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混流式水轮机；稳定性；装机容；水电站 摘要:当前电力系统希看水电站能以较高的保证率发足装机容，也就是要求较低的额定水头；但从混流式水轮机稳定的要求动身，希看额定水头、设计水头都不能低于Hmax／1.1，怎样才能既知足电力系统的要求又能使水轮机稳定运行呢。建议接纳提高额定水头，增加机组台数或加年夜单机容的方式来协调解决。 混流式水轮机运行存在的不稳定现象是其自己的固有特征，早期由于水轮机的容较小，转轮直径相对较小，不稳定现象尚不突出，一般接纳避开不稳定区运行来解决。近10多年来，随着岩滩、五强溪、小浪底等年夜容、年夜直径水轮机，和上已在运行的水头变幅年夜的年夜型混流式水机电组的相继投产，都水平分歧的存在水力振动年夜和转轮叶片泛起裂纹问题，只能避开振动区运行或停机检修，给电站造成庞大的经济损失。 混流式水轮机运行不稳定性的水平与其运行水头偏离设计水头(效率高的水头)的幅度有关，幅度越年夜，振动也越年夜。额定水头(发足额定出力的低水头)既关系着电站的装机容又关系着电站在电力系统中应承当的预想出力(在一定水头下)，在肯定的装机容下(即一定的额定出力下)，额定水头高了，预想出力会减小(受阻容增年夜)，额定水头低了，预想出力会增年夜(受阻容减小)。从机组运行稳定性动身，额定水头应适当提高，靠近设计水头，预想出力必然削减；相反从保证电站的预想出力动身，额定水头要适当下降，增年夜预想出力，从而泛起了稳定性与预想出力之间的矛盾，焦点是解决好额定水头的选定及其随之引发的问题。 1额定水头选择对运行稳定性的影响 很多水电站，由于各类缘由，额定水头定得较低，如为了在洪水期泄洪，下降水位运行时多发电，或为了削减受阻容，要求在尽多的时间里发足额定出力等。 由于混流式水轮机固有因水头、出力的变化对其效率、空蚀、稳定性等会发生一定影响的特征，非凡是随着一些年夜型水轮机的投运，水轮机的稳定性问题日益表露出来，在水轮性能、空化、稳定三年夜性能中，运行稳定性据有更为重要的地位，由于不能稳定运行的机组，再高的能指标也是没法体现的。由于稳定性差，水轮机往往在远未发生空蚀损坏之前就会因压力脉动等不稳定身分致使叶片开裂，止漏环脱落，尾水管里衬漏水，轴承支持件松动等现象，严重时甚至没法并进电网运行，简直有“稳定是压服一切的”感受，是以，现今许多年夜型混流式水轮机的选择都留心定性放在首位。 凭据年夜大都混流式水轮机运行情况统计，其运行不稳定现象主要发生在年夜约1.1倍设计水头H0以上的水头和小于年夜约0.85倍流Q0(效率高的流)的出力。凭据混流式水轮机运行特征要求，其设计水头H0好不低于Hmax／1.1，额定水头Hr好不低于Hmax／1.155，这样高的设计水头必然影响电站在较低水头时的发电效益，而这样高的额定水头又直接增加了电站的受阻容，影响系统的电力电平衡。 对于要留出较年夜防洪库容的水电工程总是在低水头时泄洪，提高额定水头后低水头泄洪时的出力必然削减，从而使年电削减，丢失了季节性电能，泛起了一面泄洪，一面又发不出装机容的现象，使稳定和效益形成了尖锐的矛盾。[b] 2提高运行稳定性的措施[/b] 年夜型水轮发机电组经常需在电力系统中承当调频调峰使命，要求有较好的稳定性，但国内外许多年夜型水轮机都水平分歧的存在稳定问题，虽然浮现形式各不不异，但就水力身分而言，年夜致有以下一些配合的特点： (1)水头变幅小的水电站机组运行较稳定。我国水电站的年夜水头和小水头之比除个体水电站较小(盐锅峡水电站为1.07，生成桥二级水电站为1.17)外，尽年夜大都的水电站均在1.4以上，有的高达1.85(三峡水电站)，甚至跨越2(岩滩水电站为2.086，丹江口水电站为2.26，潘家口水电站为2.36)，是以对我国水电站水轮机参数的选择应非分特别重视稳定问题。 (2)水轮机在无涡区运行。现实运行反映，水轮机在工况点和无涡区运行，一般都是很稳定的，是以，水轮机的参数应按使重要的运行区和经常的运行区处于工况点和无涡区的要求来选择。 (3)稳定运行的水头范围。对年夜大都电站的统计和分析讲明，当运行水头H在水轮机设计水头H0的下述范围内是比力稳定的：(0.6～0.65)H0≤H≤(1.1～1.15)H0，运行水头H偏离H0越小越稳定。太低的水头会引发叶片进口边正面脱流空化涡带，太高的水头会引发叶片进口边后背脱流空化涡带和叶道涡，后者更为严重，是以对于巨型水轮机的运行水头H好不跨越1.1H0，即Hmax≤1.1H0。 (4)合理的运行范围。凭据国内外许多学者的研究分析和模子实验和原型观察发现，在流 为单元流)的82四周会泛起高部门负荷水压脉动(即非凡水压脉动)年夜值(水力设计得好也可能不较着)，73四周会泛起叶道涡，60四周会泛起尾水管涡带的年夜值。固然各类压力脉动的强度、位置和散布状态，分歧的水轮机是不完全不异的。并和转轮的水力设计有关，以上只是一般的纪律。值得注重的是：在年夜流区泛起叶片进口边正面脱流空化涡带和较强的尾水管涡带是在常规的水轮机出力限制线之外，是以我们应当把水轮机的主要运行区放置在 (Q′1r为水轮机额定单元流)范围之内。 (5)水轮机额定水头年夜于或等于设计水头。为了使水轮机在高水头运行时有尽年夜的稳定出力调整范围，好使水轮机额定水头Hr≥H0，至少1.05Hr≥H0。 (6)水轮机的水力稳定与吸出高度有关。吸出高度小(即安装高程低)运行较稳定，应经由过程模子实验获得合适的电站空化系数范围，以避开过年夜的压力脉动。 (7)带副叶片的转轮对水轮机稳定有益，x型叶片对稳定也有些作用，但D2／D1不宜年夜，一般宜小于1。 (8)轴心补气能下降涡带压力脉动，但补气、补气位置、补气阀及补气系统要设计好。 (9)适当增加尾水管高度h(例如h≥3D1)，能下降压力脉动的影响。 (10)避开振动区。运行中避开振动区，采用计较机按水轮机稳定运行特征分配负荷，可以使机组经常在稳定区运行。 (11)避免共振。在水电站设计中，注重使机组、厂房、引水系统的自振频率远离各类水压脉动的频率，避免共振。 (12)提高水轮机顶盖、座环、主轴等主要部件的刚度、强度。 (13)提高机组制造、安装，消除机械、电气振动身分，改善转轮结构，下降疲钝应力。 转轮的水力设计是水轮机运行稳定的要害，应当针对每一个年夜型水电站的水力条件进行转轮的水力设计，不仅要求水力效率高，更要求高效区要宽；限制工况单元流 之比宜年夜于1.25，好达1.4或更年夜；无涡区要宽，压力脉动值要低，叶片进口边正、后背脱流空化涡带及叶道涡限制线形成的包围区要宽。要周全到达这些要求是很难的，只能凭据水电站的特点往要求。[b] 3选择好设计水头和额定水头[/b] 在水电站设计阶段准确选择H0、Hr是水轮机稳定性工作的步，也是打根蒂根基的一步。曩昔为了获得更高的效益，都要求水轮机设计水头H0等于电站的电能加权平均水头，近年来则是凭据电能加权因子计较出高的电能加权平均效率，以肯定水轮机的工作位置和设计水头。从稳定性的要求动身应取H0=Hmax／(1.1～1.15)，对于转轮直径跨越6m的水轮机应更严酷些，希看H0=Hmax／1.1，而额定水头Hr好等于或年夜于H0，至少不小于H0／1.05，这现实上要求额定水头应年夜于0.86Hmax，这必然和电站的发电效益发生矛盾。对于泄洪水位较低的电站，提高额定水头就削减了年电，对于泄洪水位较高的年夜水库电站，虽纷歧定会削减年电，但增加了电站枯水期的受阻容，削减了机组的调峰能力，假设用弥补火电装机容和火电电来知足系统的电力电平衡将是很不经济的。[b] 4提高额水头与容受阻问题[/b] 怎样才能妥帖的解决机组稳定和容受阻或发电削减的矛盾呢我们认为，在提高额定水头的同时增加装机容将是值得研究采用的法子。方式是单机容不变，额定水头提高，增加机组台数，并使在原额定水头下的机组总出力基本等于原装机容，这样，改变后的机组尺寸、重变小，设计、制造、运输、安装难度有所下降，但台数增加，工程要增加，投资亦有所增加。这方案机组台数增加不多，整体安插上的坚苦不会太年夜，对于额定水头增加较多的电站比力适用。方式之二是随着额定水头的提高，增年夜单机容，台数不变，装机容也随之增加，并使在原额定水头下的单机出力仍等于原额定出力。这样改变后的水轮机尺寸、重增加不多，发机电尺寸、重会有较着增加，总的设计、制造、运输、安装的难度会有所增加，由于台数不变，工程增加不多，投资增加也较少，这方案对于机组容、尺寸增加不算很年夜，技术上比力有掌控，对于额定水头增加不多的电站比力适用。这两种方式的配合特点都是增加装机容，在原额定水头下的电站总出力基本不变，跨越原额定水头时，电站的总出力将增加，从而提高了电站的调峰能力，对于在高水位下泄洪的电站还能增加年电，无疑都增加了电站的效益，也都增加了投资，但这比弥补火电装机容和火电电需要的费用廉价得多。[b] 5设计实例[/b] 以某水电站为例，该电站是一座水头高、水头变幅年夜(87m)，在系统中担负调频、调峰和事故备用的电站。该水电站原可行性研究功效为：年夜水头251m，加权平均水头224.14m，小水头164m，选用6台额定出力为700MW的水轮发机电组，总装机容4200MW，水轮机的额定水头为204m，额定转速为142.86r／min。此功效能够知足在173.5m水头下发出3204MW(即单机534MW)预想出力的要求，但因额定水头偏离设计水头和年夜水头较远，对水轮机稳定运行晦气，为了兼顾两者，现将额定水头提高至228m(215／1.1-228m)，并对增加机组台数和增加单机容的两种方式和原可行性研究功效比力如表1。 上述3个方案水轮机的比转速及有关参数是分歧的，为了破除分歧性能的模子对比力的影响，计较中采用统一个综合特征曲线，但纵座标为[img]/scjs/UploadFiles_5017/200710/20071009170810274.jpg[/img] ，横座标为[img]/scjs/UploadFiles_5017/200710/20071009170810838.jpg[/img] 转轮的限制单元流[img]/scjs/UploadFiles_5017/200710/20071009170810510.jpg[/img] 和单元流[img]/scjs/UploadFiles_5017/200710/20071009170810302.jpg[/img] 之比均为1.3。水轮机稳定运行小出力按流[img]/scjs/UploadFiles_5017/200710/20071009170810820.jpg[/img] 肯定，年夜出力凭据水轮机出力限制线和发机电额定出力肯定。 为了更直观，在综合特征曲线图上以阴影范围暗示稳定运行区。图1为Hr=204m方案的稳定运行区(其中H＞1.1H0为246.6m，即设想线以下范围能否稳定运行尚无掌控)，图2为Hr=228m方案的稳定运行区。两图中阴影较深的范围对应的H为220～251m，约占全年60的时间和65的电，是要求机组有秀调峰调频性能的主要运行范围，显然Hr=228m的稳定范围比Hr=204m的年夜得多。 从表1可知，增加台数的方案，机组、厂房、引水系统的投资增加约2.2亿元，装机容增至4900MW，技术难度有所下降，机组稳定范围增加，高水头的稳定调理功率约175MW，比原方案77MW增加2.27倍，预计能在164～251m水头范围内稳定运行(原方案估只能在164～246.6m水头范围内稳定运行)，但主厂房和进水口前沿长度增加20m左右，安插上需进一步研究。增年夜单机容的方案，机组、厂房、引水系统的投资增加约1.4亿元，装机容增至5030MW，但机组的技术难度和运输难度均有所增加，需深进研究其可行性，机组稳定范围更有所增年夜，高水头的稳定调理功率约210MW，较原方案增加2.72倍，预计能在164～251m范围稳定运行，主厂房和进水口前沿长度不增加，安插上无坚苦。两种方式增加装机容后电站的年哄骗小时仍在3800h以上，其实不算低，蓬勃国家水电站的年哄骗小时仅1000～2000h。 今朝国内随着系统容的增年夜，峰谷差不竭增加，为了充实阐扬水机电组调理性能好的特点，许多新老迈型水电站，非凡有年夜库容的水电站都在增容扩机增年夜调峰容和备用容，据不完全统计，年夜型水电站增容情况如表2。 增容的单元千瓦投资平均约为2000元／kW，是比力廉价的，但发电多年后再扩机远比初建时就增容麻烦得多，也贵得多，假设在初建时就适当增加装机容肯定投资少，工程处置简单，尤其是年夜型地下水电站更应增加容，一次建成。 假设该水电站将额定水头提高到228m，装机容不变，机组稳定运行范围年夜了，但受阻容增加695MW，用火电装机抵偿，需增加投资31.3亿元。是以采用提高额定水头增加装机容的法子改善机组的稳定性，同时又能增加电站的调峰能力和备用容，知足系统峰谷差日益增年夜的要求，投资增加很少，是很有益的
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