關于水輪發(fā)電機組額定水頭選擇的探討

1、關于水輪發(fā)電機組額定水頭選擇的探討黃奮杰 ,黃駿( 昆明理工大學電力工程學院 ,云南 昆明 650051 ;云南省機械設備進出口公司 ,云南 昆明 650041)摘 要 : 三峽工程技術(shù)設計審查中 ,提出了從水輪機運行穩(wěn)定性出發(fā) ,以最大水頭及其相應水頭的比值 ,選擇機組額定水頭 、設計水頭的新觀念 。為避免水輪機在最大水頭運行時導葉開度過小而落入運行不穩(wěn)定區(qū) ,控制水頭比值 Hmax/ Hr 、Hmax/ Hd 很重要 ; 不同特性的水輪機可選擇不同的水頭比值 ,用于中低水頭的中高比速混流式水輪機 ,建議水頭比值 Hmax/ Hr 1 . 081 . 19 ,用于中 高水頭的中低比速水輪機

2、, Hmax/ Hr 1 . 131 . 34 。為保證運行穩(wěn)定性需控制的水頭比值 Hmax/ Hr 、Hmax/ Hd 在數(shù)值上很相近 , 建議將機組額定水頭 Hr 和設計水頭 Hd 統(tǒng)一為一個定義 ,從而使額定轉(zhuǎn)速 、額定流量 、轉(zhuǎn)輪標稱直徑 、吸出高度等都統(tǒng)一成為額定 水頭 、額定出力 ( 容量) 的衍生參數(shù) 。關鍵詞 : 水輪發(fā)電機組 ;運行穩(wěn)定性 ;額定水頭 ;設計水頭 ;水頭比值 ;選擇中圖分類號 : TK730 文獻標識碼 : B文章編號 : 1006 - 3951 (2004) 01 - 0072 - 04發(fā)電機組運行穩(wěn)定性方面出現(xiàn)了許多前所未有的問題 。大尺寸機組因水力不平衡

3、力的增大和結(jié)構(gòu)剛度 的相對減弱 ,運行不穩(wěn)定產(chǎn)生的破壞比小尺寸機組 更加嚴重 ;大容量機組因其在系統(tǒng)中的地位重要 ,運 行不穩(wěn)定產(chǎn)生的影響也更大 ,所以水輪機運行穩(wěn)定 性問題越來越為業(yè)內(nèi)人士所重視 。理論研究和運行 實踐說明 :水輪機特別是固定葉片的混流式水輪機 在偏離設計水頭最優(yōu)工況運行時 ,不僅效率降低 、空 化惡化 、且容易發(fā)生振動或出力擺動等不穩(wěn)定現(xiàn)象 ; 偏離愈遠產(chǎn)生不穩(wěn)定的可能性越大 ,不穩(wěn)定的程度 也越嚴重 ;如運行水頭高于設計水頭時 ,在開度 、流 量小的區(qū)域運行的穩(wěn)定性問題比之在低水頭大流量 區(qū)域運行更為突出 。所以人們注意到最高水頭不應 偏離設計水頭太遠 ,提出了應注意控制

4、最大水頭與 設計水頭比值 Hax/ Hd 的問題 ; 為了使最大水頭時 水輪機導葉開度不至過小 ,也提出了應控制最大水 頭與額定水頭比值 Hmax/ Hr 的問題 。三峽工程技 術(shù)設計審查時 ,機電專家組根據(jù)三峽電站的運行條 件 ,為提高水輪機運行穩(wěn)定性 ,建議將設計水頭提高 到 98 m 或更高一些 ;并建議設置可持續(xù)運行的發(fā)電 機最大容量 840 MVA ,水輪機最大出力 852 MW ,以 擴大運行區(qū)域 。實質(zhì)上也就是提高了水輪發(fā)電機組 額定水頭和增大了機組容量 。從而形成了從水輪機 運行穩(wěn)定性出發(fā) ,以最大水頭及其相應水頭比值為 依據(jù)選擇機組額 定 水 頭 和 設 計 水 頭 的 新

5、觀 念 。此 后 ,廣西龍灘水電站機組也設置了最大容量 ;云南小灣水電站提高了機組額定水頭 。1概 述水輪機額定水頭 Hr 是指能使發(fā)電機發(fā)出額定 功率的最小水頭 。水輪機設計水頭 Hd 是指水輪機 在最高效率點運行時的凈水頭 。因它們與發(fā)電機的 額定功率 、額定轉(zhuǎn)速有直接關系 ,所以可以認為水輪 機額定水頭 、設計水頭實質(zhì)上是水輪發(fā)電機組的額 定水頭 、設計水頭 。工程設計中往往以電站電能加 權(quán)平均水頭 Hw 作為水輪發(fā)電機組設計水頭 Hd ,以 提高機組運行平均效率 ,獲得較多電量 ;在電站水頭 范圍內(nèi)選擇較低的水頭作為水輪發(fā)電機組額定水頭 Hr ,能使機組和電站在各種水頭下有較大的預想出

6、 力參與系統(tǒng)的電力平衡 。在方案比較階段 ,額定水 頭可按以下公式估算 :Hr = (0 . 90 . 95) Hw (1)Hmax/ Hmin + 1) 2 (2)Hr = 4 Hmax/ (1) 式反映了機組額定水頭一般都低于電站平均水頭 。(2) 式雖以 Hmax 為基準 ,但反映了對調(diào)節(jié) 性能好 、水頭變幅大的電站 ,則采用相對更低 ( 遠離 最大水頭) 的水頭作為機組額定水頭的趨勢 。這些 關系式以及額定水頭的最終選擇 ,都是從電站的電 力 、電量 、效率等動能經(jīng)濟觀點和電力系統(tǒng)平衡作為 依據(jù) ,而沒有考慮水輪機自身特性的選擇方法 。運 行實踐證明 ,對于機組尺寸 、容量不很大的情況

7、下是 可行的 ,運行中出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象并不突出 ,即使時有 發(fā)生其影響也不很大 。然而自 20 世紀 60 年代后 ,大尺寸 、大容量水輪2 運行實踐的啟示20 世紀 70 年代美國大古力水電站第三廠房裝 設了水輪機轉(zhuǎn)輪直徑 9 . 3 m ,額定功率為 600 MW 及700 MW 的機組各三臺 ,都曾出現(xiàn)運行不穩(wěn)定現(xiàn)象 。600 MW 機組水輪機導葉開度在 6070 %以下為運 行不穩(wěn)定區(qū) ; 700 WM 機組水輪機導葉開度在 70 80 %以下為運行不穩(wěn)定區(qū) 。因此機組需在大負荷或超負荷區(qū)才能穩(wěn)定運行 。我國近年來投運的大型水電機組中 ,也曾出現(xiàn) 不同程度的穩(wěn)定性問題 ,其中尤以巖灘電站

8、 300 MW 機組 、五強 溪 電 站 240 MW 機 組 和 潘 家 口 電 站 150MW 機 組 較 為 嚴 重 。瑞 士 埃 舍 維 斯 公 司 ( EscherWyss) 1992 年為巴基斯坦塔貝拉水電站制造的 440MW 水輪機 ,也同樣因運行不穩(wěn)定而發(fā)生了嚴重損 壞 。這些電站水輪機參數(shù)如表 1 。表 1國內(nèi)外存在運行不穩(wěn)定問題的部分機組水輪機參數(shù)表機組容量/ MW轉(zhuǎn)輪直徑/ m最大水頭Hmax / m設計水頭Hd/ m額定水頭Hr / m最小水頭Hmin / m失穩(wěn)水頭/ m Hmax HminHmaxHmax電站名稱HminHdHdHr591444 . 5巖 灘五強溪

9、潘家口 塔貝拉3000 . 868 . 559 . 4371. 851 . 1511301 . 380 . 621 . 156055751172408 . 351560 . 946 . 936. 21. 680 . 771 . 371508561. 7363 . 5362. 360 . 581 . 344407 . 15135. 697 . 5117 . 3549. 42. 741 . 390 . 511 . 16這些電站的水輪機在水頭低于設計水頭下能正常運行 ,當運行水頭高于設計水頭時 ,機組振動擺度 和尾水管壓力脈動隨水頭升高而增大 。巖灘電站機 組在水頭 61 . 3 m ,出力 110

10、 MW 時 ,測得尾水管壓力 脈動達 26 . 8 m ,相當于運行水頭的 43 . 7 % ;水頭 H =64 . 3 m ,出力 260 MW 時 ,測得導葉后水壓脈動高達30 m , 相當于運行水頭的 47 % ; 機組在水頭高于設 計水頭 ,負荷低于額定功率的 85 %運行區(qū)時 , 因水 壓脈動 、機組振動等因素 ,引起廠房樓板劇烈共振 , 使電氣設備發(fā)生誤動作無法安全運行 ,所以只能在 相當于額定功率的 90 %以上運行 。五強溪電站機 組運行情況與巖灘相似 ,水頭大于 55 m 時 ,出力需 在 200 MW 以上 ,導葉開度約為 70 %以上 ,才能穩(wěn)定 運行 ,但沒有土建結(jié)構(gòu)共

11、振現(xiàn)象 。潘家口電站機組 水輪機在 7885 m 水頭下運行 ,機組振動 、空蝕 、噪 音比較嚴重 ; 12 年內(nèi) , 尾水管錐管段里襯曾 8 次被 撕裂 ,累計撕裂長度 200 m ,脫落鋼板面積 17 m2 ,鋼 板背后混凝土被淘空 ,進人門處漏水 ; 轉(zhuǎn)輪 14 個葉 片中有 11 個葉片靠下環(huán)處裂紋 ,空蝕坑深達 1025 mm 。塔貝拉電站 440 MW 機組第一臺 、第二臺分別 于 1992 年 5 月 和 7 月 投 入 運 行 , 運 行 初 期 水 頭 較 低 ,機組運行正常 ,水頭達 116118 m 以上時 ,機組 振動明顯增大 ,水頭高于 120 m 時更為嚴重 ;第一

12、臺 機組運行4 192小時 ,第二臺機組運行 2 670 小時 ,先 后被迫停機 ;檢查發(fā)現(xiàn)尾水管錐管段上部沿水平方 向有多道裂縫 ,總長約 4 m ;轉(zhuǎn)輪部分葉片上冠進口處出現(xiàn)裂紋 ,長約 200300 mm ;座環(huán)與底環(huán) 52 個連接螺釘松動 ;經(jīng)歷 12 個月進行數(shù)十項改造修復才能重新投入運行 。盡管水電機組振動 、運行不穩(wěn)定的原因是復雜 的 ,但上述運行實例 ,都明顯地反映了水輪機在高于 設計水頭的高水頭 、小流量運行區(qū)比之低水頭流量 運行區(qū) ,對運行穩(wěn)定性更不利 、更危險 。而水頭比值 Hmax/ Hr 、Hmax/ Hd 所 以 , 它 們 成 為 人 們 近 年 來 的 重要數(shù)據(jù)

13、 。反映了機組運行是否會偏離最優(yōu)工況以及可能偏離的程度 。3 三峽電站機電工程技術(shù)設計審查的收獲三峽電站水輪發(fā)電機組是世界上容量 、尺寸最 大的水電機組 ,原設計水輪機參數(shù) : 最大水頭 Hmax= 113 m ,最小水頭 Hmin = 61 m (后期 71 m) ,額定水 頭 Hr = 80 . 6 m , 額定出力 N r = 710 MW。如 Hw =90 . 1 m = Hd , 則 Hmax = 1 . 85 , Hmax/ Hr = 1 . 40 ,Hmax/ Hd = 1 . 254 ,水頭比值數(shù)值偏大 。3. 1為改善水輪機運行穩(wěn)定性 ,增設水輪機最大出 力和發(fā)電最大容量三峽

14、水電站的運行方式和水頭特性是由三峽工 程防洪任務 、長江的水文條件和三峽水庫特性所決 定的 ;且因施工期長 、分期蓄水等原因 ,使水頭變幅 、 水頭變幅 、水頭比值偏大 。汛期降低水位運行時間 長 ,水頭低 ,水量充沛 ,所以原設計將機組額定水頭 定為 80 . 6 m ,最高水頭與額定水頭之比為 1 . 40 。在 這樣的條件下 ,如不考慮效率的區(qū)別 ,最高水頭 113m 時水輪機預想出力 N ( Hmax) 為 :N ( Hmax) = ( Hmax/ Hr) 115 N r = 1 . 66 N r (3) 而此時機組出力受發(fā)電機額定容量 ( 功率) 的限制 , 水輪機出力只能達到 71

15、0 MW ,如忽略效率的差別 ,其所需流量 Q ( Hmax) 與額定流量 Qr 的關系為 :組 ,原擬額定水頭為 204 m ,后來提高到 216 m ,相應水頭比值 Hmax/ Hr = 1 . 162 。3. 2為改善水輪機運行穩(wěn)定性 ,提高水輪發(fā)電機組 設計水頭水輪機運行是否偏離最優(yōu)工況包含著兩方面的 函義 ,除了流量 (開度) 外 ,還有水頭是否偏離且有最 優(yōu)效率的設計水頭 。那么允許偏離設計水頭多大范 圍是安全的 、合適的呢 ? 美國墾務局根據(jù)他們的經(jīng) 驗 ,籠統(tǒng) 地 推 薦 最 大 水 頭 與 設 計 水 頭 比 值 不 大 于1 . 25 。大電機研究所及國內(nèi)一些專家認為 ,可

16、將混Q ( Hmax) = Hr/ Hmax1. 5 Qr = 0 . 71Qr (4)此時水輪機導葉開度 ( Hmax) 與額定工況開度 r 的關系為 :( Hmax) = Hr/ Hmax) 115r = 0 . 6r (5) 考慮到效率不同和開度與流量非直線關系等 ,導葉 實際開 度 將 小 于 60 % ; 再 考 慮 留 一 點 調(diào) 頻 調(diào) 峰 容 量 ,導葉開度將會 更 小 , 就 有 可 能 落 入 不 穩(wěn) 定 運 行 區(qū) 。為了 防 患 于 未 然 , 在 維 持 已 審 定 的 額 定 水 頭80 . 6 m 、額定出力 710 MW 數(shù)據(jù)不變的基礎上 ,專家 們提出了設置水

17、輪機最大出力和發(fā)電機最大容量 , 且數(shù)值上盡可能大一些的建議 ,以使水輪機在高水 頭時能發(fā)揮潛力 ,提高效率 ,增大調(diào)峰能力 ,同時又 能擴大運行區(qū)域以利于改善水輪機運行穩(wěn)定性 。經(jīng) 各方面協(xié)調(diào)統(tǒng)一 ,發(fā)電機最大容量為 840 MVA ,額定 功率因數(shù) 0 . 9 ,并允許 cos < = 1 . 0 運行 ,水輪機使大 出力 852 MW。國內(nèi)外許多大型水電機組都設置了水輪機最大 出力和發(fā)電機最大容量 ,除增大調(diào)峰和備用能力外 , 對水庫調(diào)節(jié)性能差的電站 ,可爭取更多的季節(jié)性電 能 。國內(nèi)二灘 、五強溪 、魯布革等電站正是為了上述 目的設置了最大出力和最大容量 。然而對于三峽水 電站

18、,因防洪要求汛期水頭較低 ,發(fā)不足額定出力 , 棄水雖多 ,附加的最大容量不能發(fā)揮作用 ,沒有季節(jié) 性電能的經(jīng)濟效益 ;汛末水庫蓄滿 ,水頭雖高但來水 少 ,也不能增加發(fā)電量 。這樣以改善或解決水輪機 運行穩(wěn)定性為目標而設置機組最大容量 ,三峽水電 站尚屬首例 。增設最大容量并以最大容量作為發(fā)電 機的設計條件 ,在既定轉(zhuǎn)輪直徑的情況下 ,實質(zhì)上就 是增 大 機 組 容 量 和 提 高 額 定 水 頭 。這 樣 Hr =80 . 6 m 、700 MW 的機組增大為 Hr = 85 m ,額定出力 為 756 MW 的機組 ;電站裝機容量由 18 200 MW 增大 至 19 656 MW ;相

19、應水頭比值 Hmax/ Hr 由 1 . 40 降低 至 1 . 33 。這是三峽工程技術(shù)設計審查的重要收獲 之一 。后來設計興建的廣西龍灘水電站 ,考慮了后期 最高水頭 176 m 的因素 ,將原擬額定水頭為 125 m , 額定出力 600 MW 機組增設最大容量 700 MW 的設 計條件 ,實質(zhì)上機組額定水頭提高到 13815 m ,水頭 比值 Hmax/ Hr 降為 1127 ,機組容量為 700 MW ,電站容量 為 9 ×700 MW。云 南 小 灣 水 電 站 700 MW 機流式水輪機模型綜合特性曲線以最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速n110為基準分成三個運行區(qū) 。最優(yōu)運行區(qū) : 最小

20、單位轉(zhuǎn)速 n11min 0 . 95 n110 ,最大單位轉(zhuǎn)速 n11max 1 . 15 n110 ; 即相當于 Hmax/ Hd 1 . 11 , Hmin/ Hd 0 . 76 ?？蛇\ 行 區(qū) : n11min 0 . 9 n110 , n11max 1 . 25 n110 ; 即 相 當 于 Hmax/ Hd 1 . 235 , Hmin/ Hd 0 . 64 。超出可運行區(qū) 以外即視為不宜運行區(qū) 。在分析研究充分討論的基 礎上 ,參與設計審查的水輪機專家們提議將三峽機 組水頭比值控制在 Hmax/ Hd 1 . 15 ,即將機組設計 水頭提高到 98 m 或更高一些 。機組招標采購時

21、實 現(xiàn)了這一目標 。為了使機組設計水頭與電站水頭相 掛鉤 ,專家們也曾提出采用電能電價加權(quán)平均水頭 或枯水期加權(quán)平均水頭作為機組設計水頭的建議 , 因為 ,對于三峽電站汛期低水頭運行擔任基荷 ,枯水 期高水頭運行擔任峰荷 ,引入電價因素 ,電能電價加 權(quán)平均水頭必然高于電能加權(quán)平均水頭 ;枯水期 (水 頭高) 的平均水頭也必然高于年內(nèi) ( 包括汛 期 低 水 頭) 平均水頭 。以改善水輪機運行穩(wěn)定性的名義提 高機組設計水頭的設計思想是過去電站設計中所未曾有過的 ,也是三峽工程技術(shù)設計審查的又一收獲 。4關于水輪發(fā)電機組額定水頭選擇的探討4. 1最大水頭與額定水頭比值 Hmax/ Hr 范圍如前

22、所述 ,從電力電量的經(jīng)濟觀點出發(fā) ,傾向于 選擇較低的水頭作為機組額定水頭 ; 從水輪機運行 穩(wěn)定性出發(fā) ,希望水頭比值 Hmax/ Hr 小一些 ,選擇 較高的水頭作為機組額定水頭 。所以機組額定水頭 選擇需要處理好動能經(jīng)濟和運 行 穩(wěn) 定 性 之 間 的 矛 盾 ;很顯然經(jīng)濟效益應建立在安全可靠運行的基礎 上 ,應服從于安全可靠運行 。若在最高水頭下發(fā)額定功率時 ,水輪機的運行 在無渦區(qū)內(nèi) ,且認為此時的單位流量值等于最優(yōu)單 位流量 Q110 ,忽略效率差異 ,水頭比值 Hmax/ Hr 應不超過下式所給出的數(shù)值 。Hmax/ Hr ( Q11r/ Q110) 01667 (6) 式中 :

23、 Q11r 為額定工況時單位流量 。對用于中低水 頭的中高比速混流式水輪機 ,額定工況點 (出力限制 線上) 的單位流量約為最優(yōu)單位流量的 1 . 121 . 30 倍 ,建議控制水頭比值 Hmax/ Hr 1 . 081 . 19 ;對用 于中高水頭的中低比速混流水式水輪機 ,額定工況 點單位流量約為最優(yōu)單位流量的 1 . 201 . 55 倍 ,建 議控制水頭比值 Hmax/ Hr 1 . 131 . 34 。如果超過 上述數(shù)值 ,建議增大機組容量 。4. 2關于把機組額定水頭和設計水頭統(tǒng)一為一個定義的建議額定水頭 、設計水頭都屬水輪發(fā)電機組最主要 的參數(shù)之一 ?？刂扑^比值 Hmax/

24、Hr 、Hmax/ Hd 的 目的 ,是從水頭流量兩方面控制運行工況不至離開 最優(yōu)工況太遠 ?？?制 最 大 水 頭 與 額 定 水 頭 的 比 值 Hmax/ Hr 能保證最高水頭時導葉開度不致于過小 , 而落入運行不穩(wěn)定區(qū) ;分析研究表明 ,為使水輪機運 行具有 較 好 的 穩(wěn) 定 性 , Hmax/ Hr 和 Hmax/ Hd 的 數(shù) 值應在 1 . 101 . 20 之間 ,亦即 Hr 近等于 Hd 。特此 建議把機組額定水頭和設計水頭統(tǒng)一為一個定義 , 可以叫額定水頭 ,也可以叫設計水頭 ,其定義為水輪 機具有最優(yōu)效率 時 的 運 行 水 頭 。這 樣 機 組 額 定 轉(zhuǎn) 速 、額定流量 、水輪機轉(zhuǎn)輪標稱直徑 、吸出高度等都 統(tǒng)一成為機組額定水頭 、額定容量 ( 出力) 條件下衍 生出來的參數(shù) 。避免“以額定水頭選轉(zhuǎn)輪直徑 、以設計水頭選機組轉(zhuǎn)速”的不統(tǒng)一現(xiàn)象 。5 結(jié) 語近 2030 年來 ,水輪機在能量 、空化性能方面 有了較大的提高和發(fā)展 ,然而在運行穩(wěn)定性方面則 重視不夠 ,對