机组稳定性研究

机组稳定性研究 成绩 中国农业大学 课程论文 ,2006-2007学年秋季学期， 论文目: xxxxxxxx 课程名称: xxxxxxxxx 任课教师: xxxxxxxx 班 级: xxxxx 学 号: xxxxxxx 姓 名: xxxxxx 水利机组稳定性研究 稳定性对于水利机组的重要性 中小型水利机组，一般都是套用较成熟的转轮，水轮机选型一般都是几方面的综合考虑，因而在能量、气蚀及稳定性方面都难免会偏离最优区，而且机组运行时也不可能长期处于而定工况。对于中小型机组，一般原型水轮机的效率体现出的差距不大，而更重要的则考虑气蚀性和稳定性。 水轮机是水力发电厂的心脏，它将谁的能量转化为机械能，其运行稳定性直接关系到整个水电厂的经济型、安全性和可靠性。在水轮发电机组运行中，影响其稳定性的因素很多，也很复杂，它与一般旋转机械不同，往往是流体、机械、电磁等诸多因素的综合作用。 比如电磁方面的因素，由于发电机电磁不良引起的磁力不平衡以及定、转子圆度误差较大，空气间隙不均匀等因素的影响，会造成机组运行不稳定。再比如机械方面的因素，对于大型水轮发电机组，由于受到运输条件等的限制，水轮机转轮、发电机定子采取分辨运输，现场组焊;发电机转子采取分零部件运输，现场组装。因此，可能会造成水轮机转轮，发电机转子磁极、及转子支架的重量偏差，引起重量不平衡，当机组旋转运行时，就会产生不平衡力，进而引起重量不平衡，当机组旋转运行时，就会产生不平衡力，进而引起机组振动。但对于中小型机组，水轮机转轮，发电机定子，转子一般可以再制造厂加工好后整体运输，因而该因素的影响可大大减少。 然而最重要的是水力方面的因素。包括:尾水管引起的压力脉动，当机组在最优工况运行时，转轮出口水流应是近法向流出，此时，转轮出口水流不发生旋转，当水轮机偏离最优工况运行时，由于转轮出口处的旋转水流以及脱流漩涡和气蚀等的影响，在尾水管内常引起水压的脉动;水轮机转轮的压力脉动，其中包括卡门涡街引起的振动，转轮进口引起的压力脉动等;还有固定导叶尾部的紊流引起的振动，当流水中放置了物体时，只要其水流不是层流，在物体尾部就会产生具有尾涡的紊流;蜗壳鼻端与转轮叶片相互作用引起的振动，对于高水头魂流式水轮机，其蜗壳鼻端需要一定的厚度，起隔流作用，将压力钢管末端的水流和流到蜗壳末端的水流分开，由于高水头水轮机蜗壳内流速较大，水流在我可内的摩擦损失亦较大，致使上述两股不同能量的水流在蜗壳鼻端后面相遇时，引起强烈尾涡;流到的非对称性引起的振动，由于加工手段和精度的问题，造成蜗壳、导叶、转轮叶片的不均匀或不对称，以及转轮偏车产生的密封间隙不均匀等，除了会引起水压的脉动外，还会引起转轮的横向或纵向振动;轴流式机组的狭缝射流，在轴流式水轮机中，由于转轮叶片的工作面和背面存在着压力差，在轮叶外援和转轮室之间的狭窄缝隙中，形成一股射流，其速度很高，压力很低，在转轮旋转过程中，形成对转轮室壁的周期性压力脉动，从而产生振动，导致疲劳破坏;轴流机组的叶片扭矩及变形， 当运行工况偏离最优区时，定浆式机组转轮叶片冲角会发生变化，或当转桨式机组协联关系不正确时，转轮叶片不再具有无撞击进口，水流对叶片就会产生冲击;气蚀引起的振动，水轮机长期运行气蚀严重时，转轮叶片冲角变化较大，使叶片产生强烈的脱流漩涡，一方面恶化气蚀现象，另一方面引起转动部分及尾水管的振动;其他原因，如不合理的运行方式，尤其是偏离额定水头较远带负荷运行。 改善稳定性的一般措施 合理优化水轮机参数。在水轮机选型设计时，应对其型号、比转速、水轮机装置气蚀系数、吸出高度、单位流量和单位转速以及水轮机额定水头合理优化，力争使水轮机运行区域出于高效区。 优化转轮结构及流道设计。改善水轮机运行稳定性，首先必须从根本上消除不稳定因素，优化转轮结构以及流道设计。在转轮选型设计时，必须对转轮密封结构、流道形状进行优化组合，提高转轮自身稳定性。 提高加工工艺水平，采用优良材料。提高加工工艺水平，保证使转轮叶片加工后的翼型与模型一致，并严格控制加工精度。尤其转轮叶片，最好采用数控机床加工。在安装过程中，还要对安装质量提出强有力的保证。另外，应采用优良的抗蚀材料。目前倾向于以镍铬为基础的各类高强度合金不锈钢。 改善运行条件，采用合理运行方式。水轮机运行过程中，应根据机型的特点及运行条件，掌握和熟悉水轮机的运行规律，合理拟定水电站运行方式，严格限制超越设计范围的运行工况。对于梯级水电站，其条件更利于电站合理调度和安全经济运行。 通过增加机械装置改善其流态。改变转轮泄水锥的形式，实验明，转轮的泄水锥形式对于转轮下面尾水管内的流速分布影响很大，适当地改变泄水锥的形式对于控制尾水管内大涡带的形成及压力脉动，尤其是消除部分负荷下尾水管内的低频压力脉动是有效的。改善尾水管的过流条件，合理选择尾水管的形状，条件允许时，适当加长尾水管的扩散角，有利于提高转轮下不锥管上方的压力，以削弱涡带的形成，提高机组运行的稳定性。另外，还克在尾水管上加设导流板以及在尾水管原有十字补气架上装设阻水栅，用以削弱和改善尾水管的水流速度环量，减少旋转涡流。 合理补气。自然补气，想转轮中心补气，目的在于，空气本身具有弹性，气泡混在涡带中可以起到缓冲作用。通过尾水管壁补气，通过尾水管壁补气，大体讲有两种:一时将空气通过转轮下面的一些罐子引致尾水管中心处，二是通过尾水管壁让空气直接进入尾水管。还有一种补气方式——强迫补气。向转轮中心补气，当电站尾水位较低、尾水管内静压力低于大气压时可采用自然补气;但当尾水位较高、尾水管内静压力高于大气压时，采用自然补气则没 有效果，必须采用空压机或射流泵强迫补气;通过转轮上游补气，这种方法曾在一些电站应用过，其原理是往水中补气，以增加气泡来增加水的弹性，以此来改变压力钢管的固有频率。 混流式水轮机电站改善稳定性的具体应用 1 额定水头选择对运行稳定性的影响 不少水电站，由于各种原因，额定水头定得较低，如为了在洪水期泄洪，降低水位运行时多发电，或为了减少受阻容量，要求在尽可能多的时间里发足额定出力等。 由于混流式水轮机固有因水头、出力的变化对其效率、空蚀、稳定性等会产生一定影响的特性，特别是随着一些大型水轮机的投运，水轮机的稳定性问题日益暴露出来，在水轮机能量、空化、稳定三大性能中，运行稳定性占有更为重要的地位，因为不能稳定运行的机组，再高的能量指标也是无法体现的。由于稳定性差，水轮机往往在远未发生空蚀损坏之前就会因压力脉动等不稳定因素导致叶片开裂，止漏环脱落，尾水管里衬漏水，轴承支持件松动等现象，严重时甚至无法并入电网运行，的确有“稳定是压倒一切的”感觉，因此，当今许多大型混流式水轮机的选择都把稳定性放在首位。 根据大多数混流式水轮机运行情况统计，其运行不稳定现象主要发生在大约1.1倍设计水头H0以上的水头和小于大约0.85倍最优流量Q0(效率最高的流量)的出力。根据混流式水轮机运行特性要求，其设计水头H0最好不低于Hmax,1.1，额定水头Hr最好不低于Hmax,1.155，这样高的设计水头必然影响电站在较低水头时的发电效益，而这样高的额定水头又直接增加了电站的受阻容量，影响系统的电力电量平衡。 对于要留出较大防洪库容的水电工程总是在低水头时泄洪，提高额定水头后低水头泄洪时的出力必然减少，从而使年电量减少，丢失了季节性电能，出现了一面泄洪，一面又发不出装机容量的现象，使稳定和效益形成了尖锐的矛盾。 2 提高运行稳定性的措施 大型水轮发电机组常常需在电力系统中承担调频调峰任务，要求有较好的稳定性，但国内外许多大型水轮机都程度不同的存在稳定问题，虽然表现形式各不相同，但就水力因素而言，大致有以下一些共同的特点: (1)水头变幅小的水电站机组运行较稳定。我国水电站的最大水头和最小水头之比除个别水电站较小(盐锅峡水电站为1.07，天生桥二级水电站为1.17)外，绝大多数的水电站均在1.4以上，有的高达1.85(三峡水电站)，甚至超过2(岩滩水电站为2.086，丹江口水电站为2.26，潘家口水电站为2.36)，因此对我国水电站水轮机参数的选择应格外重视稳定问题。 (2)水轮机在无涡区运行。实际运行反映，水轮机在最优工况点和无涡区运行，一般都是很稳定的，因此，水轮机的参数应按使重要的运行区和经常的运行区处于最优工况点和无涡区的要求来选择。 (3)稳定运行的水头范围。对大多数电站的统计和分析表明，当运行水头H在水轮机设计水头H0的下述范围内是比较稳定的:(0.6,0.65)H0?H?(1.1,1.15)H0，运行水头H偏离H0越小越稳定。过低的水头会引起叶片进口边正面脱流空化涡带，过高的水头会引起叶片进口边背面脱流空化涡带和叶道涡，后者更为严重，因此对于巨型水轮机的运行水头H最好不超过1.1 H0，即Hmax?1.1 H0。 (4)合理的运行范围。根据国内外许多学者的研究分析以及模型试验和原型观察发现，在最优流量为最优单位流量的82%附近会出现高部分负荷水压脉动(即特殊水压脉动)最大值(水力设计得好也可能不明显)，73%附近会出现叶道涡，60%附近会出现尾水管涡带的最大值。当然各种压力脉动的强度、位置以及分布状况，不同的水轮机是不完全相同的。并和转轮的水力设计有关，以上只是一般的规律。值得注意的是:在大流量区出现叶片进口边正面脱流空化涡带和较强的尾水管涡带是在常规的水轮机出力限制线以外，因此我们应该把水轮机的主要运行区安排在(Q′1r为水轮机额定单位流量)范围之内。 (5)水轮机额定水头大于或等于设计水头。为了使水轮机在最高水头运行时有尽可能大的稳定出力调整范围，最好使水轮机额定水头Hr?H0，至少1.05 Hr?H0。 (6)水轮机的水力稳定与吸出高度有关。吸出高度小(即安装高程低)运行较稳定，应通过模型试验获得合适的电站空化系数范围，以避开过大的压力脉动。 (7)带副叶片的转轮对水轮机稳定有利，x型叶片对稳定也有些作用，但D2,D1不宜大，一般宜小于1。 (8)轴心补气能降低涡带压力脉动，但补气量、补气位置、补气阀及补气系统要设 (9)适当增加尾水管高度h(例如h?3 D1)，能降低压力脉动的影响。 (10)避开振动区。运行中避开振动区，采用计算机按水轮机稳定运行特性分配负荷，可使机组经常在稳定区运行。 (11)避免共振。在水电站设计中，注意使机组、厂房、引水系统的自振频率远离各种水压脉动的频率，避免共振。 (12)提高水轮机顶盖、座环、主轴等主要部件的刚度、强度。 (13)提高机组制造、安装质量，消除机械、电气振动因素，改善转轮结构，降低疲劳应力。 转轮的水力设计是水轮机运行稳定的关键，应该针对每个大型水电站的水力条件进行转轮的水力设计，不仅要求水力效率高，更要求高效区要宽;限制工况单位流量之比宜大于1.25，最好达1.4或更大;无涡区要宽，压力脉动值要低，叶片进口边正、背面脱流空化涡带及叶道涡限制线形成的包围区要宽。要全面达到这些要求是很难的，只能根据水电站的特点去要求。 选择好设计水头和额定水头 3 在水电站设计阶段正确选择H0、Hr是水轮机稳定性工作的第一步，也是打基础的一步。过去为了获得更高的效益，都要求水轮机设计水头H0等于电站的电能加权平均水头，近年来则是根据电能加权因子计算出最高的电能加权平均效率，以确定水轮机的工作位置和设计水头。从稳定性的要求出发应取H0=Hmax,(1.1,1.15)，对于转轮直径超过6 m的水轮机应更严格些，希望H0=Hmax,1.1，而额定水头Hr最好等于或大于H0，至少不小于H0,1.05，这实际上要求额定水头应大于0.86 Hmax，这必然和电站的发电效益发生矛盾。对于泄洪水位较低的电站，提高额定水头就减少了年电量，对于泄洪水位较高的大水库电站，虽不一定会减少年电量，但增加了电站枯水期的受阻容量，减少了机组的调峰能力，如果用补充火电装机容量和火电电量来满足系统的电力电量平衡将是很不经济的。 4 提高额水头与容量受阻问题 怎样才能妥善的解决机组稳定和容量受阻或发电量减少的矛盾呢 我们认为，在提高额定水头的同时增加装机容量将是值得研究采纳的办法。方法之一是单机容量不变，额定水头提高，增加机组台数，并使在原额定水头下的机组总出力基本等于原装机容量，这样，改变后的机组尺寸、重量变小，设计、制造、运输、安装难度有所降低，但台数增加，工程量要增加，投资亦有所增加。这方案机组台数增加不多，总体布置上的困难不会太大，对于额定水头增加较多的电站比较适用。方法之二是随着额定水头的提高，增大单机容量，台数不变，装机容量也随之增加，并使在原额定水头下的单机出力仍等于原额定出力。这样改变后的水轮机尺寸、重量增加不多，发电机尺寸、重量会有明显增加，总的设计、制造、运输、安装的难度会有所增加，由于台数不变，工程量增加不多，投资增加也较少，这方案对于机组容量、尺寸增加不算很大，技术上比较有把握，对于额定水头增加不多的电站比较适用。这两种方法的共同特点都是增加装机容量，在原额定水头下的电站总出力基本不变，超过原额定水头时，电站的总出力将增加，从而提高了电站的调峰能力，对于在高水位下泄洪的电站还能增加年电量，无疑都增加了电站的效益，也都增加了投资，但这比补充火电装机容量和火电电量需要的费用便宜得多。 小结 通过对中小型机组和大型水轮机组的稳定性调研，我们总结出了影响各机组稳定性的原因，拟定出了增加机组稳定性的若干方法。在实际应用中，还要根据具体机组的不同情况和所处的工况，来根据方案拟定出合适的，增加稳定性的方案。本文中提出的方法，均是一般情况下增加稳定性的方法，在具体实施中，要灵活运用。 。