淺談燈泡貫流式機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性分析

郭鵬

摘 要：我國水資源豐富，水力發(fā)電項(xiàng)目遍布各地，燈泡貫流式以經(jīng)濟(jì)、技術(shù)優(yōu)勢而被廣泛應(yīng)用。該文致力于全面詳細(xì)的分析燈泡貫流式機(jī)組的靜態(tài)控制與動(dòng)態(tài)控制的穩(wěn)定性，首先對其技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行分析介紹，后分別對機(jī)組的靜態(tài)控制、動(dòng)態(tài)控制時(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。最后對全文進(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵詞：燈泡貫流式 靜態(tài)控制 動(dòng)態(tài)控制 穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TV734 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）09（c）-0065-01

目前燈泡貫流式機(jī)組已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各類水力發(fā)電項(xiàng)目，較常見的有大中型機(jī)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(jī)上游，且導(dǎo)水機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為錐形結(jié)構(gòu)。水輪機(jī)軸與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子相耦合，且其由兩個(gè)導(dǎo)軸來支撐。但是這類機(jī)組的轉(zhuǎn)速比較低，大型機(jī)組的轉(zhuǎn)速常委70～120 r/min。但是構(gòu)件生產(chǎn)與運(yùn)輸則是其應(yīng)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(jī)組的靜態(tài)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性進(jìn)性分析，并介紹其技術(shù)優(yōu)勢。

1 燈泡貫流式機(jī)組的技術(shù)優(yōu)勢

相比于傳統(tǒng)的立式軸流式相比較，技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢都非常明顯，且能夠節(jié)約建設(shè)成本，空蝕性小、運(yùn)行穩(wěn)定，且能夠提升發(fā)電效率。其具體優(yōu)勢為如下幾方面。

1.1 合理的流到形式

燈泡貫流式機(jī)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(jìn)口斷面設(shè)計(jì)成矩形，但是在與燈泡體相接近的附近慢慢過程成圓環(huán)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(diǎn)，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(shù)高

燈泡貫流式機(jī)組采用了臥室設(shè)計(jì)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(jìn)行了彌補(bǔ)，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(nèi)，單位轉(zhuǎn)速高出約10%。

1.3 整機(jī)重量輕、體積小

與軸流式相比，燈泡貫流式機(jī)組不但能量指標(biāo)相對較高，還具備體積小、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。在相同的水頭和轉(zhuǎn)輪直徑下的輸出能力比軸流式要高約30%，單機(jī)容量與水頭相同時(shí)，轉(zhuǎn)輪直徑也較軸流式機(jī)組小，從而達(dá)到重量輕、體積小的目的。

1.4 適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高

燈泡貫流式機(jī)組協(xié)調(diào)性較好，這是因?yàn)榱鞯缹ΨQ且結(jié)構(gòu)剛性較大，使機(jī)組振動(dòng)較小而穩(wěn)定性較大。適應(yīng)性較強(qiáng)、能在4～25 m的范圍間使用，高效可靠。同時(shí)，其效率比較高，當(dāng)發(fā)電量與軸流式等同時(shí)，則經(jīng)濟(jì)性比軸流式高。

2 靜態(tài)穩(wěn)定性研究

靜態(tài)運(yùn)行狀態(tài)下，燈泡貫流式機(jī)組效率很高，運(yùn)行狀態(tài)良好，相同水利情況下，相比于軸流式機(jī)組，具有明顯的穩(wěn)定性優(yōu)勢。

（1）轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，機(jī)組能根據(jù)系統(tǒng)的條件改變而快速響應(yīng)，速動(dòng)性和靈敏性好。

（2）對水頭具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，能達(dá)到4～25 m，同時(shí)其良好的結(jié)構(gòu)與雙重調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，具備更高的適應(yīng)性，在徑流式水電站中具有較好的效果，能夠突出其運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（3）水能回收的效果較好，實(shí)踐表明此類機(jī)組的臥式布置能夠平順?biāo)?，擴(kuò)大型尾水管則能有效降低水流損失，增大水能利用率。

（4）機(jī)組穩(wěn)定性高、振動(dòng)小。流道的對稱布置，使輪葉與導(dǎo)葉間的協(xié)聯(lián)區(qū)域增大，從而使導(dǎo)葉開度和水頭能達(dá)到最佳配合，并協(xié)聯(lián)運(yùn)行。同時(shí)，導(dǎo)葉進(jìn)水處不會(huì)受到其他任何沖擊，出口為略帶正環(huán)量或者法向方向，水流狀態(tài)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(jī)的水力沖擊振動(dòng)，使機(jī)組抗震性增強(qiáng)。

3 動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性研究

3.1 動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程振動(dòng)大

燈泡貫流式機(jī)組的臥式設(shè)計(jì)形式，支撐結(jié)構(gòu)為管形座，上游側(cè)法蘭和發(fā)電機(jī)定子連接，下游側(cè)法蘭和水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)連接。管形座就像一個(gè)支點(diǎn)，為上下兩支柱結(jié)構(gòu)，下支柱和埋進(jìn)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(jī)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(chǎn)工況時(shí)產(chǎn)生的電磁力、機(jī)械扭矩、正反兩向的水推力等使機(jī)組受力復(fù)雜。若長時(shí)間出現(xiàn)水力失衡，將增大系統(tǒng)擾動(dòng)，引起較大的機(jī)組振動(dòng)和水力振動(dòng)。

3.2 過渡穩(wěn)定性較差

機(jī)組的運(yùn)動(dòng)模型可以通過運(yùn)動(dòng)方程來描述，與剛體圍繞固定軸而旋轉(zhuǎn)的方程類似。有關(guān)參數(shù)為發(fā)電機(jī)阻力力矩、水輪機(jī)動(dòng)力力矩、轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等。轉(zhuǎn)動(dòng)慣量常常比較小，僅為立式機(jī)組的約30%～50%，因而若機(jī)械阻力出現(xiàn)變化，將直接影響到轉(zhuǎn)動(dòng)角的加速度，也就是不同機(jī)組在同一外部擾動(dòng)作用下，貫流式的機(jī)組中轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，因而調(diào)整變量較大，進(jìn)而導(dǎo)致較差的過渡穩(wěn)定性。

水力特征參數(shù)中可以看出水流慣性常數(shù)為水輪機(jī)的主動(dòng)力矩的變化出現(xiàn)慣性的原因，也為引起系統(tǒng)不穩(wěn)定的最主要因素。這是因?yàn)閿嗝媪魉俸退鞯膽T性常數(shù)成正比的關(guān)系，同時(shí)貫流式的機(jī)組常應(yīng)用于大流量、低水頭的水電站，引流量較大，使水利系統(tǒng)慣性系數(shù)大，從而在機(jī)組進(jìn)行大波動(dòng)過渡過程和動(dòng)態(tài)負(fù)荷的調(diào)節(jié)過程中穩(wěn)定性較差的情況。

3.3 系統(tǒng)易發(fā)生協(xié)聯(lián)振動(dòng)

協(xié)聯(lián)狀態(tài)時(shí)貫流式的機(jī)組在靜態(tài)運(yùn)行下穩(wěn)定性良好，但是在系統(tǒng)響應(yīng)出現(xiàn)變化或出現(xiàn)不穩(wěn)定的協(xié)聯(lián)過程時(shí)，輪葉、導(dǎo)葉存在相對運(yùn)動(dòng)（非協(xié)聯(lián)狀態(tài)時(shí)），系統(tǒng)則存在明顯振動(dòng)現(xiàn)象。燈泡貫流式的機(jī)組常設(shè)有輪葉、導(dǎo)葉的雙重結(jié)果，以調(diào)節(jié)運(yùn)行狀態(tài)，然而機(jī)組的引流量較大，將增加輪葉、導(dǎo)葉開度范圍，而輪葉、導(dǎo)葉全關(guān)或全開的時(shí)間設(shè)置不同，導(dǎo)葉就需根據(jù)預(yù)期調(diào)節(jié)目標(biāo)來及時(shí)發(fā)生響應(yīng)并操作，操作速度非?？?。而輪葉隨著導(dǎo)葉萊調(diào)節(jié)，速度相對較慢，比導(dǎo)葉慢3～6倍，輪葉響應(yīng)存在的延時(shí)使機(jī)組穩(wěn)定性差。非協(xié)聯(lián)狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程較長，使輪葉振動(dòng)帶起整個(gè)機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)，因此在非協(xié)聯(lián)操作時(shí)機(jī)組易出現(xiàn)振動(dòng)并且持續(xù)振動(dòng)的時(shí)間較長。

4 結(jié)語

總之，燈泡貫流式機(jī)組具有較好的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，而動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性則較差，此時(shí)機(jī)組在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)易出現(xiàn)較大且持續(xù)時(shí)間較長的振動(dòng)。因此在機(jī)組操作中，應(yīng)盡可能少的進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以避免不當(dāng)?shù)某掷m(xù)負(fù)荷調(diào)節(jié)，進(jìn)而避免動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)過程中的長時(shí)間持續(xù)振動(dòng)。在操作中應(yīng)盡可能根據(jù)技術(shù)規(guī)范和管理規(guī)程來操作。

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