端时，可能影响系统的稳定性。而轴伸机组由于发电机位于流道外面，不受任何限制，可根据电力系统对稳定性的要求，设计惯性时间常数Tt值（当发电机自身GD2还不能满足要求时，可采取加飞轮的措施）。
3.3、轴伸机组选择要点
机组参数，总体而言，轴伸机组的参数水平略低于灯泡机组。机组参数一般可以按具体电站的应用实际使用范围进行选择；亦可以根据轴伸机组转轮的综合特性曲线，按电站的水头H与流量Q，既可得到轴伸机组的出力P，直径D1和同步转速n等参数。
按电站的工况决定桨叶和导叶的调节方式。
（1）水头与负荷变化较大的电站，宜采用桨叶和导叶均可调节的双调结构（即GZ）。双调机组其水力性能好，但结构复杂，加工制造和安装调试困难、成本高，小型机组不宜采用。
（2）桨叶和导叶均为固定结构的双固定形式，机组结构简单、造价低，但只限于水头与负荷变化小的电站。
（3）也可采用桨叶调节，导叶固定结构（即GT），有较优的性能，当负荷变化时，有较高水力效率，且价格较低，但并网困难。
（4）另有一种桨叶固定，调节导叶的结构（即GD），水力性能欠佳，且锥形空间导叶制造工艺复杂、造价高。
从性能上说，双调最好，双固定最差。但从造价上看，其关系近似为，双固定为1，GT为1.2，GD为1.38，GZ为1.85，可根据电站实际运行工况予以选择。
水轮机和发电机的连接方式可以是直联，也可以通过齿轮增速箱联接。采用直联方式时，采用的机组转速低，发电机尺寸大、效率低，与高转速发电机相比是不经济的；同时，对具有S形流道机组，后轴伸布置会带来困难。如果采用增速联接，不仅可以使水轮机处在较佳工况运行，也因转速提高可选用性能好、尺寸小、效率高的标准型发电机。至于增设增速装置而引起的投资增加和功率损耗，可通过发电机的效率提高及缩小发电机尺寸降低造价来弥补。由表1蕉岭县艾坝电站（上世纪80年代初由广东院设计）可见增速方案优于直联方案。
表1艾坝电站增速与直联方式参数比较
轴伸机组轴系通常为三支点结构，即由水轮机导轴承、发电机径向推力组合轴承、发电机导轴承组成。其润滑方式的选择一般为稀油自润滑体内冷却或重力油箱外循环的强迫润滑方式。只要设计合理，均可以达到安全运行的目的。拆装结构，拆装方便，轴伸机组的拆装结构可采用分瓣结构，这样可以使厂房面积较小，亦便于机组检修。
轴封装置，最好采用密封性能好、磨损小的均衡式碳精密封环密封方式，这是富士公司首创的。当然亦可以采用机械密封方式；小型机组有时候也采用填料盖压紧填料的密封方式。在决定密封方式前，应充分考虑机组（包括厂房）的分解方式，维护检修、水质等因素。另外，在采用碳精填料时，应做到碳精填料可以从外部取出。
4、结束语
轴伸机组是开发低水头中水电站的良好机型。是由EW公司于1930年首先设计，国内最早是由重庆水轮机厂在1951年自行设计研制了国内第一台轴伸机组。40多年来虽然已经积累了一定的经验，但是国内真正生产轴伸机组的厂家不多，投入使用的电站也不多。本文结合西埇电站的实际工程设计以及參考已经运行的相关电站信息简要介绍了机组的选型和轴伸贯流机组的特点，对于国内同类型工程的设计具有一定的参考意义。
其实轴伸式贯流机组只是在一定的出力范围内优于灯泡式机组，它不仅仅受到过流能力的制约，而且优于机组整个是外露在混凝土以外，流道也不可能过大。还有变速箱受变比和额定功率的限制，其功率也会比与发电机直联的水轮机出力小。反过来，在机组额定功率较小的情况下，灯泡机组的尺寸太小就不利于发电机组的安装。所以说各有利弊，它们是对不同水力参数情况下各自表现出不同的优缺点。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键字：西埇 水电站 机组选型 设计 特点
Abstract: this paper for the Xiyong hydropower station set selection and stretched out the characteristics of the shaft tubular turbine units, emphasis on the introduction of the selection of the power station unit are considered and the characteristics of the shaft stretch tubular turbine units, respectively expounds the Xiyong hydropower station, the parameters of the model selection and horizontal axis stretch of tubular turbine units general application and selection points, etc.
Key word: Xiyong hydropower station set selection design characteristics
中图分类号： TV547.3文献标识码：A文章编号：
1、概述
西埇电站位于广东省湛江市遂溪县洋清镇内，座落在青年运河主河西段，依靠青年运河来水发电。原西埇电站始建于1968年，设计装机容量为4×75kW，设计水头2.5m，单机流量为4.5m³/s，年平均发电量为70万千瓦时。多年来由于运行时间过长，机组严重老化，磨损严重，运行效率低，噪音大以及设备故障多等问题，经安全检测后，确认重建。现复核电站总装机容量650kW，总流量36m³/s，年利用小时数2333.3h。
2、电站机组选型
2.1、电站基本参数：
（1）上游水位
最高水位31.65m，
设计水位31.50m，
最低水位31.10m；
（2）下游水位
最高水位29.82m，
设计水位29.22m，
最低水位28.39m；
（3）工作水头
最大水头3.16m，
设计水头2.20m，
最小水头1.18m。
2.2、机型选择与台数确定
西埇电站装机总容量为650kW。由于电站以灌溉为主，兼顾发电的特点；按在技术经济指标相当的情况，尽量选用较大的单机容量；同时，为了电站运行的灵活性和检修的要求，机组台数不宜少于两台的原则；本电站采用装机2×325kW方案。
本电站为低水头河床式径流电站，根据H、N的范围，可供选择的机组有贯流式和轴流式水轮机。
在25m水头段以下，贯流式水轮机与轴流式水轮机相比，具有一系列优点，尤其突出的是水电站土建工程投资少和良好的运行性能，以及其有较高的过水能力、较高的运行效率（其效率比轴流式机组一般约高3%左右），同时对水头变化适应能力较好等优势。本站推荐选用贯流式机组。另外贯流式水轮机，根据其结构特点和布置形式，可分为全贯流式、半贯流式（竖井式、轴伸式和灯泡式）两种，根据其适用的范围，本电站适合选择半贯流式轴伸贯流式水轮机。轴伸式贯流机组其发电机放置在发电机层地面上，具有机组安装、拆卸和检修都比较方便等特点。综合以上优缺点比较，本电站推荐选择机型为2台单机装机容量325kW的轴伸贯流式水轮机。
2.3、机组主要参数
（1）水轮机
型号：GZ008-WZ-230
额定出力：353kW
设计水头：2.20m
设计流量：18.8m³/s
额定转速：109.6r/min
转轮直径：2.3m
吸出高度：-1.25m
额定效率：87%
（2）发电机
型号：SFW325-12/1180
额定容量：325kW
额定电压0.4kV
功率因数：0.8（滞后）
额定转速：500r/min
3、轴伸贯流式机组的特点
3.1、应用概况
轴伸贯流式水轮发电机组（如图1）是贯流式机组的一种，是适用于低水头大流量的一种水力性能优良、结构紧凑、安装维护方便的机型。它的发电机置于流道之外，因而解决了因转轮直径小的灯泡机组，要把发电机置于尺寸很小的灯泡体内，在设计安装以及运行维护方面存在的许多困难。同时，与传统的立式轴流转桨式机组相比具有机构简单、维护方便、土建工程量小以及较大的过流量、较高的水力效率。因此，相同容量的机组，轴伸机组转轮直径比轴流机组转轮直径小10%~15%，机组转速提高，而价格降低，或年发电量增加，其经济效益显著，具有较强的竞争能力。以已建的蓟县于桥水电站为例，由于采用轴伸机组较之采用轴流转桨式机组效率提高了3%~4%，厂房建设费用节省约20%。而与小型混流式水轮机相比，其比转速可提高100%~120%，机组造价节省2/3左右。
图1轴伸贯流机组外形图
3.2、与灯泡机组的比较
灯泡机组与轴伸机组的比较，虽然同属贯流机组，但灯泡机组的发电机布置在灯泡体内，流道平直，检修维护较复杂，在单机容量较大的机组应用。轴伸机组则有一弯曲的S形流道，水轮机通过较长的轴從进水弯管或尾水弯管（如图1）中伸出，与布置在流道外部的发电机直接或间接连接。
S形尾水管的轴伸机组当单位流量较大时，比具有直锥尾水管的灯泡机组效率有低一些。选用单位流量Q11时，轴伸机组一般要比灯泡机组的单位流量小10%~15%，即当有效水头和最大使用流量给定时，轴伸机组转轮直径要比灯泡机组转轮直径大5%~9%，选取的转速也较低一些。同时，轴伸机组的安装高程也要比灯泡机组安装高程高一些，这不仅有利于节省土建工程量，也有利于检修维护。
稳定性，灯泡机组因其发电机是装在灯泡体内的，为减少流道水力损失，提高效率，定子外径尺寸在灯泡体内收到一定限制，转动部分的转动惯量（GD2）及惯性时间常数（ ）较小，当电站未并网运行或处于电力系统末端时，可能影响系统的稳定性。而轴伸机组由于发电机位于流道外面，不受任何限制，可根据电力系统对稳定性的要求，设计惯性时间常数Tt值（当发电机自身GD2还不能满足要求时，可采取加飞轮的措施）。
3.3、轴伸机组选择要点
机组参数，总体而言，轴伸机组的参数水平略低于灯泡机组。机组参数一般可以按具体电站的应用实际使用范围进行选择；亦可以根据轴伸机组转轮的综合特性曲线，按电站的水头H与流量Q，既可得到轴伸机组的出力P，直径D1和同步转速n等参数。
按电站的工况决定桨叶和导叶的调节方式。
（1）水头与负荷变化较大的电站，宜采用桨叶和导叶均可调节的双调结构（即GZ）。双调机组其水力性能好，但结构复杂，加工制造和安装调试困难、成本高，小型机组不宜采用。
（2）桨叶和导叶均为固定结构的双固定形式，机组结构简单、造价低，但只限于水头与负荷变化小的电站。
（3）也可采用桨叶调节，导叶固定结构（即GT），有较优的性能，当负荷变化时，有较高水力效率，且价格较低，但并网困难。
（4）另有一种桨叶固定，调节导叶的结构（即GD），水力性能欠佳，且锥形空间导叶制造工艺复杂、造价高。
从性能上说，双调最好，双固定最差。但从造价上看，其关系近似为，双固定为1，GT为1.2，GD为1.38，GZ为1.85，可根据电站实际运行工况予以选择。
水轮机和发电机的连接方式可以是直联，也可以通过齿轮增速箱联接。采用直联方式时，采用的机组转速低，发电机尺寸大、效率低，与高转速发电机相比是不经济的；同时，对具有S形流道机组，后轴伸布置会带来困难。如果采用增速联接，不仅可以使水轮机处在较佳工况运行，也因转速提高可选用性能好、尺寸小、效率高的标准型发电机。至于增设增速装置而引起的投资增加和功率损耗，可通过发电机的效率提高及缩小发电机尺寸降低造价来弥补。由表1蕉岭县艾坝电站（上世纪80年代初由广东院设计）可见增速方案优于直联方案。
表1艾坝电站增速与直联方式参数比较
轴伸机组轴系通常为三支点结构，即由水轮机导轴承、发电机径向推力组合轴承、发电机导轴承组成。其润滑方式的选择一般为稀油自润滑体内冷却或重力油箱外循环的强迫润滑方式。只要设计合理，均可以达到安全运行的目的。拆装结构，拆装方便，轴伸机组的拆装结构可采用分瓣结构，这样可以使厂房面积较小，亦便于机组检修。
轴封装置，最好采用密封性能好、磨损小的均衡式碳精密封环密封方式，这是富士公司首创的。当然亦可以采用机械密封方式；小型机组有时候也采用填料盖压紧填料的密封方式。在决定密封方式前，应充分考虑机组（包括厂房）的分解方式，维护检修、水质等因素。另外，在采用碳精填料时，应做到碳精填料可以从外部取出。
4、结束语
轴伸机组是开发低水头中水电站的良好机型。是由EW公司于1930年首先设计，国内最早是由重庆水轮机厂在1951年自行设计研制了国内第一台轴伸机组。40多年来虽然已经积累了一定的经验，但是国内真正生产轴伸机组的厂家不多，投入使用的电站也不多。本文结合西埇电站的实际工程设计以及參考已经运行的相关电站信息简要介绍了机组的选型和轴伸贯流机组的特点，对于国内同类型工程的设计具有一定的参考意义。
其实轴伸式贯流机组只是在一定的出力范围内优于灯泡式机组，它不仅仅受到过流能力的制约，而且优于机组整个是外露在混凝土以外，流道也不可能过大。还有变速箱受变比和额定功率的限制，其功率也会比与发电机直联的水轮机出力小。反过来，在机组额定功率较小的情况下，灯泡机组的尺寸太小就不利于发电机组的安装。所以说各有利弊，它们是对不同水力参数情况下各自表现出不同的优缺点。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。