淺談燈泡貫流式機組運行穩定性分析

郭鵬

摘 要：我國水資源豐富，水力發電項目遍布各地，燈泡貫流式以經濟、技術優勢而被廣泛應用。該文致力于全面詳細的分析燈泡貫流式機組的靜態控制與動態控制的穩定性，首先對其技術優勢進行分析介紹，后分別對機組的靜態控制、動態控制時的穩定性進行分析。最后對全文進行總結。

關鍵詞：燈泡貫流式 靜態控制 動態控制 穩定性

中圖分類號：TV734 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）09（c）-0065-01

目前燈泡貫流式機組已經廣泛應用于各類水力發電項目，較常見的有大中型機組，且過水流道常為傾斜或者軸向的。燈泡體常放置于水輪機上游，且導水機構設計為錐形結構。水輪機軸與發電機轉子相耦合，且其由兩個導軸來支撐。但是這類機組的轉速比較低，大型機組的轉速常委70～120 r/min。但是構件生產與運輸則是其應有的一大限制，也是唯一的限制。該文致力于分析燈泡貫流式機組的靜態動態穩定性進性分析，并介紹其技術優勢。

1 燈泡貫流式機組的技術優勢

相比于傳統的立式軸流式相比較，技術性和經濟性優勢都非常明顯，且能夠節約建設成本，空蝕性小、運行穩定，且能夠提升發電效率。其具體優勢為如下幾方面。

1.1 合理的流到形式

燈泡貫流式機組選擇了圓錐式的尾水管和直軸式的引水室，其引水室的進口斷面設計成矩形，但是在與燈泡體相接近的附近慢慢過程成圓環斷面，尾水管則相反，由圓形斷面慢慢過渡成矩形斷面。流道具備對稱平直的特點，改善了由于水流拐彎而引起的流速不均，減小了水力損失。

1.2 效率高、能量參數高

燈泡貫流式機組采用了臥室設計與布置，確保了水流平順，直錐式的尾水管降低了水流損失度，一定程度上對水頭低這一缺陷進行了彌補，相比軸流式，單位流量增加了約40%，效率高出3%，同一水頭段內，單位轉速高出約10%。

1.3 整機重量輕、體積小

與軸流式相比，燈泡貫流式機組不但能量指標相對較高，還具備體積小、結構緊湊的優點。在相同的水頭和轉輪直徑下的輸出能力比軸流式要高約30%，單機容量與水頭相同時，轉輪直徑也較軸流式機組小，從而達到重量輕、體積小的目的。

1.4 適應性強、穩定性高

燈泡貫流式機組協調性較好，這是因為流道對稱且結構剛性較大，使機組振動較小而穩定性較大。適應性較強、能在4～25 m的范圍間使用，高效可靠。同時，其效率比較高，當發電量與軸流式等同時，則經濟性比軸流式高。

2 靜態穩定性研究

靜態運行狀態下，燈泡貫流式機組效率很高，運行狀態良好，相同水利情況下，相比于軸流式機組，具有明顯的穩定性優勢。

（1）轉動慣量小，并網運行時，機組能根據系統的條件改變而快速響應，速動性和靈敏性好。

（2）對水頭具有較強的適應性，能達到4～25 m，同時其良好的結構與雙重調節的特點，具備更高的適應性，在徑流式水電站中具有較好的效果，能夠突出其運行的穩定性。

（3）水能回收的效果較好，實踐表明此類機組的臥式布置能夠平順水流，擴大型尾水管則能有效降低水流損失，增大水能利用率。

（4）機組穩定性高、振動小。流道的對稱布置，使輪葉與導葉間的協聯區域增大，從而使導葉開度和水頭能達到最佳配合，并協聯運行。同時，導葉進水處不會受到其他任何沖擊，出口為略帶正環量或者法向方向，水流狀態良好，從而降低水力損失、提升效率。工作中形成偏心的低頻渦帶，降低了水輪機的水力沖擊振動，使機組抗震性增強。

3 動態穩定性研究

3.1 動態調節過程振動大

燈泡貫流式機組的臥式設計形式，支撐結構為管形座，上游側法蘭和發電機定子連接，下游側法蘭和水輪機導水機構連接。管形座就像一個支點，為上下兩支柱結構，下支柱和埋進流道中的混泥土相連，幾乎承受著燈泡體的所有載荷。但是此類機組，整體常懸浮于過流水道之上，燈泡體易受水的沖擊力、浮力、漩渦和水錘等壓力的影響，且不同生產工況時產生的電磁力、機械扭矩、正反兩向的水推力等使機組受力復雜。若長時間出現水力失衡，將增大系統擾動，引起較大的機組振動和水力振動。

3.2 過渡穩定性較差

機組的運動模型可以通過運動方程來描述，與剛體圍繞固定軸而旋轉的方程類似。有關參數為發電機阻力力矩、水輪機動力力矩、轉動角加速度、轉動慣量等。轉動慣量常常比較小，僅為立式機組的約30%～50%，因而若機械阻力出現變化，將直接影響到轉動角的加速度，也就是不同機組在同一外部擾動作用下，貫流式的機組中轉動慣量較小，因而調整變量較大，進而導致較差的過渡穩定性。

水力特征參數中可以看出水流慣性常數為水輪機的主動力矩的變化出現慣性的原因，也為引起系統不穩定的最主要因素。這是因為斷面流速和水流的慣性常數成正比的關系，同時貫流式的機組常應用于大流量、低水頭的水電站，引流量較大，使水利系統慣性系數大，從而在機組進行大波動過渡過程和動態負荷的調節過程中穩定性較差的情況。

3.3 系統易發生協聯振動

協聯狀態時貫流式的機組在靜態運行下穩定性良好，但是在系統響應出現變化或出現不穩定的協聯過程時，輪葉、導葉存在相對運動（非協聯狀態時），系統則存在明顯振動現象。燈泡貫流式的機組常設有輪葉、導葉的雙重結果，以調節運行狀態，然而機組的引流量較大，將增加輪葉、導葉開度范圍，而輪葉、導葉全關或全開的時間設置不同，導葉就需根據預期調節目標來及時發生響應并操作，操作速度非常快。而輪葉隨著導葉萊調節，速度相對較慢，比導葉慢3～6倍，輪葉響應存在的延時使機組穩定性差。非協聯狀態時系統的調節過程較長，使輪葉振動帶起整個機組出現振動，因此在非協聯操作時機組易出現振動并且持續振動的時間較長。

4 結語

總之，燈泡貫流式機組具有較好的動態穩定性，而動態穩定性則較差，此時機組在動態調節時易出現較大且持續時間較長的振動。因此在機組操作中，應盡可能少的進行動態調整，以避免不當的持續負荷調節，進而避免動態調節過程中的長時間持續振動。在操作中應盡可能根據技術規范和管理規程來操作。

參考文獻

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