（中国长江电力股份有限公司检修厂 湖北宜昌 443002）
摘要：本论文将阐述一种新型的电站建设形势，为中国水电开发提供一种新思路。“集群式河道无水头电站”是一种完全利用水流动能发电的新式电站，它采用小机组集中安装的思路，一个电站预计装机也可达到5万kW，在水量充裕、水流速度等符合装机条件的河道内，选择合适的地理位置作为站址，相距一定距离建设多个电站。这样不仅有效的开发了河道水力能源，而且这一思路也必将成为中国水电开发的一个新方向。
关键词：水电开发；新思路；集群式电站；水流动能
引言
自从改革开放初期的装机1700kW到现在的突破2亿kW，中国水电的发展可以说是个奇迹。然而，在国内高、中水头电站开发完成后的三十年之后，我国水电的发展将走向何处？如何去进一步开发各大流域的水电能源？这些都是中国水电人都要去思考、探索的问题。
1 水电新思路提出的必要性
我国常规水电开发将在2040年后处于停滞状态，开发难度及经济性问题将尤为突出。所以，水电深度开发将需要我们水电人去不断思考和探索。
近些年，水电迅猛发展，“未批先建”、“遍地开花”，对当地的环境产生了严重干扰。水库淹没和移民安置不当，导致一系列社会问题和次生环境问题。
目前我国及世界各国常规水电开发不外乎两种：
一、切断江河，构筑大坝，装设机组，蓄水发电。该类电站可按河道水量及大坝工程装设不同大小的机组，对江河的地址要求较为苛刻，对自然生态有一定的不可控影响，对建设技术和生产能力有较高要求，投入大收益不菲。
二、引流发电，构筑引流建筑物（如引水渠，压力管道等）。该类电站一般装机较小，受季节变化限制严重，机组运行缺乏一定灵活性，由于其装机较小故对电网影响和意义不大。
鉴于常规水电开发技术要求较高，开发难度大，开发时间长，对自然环境的影响大等因素，有必要在常规水电开发停滞之前设计一种新型水电开发思路。
2 集群式河道无水头电站设计思路概述
介绍一个新型河道无水头电站的设计：【大江大河无坝式大功率发电系统】1
图1 大江大河无坝式大功率发电系统
实施办法：
一、构造介绍：1、发电机组；2、增速器；3、滚筒叶轮；4、机组台桩；5、横板闸门；6、水船闸门；8、机组工作室；11、分障建筑物；
顺“八”字形水槽：入水口小于出水口——快速分流，保证有强劲水源动力提供给机组。曾速器起保证频率作用。
二、运行介绍：水流通过八字形水槽，带动滚筒叶轮转动，从而将能量传递给发电机组进行发电。
借鉴已有上述专利设计，开发一种 “集群式河道无水头电站”有一定的可行性。
3 实施办法
3.1电站选址（三要求）及布置阐述
该设计电站应用于流量及流速相对比较稳定的江河河道，（一）要求水量较为充足，（二）要求流速在3m/s以上的河道，（三）要求河道底部呈“U”型为最宜（常见河道有“U”型、“V”型和“W”型），其他形式可视实际河道底部形式进行可建性分析实施。视河道实际情况而定，电站装机在10-12台。
每一座电站采用机组交错布设建设而成，具体布设形式分为两种形式，（1）有通航要求河道、（2）无通航要求河道机组布置两种，布置简图见图2、图3：
3.2电站机组布置原则阐述
1）机组选择安装于河道较为宽阔，且有相对较多的居民区域，要求该河段河道底部较为平整尽量呈“U”型，河段水流流量较大、流速相对稳定。（便于机电运行人员生活，有较为便利的交通。）
2）机组呈双台串联运行管理，合用一台变压器，并排机组与上下游并排机组呈交错装设，两两合并将电能传输于岸边电网系统。（串联运行是为了减少机电设备的投入，方便运行和维护管理。）
3）水工建筑物与机组呈“川”型建设：机组上游进水段开阔设计——方便水流承接；机组段较狭窄设计——增大该段水流速度；机组出水段开阔设计——减少汇流段水流阻力，于此同时为下游机组进水提供相对较多水源。
4）河道装机段上游建设“拦杂建筑物”，将河道内相对较大的杂物拦截集中处置或分流到机组布置的河道另一侧。（防止杂物堵塞到机组过流段对机组正常运行造成一定危险）
3.3机组构造阐述
机组采用立式布设，机组构造见下图：
图4 机组构造
自下而上：
转轮（承水机构）——三叶弯刀型设计，正面最大限度利用开口接水，背面凸曲线设计减小转动时水阻力。
第一联轴法兰——连接转轮与中段轴（方便机组检修时的分解、拆卸）。
中段轴部分——贯穿了轴承稳定室与变速室，中段轴包含了两个轴承稳定结构分别布设于两室各油槽内（可借鉴常规水电大轴稳定的方式）。
第二联轴法兰——连接中段轴与上段轴（方便机组检修时的分解拆卸）。
上段轴——包含了变速器和发电机室内的上段轴轴承稳定结构。
变速器——设计借鉴风电变速器（视河道水流速度特征选择有极或无极变速——目的是保证电能频率）。
定、转子部分——设计借鉴常规水电设计。
机组电气及辅助设备均可借鉴常规水电设计。
图5 设计思路图
3.4机组发电条件
1）电站所处江河河道内水量较为充足，要求多年平均流速在2.5m/s以上。可选择江河如长江宜宾至宜昌段、汉江、黄河中游段、大渡河、雅砻江等。
2）借鉴常规水电机组及风电机组设计（4000KW～6000KW单机）重量，本设计电站机组单机容量初定为5000KW，重量预计在50吨左右，要求机组承水机构有足够的承水能力（合适的设计尺寸）保证机组在克服机组各稳定结构阻力及机组自身转动惯量消耗的能量后，仍有相对充足的能量用以发电。
3）机组变速器设计和选择必须遵循：在机组设计完成后，能够保证机组发电的频率，并具有使发电机转速始终保持在一个转动速度。
4）机组过流段“川”型设计，要求能在一定程度上增大机组承水机构所在位置的水流速度，以保证机组获得相当充分的能量
3.5设计思路（图）阐述
4 设计意义
本设计将为河道无坝式电站开发提供一种新思路，将最大限度利用河道水能充分发电，同时解决常规水电对江河河道利用不足1%的问题；该类电站投资相对较小，年利用小时数相对较高，在水流较为稳定的河道内年发电小时数6500h左右，电能提供能力强；设计机组虽然单机容量较小，但电站总装机容量预计可达5万～6万KW，加之其年利用小时数大，其实际年发电量预计可达3亿度，其经济效益相当可观；该类电站具有相当强的可复制性，只要河道有足够的空间、充足的流量、稳定的流速，可在同一江河河段上相间一定距离建设成百上千个电站，其意义不言而喻。
长江宜宾到宜昌段（川江）河道多呈“U”型，最适合该设计电站的建设。川江全长1074公里，川江流量较大，流速较为稳定，沿江河段有129个城镇，人口密集处河道均较为宽阔，按照电站选址原则符合建设的“三要求”，一百处复制性建设百座电站，川江段将新增500万～600万KW水电装机，将增加300亿度电能。
5 结束语
随着科技的发展，水电站"无人值班 少人值守"的现代化管理模式也将不断完善，并在不久的将来得以普及。这一理念对该电站投产运行也将有一定的深远意义，由于其可复制性，这样一个数量巨大的电站集群就如同一个电站，或者说是一台机组，对其进行远程调度、控制管理也将更为简单方便。
参考文献：
[1]蒋明刚.大江大河无坝式大功率发电系统[P].中国专利：CN102691282A，2012-09-26.
论文作者:王永业,叶祥友,刘羚,成传诗,叶文波
论文发表刊物:《电力设备》2017年第14期
论文发表时间:2017/9/5
标签：机组论文; 河道论文; 电站论文; 水电论文; 水流论文; 装机论文; 流速论文; 《电力设备》2017年第14期论文;