浅谈灯泡贯流式机组运行稳定性分析

郭鹏

摘 要：我国水资源丰富，水力发电项目遍布各地，灯泡贯流式以经济、技术优势而被广泛应用。该文致力于全面详细的分析灯泡贯流式机组的静态控制与动态控制的稳定性，首先对其技术优势进行分析介绍，后分别对机组的静态控制、动态控制时的稳定性进行分析。最后对全文进行总结。

关键词：灯泡贯流式 静态控制 动态控制 稳定性

中图分类号：TV734 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）09（c）-0065-01

目前灯泡贯流式机组已经广泛应用于各类水力发电项目，较常见的有大中型机组，且过水流道常为倾斜或者轴向的。灯泡体常放置于水轮机上游，且导水机构设计为锥形结构。水轮机轴与发电机转子相耦合，且其由两个导轴来支撑。但是这类机组的转速比较低，大型机组的转速常委70～120 r/min。但是构件生产与运输则是其应有的一大限制，也是唯一的限制。该文致力于分析灯泡贯流式机组的静态动态稳定性进性分析，并介绍其技术优势。

1 灯泡贯流式机组的技术优势

相比于传统的立式轴流式相比较，技术性和经济性优势都非常明显，且能够节约建设成本，空蚀性小、运行稳定，且能够提升发电效率。其具体优势为如下几方面。

1.1 合理的流到形式

灯泡贯流式机组选择了圆锥式的尾水管和直轴式的引水室，其引水室的进口断面设计成矩形，但是在与灯泡体相接近的附近慢慢过程成圆环断面，尾水管则相反，由圆形断面慢慢过渡成矩形断面。流道具备对称平直的特点，改善了由于水流拐弯而引起的流速不均，减小了水力损失。

1.2 效率高、能量参数高

灯泡贯流式机组采用了卧室设计与布置，确保了水流平顺，直锥式的尾水管降低了水流损失度，一定程度上对水头低这一缺陷进行了弥补，相比轴流式，单位流量增加了约40%，效率高出3%，同一水头段内，单位转速高出约10%。

1.3 整机重量轻、体积小

与轴流式相比，灯泡贯流式机组不但能量指标相对较高，还具备体积小、结构紧凑的优点。在相同的水头和转轮直径下的输出能力比轴流式要高约30%，单机容量与水头相同时，转轮直径也较轴流式机组小，从而达到重量轻、体积小的目的。

1.4 适应性强、稳定性高

灯泡贯流式机组协调性较好，这是因为流道对称且结构刚性较大，使机组振动较小而稳定性较大。适应性较强、能在4～25 m的范围间使用，高效可靠。同时，其效率比较高，当发电量与轴流式等同时，则经济性比轴流式高。

2 静态稳定性研究

静态运行状态下，灯泡贯流式机组效率很高，运行状态良好，相同水利情况下，相比于轴流式机组，具有明显的稳定性优势。

（1）转动惯量小，并网运行时，机组能根据系统的条件改变而快速响应，速动性和灵敏性好。

（2）对水头具有较强的适应性，能达到4～25 m，同时其良好的结构与双重调节的特点，具备更高的适应性，在径流式水电站中具有较好的效果，能够突出其运行的稳定性。

（3）水能回收的效果较好，实践表明此类机组的卧式布置能够平顺水流，扩大型尾水管则能有效降低水流损失，增大水能利用率。

（4）机组稳定性高、振动小。流道的对称布置，使轮叶与导叶间的协联区域增大，从而使导叶开度和水头能达到最佳配合，并协联运行。同时，导叶进水处不会受到其他任何冲击，出口为略带正环量或者法向方向，水流状态良好，从而降低水力损失、提升效率。工作中形成偏心的低频涡带，降低了水轮机的水力冲击振动，使机组抗震性增强。

3 动态稳定性研究

3.1 动态调节过程振动大

灯泡贯流式机组的卧式设计形式，支撑结构为管形座，上游侧法兰和发电机定子连接，下游侧法兰和水轮机导水机构连接。管形座就像一个支点，为上下两支柱结构，下支柱和埋进流道中的混泥土相连，几乎承受着灯泡体的所有载荷。但是此类机组，整体常悬浮于过流水道之上，灯泡体易受水的冲击力、浮力、漩涡和水锤等压力的影响，且不同生产工况时产生的电磁力、机械扭矩、正反两向的水推力等使机组受力复杂。若长时间出现水力失衡，将增大系统扰动，引起较大的机组振动和水力振动。

3.2 过渡稳定性较差

机组的运动模型可以通过运动方程来描述，与刚体围绕固定轴而旋转的方程类似。有关参数为发电机阻力力矩、水轮机动力力矩、转动角加速度、转动惯量等。转动惯量常常比较小，仅为立式机组的约30%～50%，因而若机械阻力出现变化，将直接影响到转动角的加速度，也就是不同机组在同一外部扰动作用下，贯流式的机组中转动惯量较小，因而调整变量较大，进而导致较差的过渡稳定性。

水力特征参数中可以看出水流惯性常数为水轮机的主动力矩的变化出现惯性的原因，也为引起系统不稳定的最主要因素。这是因为断面流速和水流的惯性常数成正比的关系，同时贯流式的机组常应用于大流量、低水头的水电站，引流量较大，使水利系统惯性系数大，从而在机组进行大波动过渡过程和动态负荷的调节过程中稳定性较差的情况。

3.3 系统易发生协联振动

协联状态时贯流式的机组在静态运行下稳定性良好，但是在系统响应出现变化或出现不稳定的协联过程时，轮叶、导叶存在相对运动（非协联状态时），系统则存在明显振动现象。灯泡贯流式的机组常设有轮叶、导叶的双重结果，以调节运行状态，然而机组的引流量较大，将增加轮叶、导叶开度范围，而轮叶、导叶全关或全开的时间设置不同，导叶就需根据预期调节目标来及时发生响应并操作，操作速度非常快。而轮叶随着导叶莱调节，速度相对较慢，比导叶慢3～6倍，轮叶响应存在的延时使机组稳定性差。非协联状态时系统的调节过程较长，使轮叶振动带起整个机组出现振动，因此在非协联操作时机组易出现振动并且持续振动的时间较长。

4 结语

总之，灯泡贯流式机组具有较好的动态稳定性，而动态稳定性则较差，此时机组在动态调节时易出现较大且持续时间较长的振动。因此在机组操作中，应尽可能少的进行动态调整，以避免不当的持续负荷调节，进而避免动态调节过程中的长时间持续振动。在操作中应尽可能根据技术规范和管理规程来操作。

参考文献

[1] 张吉波.灯泡贯流式机组厂房的水头损失计算[J].企业科技与发展，2008（14）.

[2] 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）.

[3] 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）.endprint