中小型水電站低壓水輪機(jī)運(yùn)行優(yōu)化的探討

摘要：為了研究影響中小型水電站水輪機(jī)優(yōu)化選型的主要因素，改善小型水電站的運(yùn)行條件根據(jù)中小型水電站的特點(diǎn)，結(jié)合我市實(shí)際，來談?wù)勊娬镜蛪簷C(jī)組的設(shè)備改造及運(yùn)行優(yōu)化情況。

關(guān)鍵詞：中小型水電站低壓水輪機(jī)優(yōu)化改造

0引言

我國水電資源蘊(yùn)藏豐富，可經(jīng)濟(jì)開發(fā)的水電資源達(dá)3.7億kW，裝機(jī)容量小于300MW的中小水電約占到可經(jīng)濟(jì)開發(fā)資源量的50％。改革開放以來，隨著經(jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展對電力日益增長的需求，我國電力工業(yè)獲得快速發(fā)展，水電建設(shè)如火如荼。一些地方中小水電特別是農(nóng)村水電甚至成為當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的支柱，以電代燃料成為維持生態(tài)環(huán)境良性循環(huán)的保障。水輪機(jī)是水力發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備之一。水輪機(jī)特性的優(yōu)劣是影響水電站經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要因素。水輪機(jī)的選型是根據(jù)電站的水文、水能等基礎(chǔ)資料，結(jié)合工程總體布置和水輪機(jī)的水力特性、結(jié)構(gòu)、材料及制造工藝等問題，按照技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的原則，選擇和確定水輪機(jī)的技術(shù)參數(shù)。

1水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性與選型優(yōu)化

現(xiàn)代水輪發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量越來越大，最大單機(jī)出力已達(dá)852MW(長江三蛺)。水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性，因一些大型或巨型機(jī)組發(fā)生振動(dòng)造成損失而受到越來越普遍的重視。水輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性主要表現(xiàn)為水力振動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)，與水輪機(jī)能量特性和空化特性存在一定的相關(guān)性，中小型水電站的水輪機(jī)選型也應(yīng)重視穩(wěn)定性問題，應(yīng)將穩(wěn)定性作為重要的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能加以研究。應(yīng)從水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和部件的設(shè)計(jì)、機(jī)組的安裝等方面，并參考已運(yùn)行的類似電站的經(jīng)驗(yàn)，對可能出現(xiàn)的影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的水力、電氣和機(jī)械因素進(jìn)行分析、計(jì)算和預(yù)測，并選擇預(yù)防、控制和改善水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的措施。如在水力方面選擇無渦區(qū)較寬、水力脈動(dòng)較小的轉(zhuǎn)輪模型；選擇較高的水輪機(jī)設(shè)計(jì)水頭；水頭變幅較大的電站設(shè)置機(jī)組最大出力等。在水輪機(jī)過流部件結(jié)構(gòu)和流道方面，如轉(zhuǎn)輪采用奇數(shù)葉片數(shù)，采用×形葉型及長短葉片，采用較高的尾水管高度，并設(shè)置補(bǔ)氣裝置等。在機(jī)組及部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，要求供貨廠商做到機(jī)組及部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，并便于檢修：要求加強(qiáng)水輪發(fā)電機(jī)組整體及部件的剛度、保證水輪發(fā)電機(jī)定子適宜的剛度、柔度和強(qiáng)度：要求在工廠裝配和現(xiàn)場安裝中特別要保證可能引起振動(dòng)的關(guān)鍵部位的精度和安裝質(zhì)量。還要核算機(jī)組部件的自振頻率，在電站壓力鋼管設(shè)計(jì)時(shí)核算鋼管的自振頻率，避免發(fā)生共振。在電站運(yùn)行中盡可能優(yōu)化調(diào)度等；應(yīng)盡可能消除振源。同時(shí)，為便于對機(jī)組的運(yùn)行狀況進(jìn)行在線狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和報(bào)警。為機(jī)組的狀態(tài)檢修和電站的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供依據(jù)。另外為了更好使發(fā)電機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行，我們電站主要采取以下幾種方式來對發(fā)電機(jī)組進(jìn)行優(yōu)化改造：

1.1發(fā)電機(jī)勵(lì)磁裝置改造要使發(fā)電機(jī)安全和穩(wěn)定的運(yùn)行，發(fā)電機(jī)勵(lì)磁系統(tǒng)的性能是關(guān)鍵，我們現(xiàn)在基本上改用了可控雙繞組電抗分流式勵(lì)磁，此裝置在雙繞組電抗分流式的基礎(chǔ)上增加了可控硅分流的自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器，空載電壓調(diào)節(jié)范圍大，并網(wǎng)后運(yùn)行穩(wěn)定，無功功率調(diào)節(jié)方便。在主斷路器跳閘后不失磁，附繞組仍有殘壓。在電網(wǎng)停電時(shí)提供勵(lì)磁電源供給調(diào)速器，能迅速將機(jī)組關(guān)閉，省去了備用電源。

1-2水輪機(jī)調(diào)速裝置改造并網(wǎng)后小型水電站不能調(diào)頻，調(diào)速器僅作用于正常開、停機(jī)、調(diào)節(jié)正常有功負(fù)荷以及事故停機(jī)。所以普遍采用電、手動(dòng)操作器，其結(jié)構(gòu)簡單、投資省而又隨機(jī)配套，操作與維護(hù)簡單。如果需要有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，則可以配上STK-W-3微電腦控制器，就能達(dá)到單機(jī)自動(dòng)調(diào)頻，并網(wǎng)時(shí)按前池水位自動(dòng)調(diào)節(jié)有功功率、自動(dòng)并網(wǎng)合閘等功能。TC操作器是一種技術(shù)較先進(jìn)的新型調(diào)速器，除有電、手動(dòng)操作器的功能外，其特點(diǎn)是關(guān)閉時(shí)間可以調(diào)節(jié)，故障時(shí)無電源也能自動(dòng)關(guān)閉導(dǎo)水機(jī)構(gòu)；可根據(jù)電站實(shí)際，整定不同的調(diào)保時(shí)間值；同時(shí)可避免因木石卡塞和手動(dòng)關(guān)機(jī)過度損壞導(dǎo)水機(jī)構(gòu)問題。提高了機(jī)組運(yùn)行的安全性。再配上STK-W-3可達(dá)到自動(dòng)調(diào)節(jié)的目的，是一種值得推廣使用的調(diào)速裝置。

1.3主變的改造水電站的低壓機(jī)組通常是經(jīng)主變升壓后與10kV配電線路相連接或?qū)＞€直接接入某一變電站，80年代以前電站選用的都是型號為10±5％／04kV系列配電變壓器。由于電站地處偏遠(yuǎn)山區(qū)，線路長壓降大。發(fā)電機(jī)經(jīng)常需要在較高電壓下運(yùn)行，才能保證發(fā)送一定的無功負(fù)荷。有的電站電壓值高達(dá)440V及以上，其危害：一是在高壓下運(yùn)行使發(fā)電機(jī)、變壓器溫升提高、絕緣加速老化，絕緣薄弱環(huán)節(jié)容易擊穿：二是難以發(fā)足無功功率，并影響機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性；三是老型號變壓器能耗大，且運(yùn)行年久老化，常出現(xiàn)故障影響正常發(fā)電，需要及時(shí)更新、改造。主變訂貨時(shí)必須向生產(chǎn)廠家特別提出，主變的變比一定耍滿足0.4／11±5％kV的要求。選用這種變比的變壓器做主變，其輸出電壓要比采用普通配變做主變的輸出電壓高10％，所以可使發(fā)電機(jī)的運(yùn)行電壓降回到額定值，則發(fā)電機(jī)的運(yùn)行功率因數(shù)值也可恢復(fù)到額定值，既改善了發(fā)電機(jī)和主變的運(yùn)行條件，又可發(fā)足無功功率。

2信息技術(shù)用于水輪機(jī)參數(shù)選擇的探討

基于經(jīng)濟(jì)性的考慮，中小電站水輪機(jī)的設(shè)計(jì)選型，一般是套用現(xiàn)有型譜或模型曲線，較注重其技術(shù)成熟程度和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，而相對較少關(guān)注技術(shù)的發(fā)展趨勢和研究采用最新成果。水輪機(jī)技術(shù)是一門綜合應(yīng)用科學(xué)和工程技術(shù)，現(xiàn)代水輪機(jī)科學(xué)技術(shù)和水電開發(fā)之所以取得如此快速的發(fā)展，特別是最近10年來的迅猛發(fā)展，固然是因?yàn)榻?jīng)濟(jì)和社會的發(fā)展對電力不斷增長的需求和水力發(fā)電帶來的經(jīng)濟(jì)利益所推動(dòng)，但也與經(jīng)濟(jì)發(fā)展和其他科學(xué)技術(shù)(如計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)和材料等學(xué)科技術(shù))發(fā)展的促進(jìn)密不可分。特別是計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，使水輪機(jī)技術(shù)的發(fā)展得到了巨大的推動(dòng)和提升，如計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)(CFD)水力分析預(yù)測技術(shù)，有限元結(jié)構(gòu)分析技術(shù)(FE)，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和制造技術(shù)(CAD／CAM)等及其他新技術(shù)，應(yīng)用于水輪機(jī)水力開發(fā)、模型制造、模型試驗(yàn)和結(jié)構(gòu)分析及水輪機(jī)組制造的全過程，不僅使得水輪機(jī)的技術(shù)性能包括能量特性和空化性能等普遍得到提高(水輪機(jī)模型效率最高已達(dá)95％)，而且在實(shí)用上，結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析和經(jīng)驗(yàn)，采用CFD等技術(shù)，基于現(xiàn)有水輪機(jī)研究和制造的經(jīng)驗(yàn)開發(fā)研制、改造的常規(guī)水輪機(jī)新轉(zhuǎn)輪甚至可以不再進(jìn)行模型試驗(yàn)驗(yàn)證即可投入工程應(yīng)用，即使進(jìn)行模型試驗(yàn)驗(yàn)證，也大大縮短了從技術(shù)開發(fā)、產(chǎn)品制造到產(chǎn)品應(yīng)用的周期，收到事半功倍的效果，經(jīng)濟(jì)效益非常明顯。目前，CFD等信息技術(shù)已在國內(nèi)外有關(guān)高校、科研機(jī)構(gòu)及水輪機(jī)研發(fā)和制造企業(yè)逐步推廣，包括一些大型水輪機(jī)新轉(zhuǎn)輪及過流部件的技術(shù)開發(fā)和設(shè)計(jì)，其技術(shù)將日益成熟和進(jìn)步，發(fā)展和應(yīng)用前景廣闊。相信對于我國水電工程咨詢設(shè)計(jì)行業(yè)，逐步應(yīng)用和推廣CFD等信息新技術(shù)，將會有助于提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，加快水電技術(shù)發(fā)展和水電開發(fā)的步伐，有助于提升我國水電開發(fā)的水平和經(jīng)濟(jì)效益。這也將會是水力發(fā)電設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

3結(jié)語

綜上所述，對中小型水電站水輪機(jī)的改造及運(yùn)行優(yōu)化，有利于提高中小水電站的經(jīng)濟(jì)效益。中小型水電站在電網(wǎng)中所占比重較小，難以擔(dān)當(dāng)系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻任務(wù)，因此，在中小型水電站機(jī)組的選擇和優(yōu)化時(shí)，還應(yīng)考慮這一特點(diǎn)。在水電站設(shè)計(jì)中推廣應(yīng)用CFD等新技術(shù)對水力發(fā)電的技術(shù)進(jìn)步具有深遠(yuǎn)的意義。