1、灯泡贯流式机组运行稳定性分析【摘要】本文作者围绕着灯泡贯流式机组运行稳定性相关问题，首先介绍了灯泡贯流式机组的技术优势，其次从静态稳定性和动态稳定性两个方面具体分析了灯泡贯流式机组运行稳定性问题，希望对同行们做好工作起到一点借鉴意义。 【关键词】灯泡贯流式机组；运行；稳定性 中图分类号：TU3 文献标识码： A 文章编号： 引言 随着电力市场的发展和自动发电控制(AGC) 在电网的逐渐推行,机组的运行环境发生了很大变化, 以负荷、频率控制为手段的 AGC 控制是根据系统负荷“差值”进行调节, 因系统负荷总在不断地变化, AGC 的调节将不断进行, 所以发电厂投入 AGC 后, 机组运行时“调节
2、过程”所占的时间将大于“非调节”的时间, 机组运行工况大部分由原固有的静态运行转换为动态运行, 动态调节成为发电机组的常有工况, 这对于贯流式机组以往的运行方式是一个巨大的转变。 笔者认为灯泡贯流机组的稳定性应从两个方面来分析: 一为静态运行工况, 即水力流态正常且机组负荷稳定 , 此时机组性能好, 效率高; 二为动态运行工况, 即水力流态不稳定或机组作动态负荷调节, 此时机组稳定性相对较差。多年来人们认为贯流机组性能好, 是因为机组在电网中一直带基荷运行, 即使机组作负荷调节, 也是少量的调节, 短时间产生的振动或不稳定通常被忽略。 1 灯泡贯流式机组的技术优势 1.1 流道形式合理 灯泡贯
3、流式机组从结构上取消了平面上拐弯较大的蜗壳型结构和立面上拐弯的肘型尾水管，选择采用了直轴式引水室与圆锥式尾水管，其中，直轴式引水室进口断面为矩形，在接近灯泡体处逐渐过渡为圆环断面；圆锥式尾水管由圆形断面逐渐变为矩形断面。由于流道的对称平直性，避免了水流拐弯后形成的流速不均匀，改变了流态的情况，水力损失较小。 1.2 能量参数高且效率高 由于灯泡贯流式机组的卧式设计和布置，保证了水流的平顺，同时，因其采用直锥扩大性尾水管，减少了尾水管对水流的损失度，弥补了水头低的不足，使单位流量比轴流式机组增加了近 40%，在相同的单位流量内，效率高出轴流式机组 3%，而在同一个水头段内，单位转速比轴流机组高出
4、 10%，因此灯泡贯流式机组产生的参数指标较大且效率高于轴流式机组。 1.3 整机小，重量轻 灯泡贯流式机组的能量指标较高，同时其结构紧凑、体积小。与轴流式机组相比，在相同的转轮直径和水头下输出的能力要高 30%，当水头和单机容量相同时，灯泡贯流式机组的转轮直径比轴流式机组的转轮小，也可减轻重量，因此其整机的体积小且重量轻。 1.4 性能稳定，适应性强 灯泡贯流式机组的效率较高，其加权评价效率要高出轴流式机组，因此每年的发电量要高于同等条件的轴流机组，经济性高于轴流机组。同时，灯泡贯流式机组的转轮与导叶的协调性要好于轴流式机组，结构刚性大且流道对称，机组的稳定性好，振动相对小。 如前所述，灯泡
5、贯流式机组空蚀轻微，降低了检修工作的强度，并且其适应性强，可以在 425 m 范围内使用，可靠高效。 2 灯泡贯流式机组的静态稳定性研究 贯流机组在静态运行时, 机组效率高, 运行性能良好, 与相同水力条件下的立式机组相比, 运用中具有较明显的优势: (1) 机组转动惯量小。在并入大网运行时, 机组能快速响应系统的变化, 灵敏性、速动性较好。 (2) 机组适应水头变化范围大。贯流机组一般适用水头范围可达 325 m, 由于自身结构特点和双重调节的优势, 能够较好地适应径流式水电站较大的水位起落。 (3) 机组的运行效率高。由于贯流机组为卧式布置, 水流平顺, 且因采用直锥扩大形尾水管, 减少了
6、尾水管的水头损失, 提高了水能回收系数。 (4) 机组振动小, 运行稳定。贯流机组由于其流道布置采用了水力全对称型式, 且导叶、轮叶协联区域广, 能够在有效水头和导叶开度全范围内保持较好的协联运行, 在协联工况下导叶进口水流无撞击、出口为法向或略带正环量, 不仅可保持良好的水流流态, 使水轮机水力损失小、效率高, 而且也不会产生混流式或轴流式水轮机因偏离最优工况而形成的偏心低频涡带, 因而减少了产生水力振动的因素, 机组振动特性和机组稳定性较好。 3 灯泡贯流式机组的动态稳定性研究 3.1 过渡稳定性差 水轮发电机组的运行方式可以利用运动方程进行描述，其仿效刚体绕固定轴旋转的微分方程。其中相关
7、的参数为转动部分的运动惯量、机组转动的角加速度、水轮机的动力力矩、发电机的阻力力矩。因为贯流式机组转动惯量较小，通常为立式机组的 30%50%，因此在外部机械的阻力发生改变时，将直接对机组的转动角加速度造成影响，即不同种类的机组受到同一个外部扰动时，贯流式机组的转动惯量偏小，而调整的变量要比其他机组大，是导致其过渡稳定性差的原因。 从水力特征的参数看，机组水流惯性的常数是水轮机主动力距变化存在惯性的主要原因，也是造成系统不稳定的主要因素。因为水流惯性常数与机组断面流速即流量成正比关系，而贯流式机组一般都应用在低水头、大流量的水电站上，形成的引流量大，所以水力系统的惯性系数较大，导致了机组在动态
8、负荷调节或者对大波动的过渡过程中水力惯性系数较大、稳定性差的情况。 3.2 动态调节中振动较大 灯泡贯流式机组的设计形式为卧式，管形座是机组主要的支撑结构，其上游侧法兰与发电机的定子相连接，下游侧法兰则与水轮机的导水机构相连接；管形座在整个灯泡机组结构中相当于一个支点。其结构一般设计有上下 2 个支柱，连接上下侧混凝土作为主要的支撑件，下支柱与埋入流道的混凝土基础相连接，此支柱几乎承载着灯泡体传来的所有的垂直载荷。机组转动的部件为发电机转子、水轮机转轮等，通过安装在管形座内的环的组合轴承、上下支柱传递到混凝土基础上。此种设计结构与立式机组相比明显存在薄弱之处：因为其整体“悬浮”在过流水道上，灯
9、泡体受到水的浮力、冲力及水锤、漩涡等流水产生的压力，并且在不同的生产工况下还会产生机械扭矩、电磁力、正向反向的水推力作用，由此可见，整个机组受到的力较为复杂；而从前面的支撑结构看，机组在运行中如果发生了长时间的水力不平衡，将会造成对系统的扰动，形成较大的水力振动和机组振动。 因此在发电过程中，灯泡贯流式机组在运行中，一旦遇到水力改变或者生产工况调节，就会引起整个机组振动，以此分析结果显示，其动态调节的振动较大。 3.3 系统容易产生协联振动 在对灯泡贯流式机组的运行稳定性进行研究时，发现其在协联状态下进行静态运行的稳定性较好，但是在响应系统发生变化时或者在协联过程中就会出现不稳定的情况，当导叶
10、、轮叶作相对运动，处于非协联状态的时候，系统则出现较为明显的振动，这与机组在生产中的调节过程有直接的关系。 灯泡贯流式机组一般设置有导叶、轮叶双重结构负责对其运行状态进行调节，因为机组引用流量大，所以导叶、轮叶的开度范围就会增加，机组设计的过程中为了满足调节的需要，导叶、轮叶全开或者全关的时间设置是完全不同的，对于导叶要求达到的调节目标是及时响应和操作到位，其操作的速度较快；而轮叶是跟随导叶进行调节的，其跟随的速度相对较慢，通常设置的操作时间为导叶比轮叶动作快 36 倍，所以在机组响应系统工况改变时，导叶可以及时动作，而轮叶需要一段延时才能到位，因此稳定性较差。在系统的整个操作过程中，负荷的变
11、化周期越长，则系统需要调整的时间就越长；整个过程中系统达到稳定的状态所需要的时间就越长，造成系统在振动的环境中运转的时间也就越长。非协联工况运行的时间在此情况下需要一段时间，这时机组轮叶的振动就会带动整个机组产生振动，所以整个机组在非协联操作的过程中就极易产生振动且持续时间较长。 结束语 在实际应用中，不难看出灯泡贯流式机组的静态稳定性较好而动态的稳定性较差，机组容易在调节中出现较大的振动。因此在整个操作过程中，应尽量避免进行频繁的动态调整。灯泡贯流式机组不应当作持续的负荷调节，应在运行的过程中尽量避免此种类型的机组进行长时间的运行，参与系统的动态化控制。同时在使用灯泡贯流式机组时应尽量按照管理规程和技术规范进行操作。 参考文献 1杨类琪.浅谈我国灯泡贯流式机组的发展J.人民珠江，2005（S1） 2刘宇华.灯泡贯流式水轮机水力振动的形成及其影响J.今日科苑，2008（8） 3梁洪波.灯泡贯流式水轮发电机组的选择J.甘肃水利水电技术，2007（3）
