中小型水电站低压水轮机运行优化的探讨

杨增荣

摘要：为了研究影响中小型水电站水轮机优化选型的主要因素，改善小型水电站的运行条件根据中小型水电站的特点，结合我市实际，来谈谈水电站低压机组的设备改造及运行优化情况。

关键词：中小型水电站低压水轮机优化改造

0引言

我国水电资源蕴藏丰富，可经济开发的水电资源达3.7亿kW，装机容量小于300MW的中小水电约占到可经济开发资源量的50％。改革开放以来，随着经济和社会的发展对电力日益增长的需求，我国电力工业获得快速发展，水电建设如火如荼。一些地方中小水电特别是农村水电甚至成为当地经济可持续发展的支柱，以电代燃料成为维持生态环境良性循环的保障。水轮机是水力发电的关键设备之一。水轮机特性的优劣是影响水电站经济运行的重要因素。水轮机的选型是根据电站的水文、水能等基础资料，结合工程总体布置和水轮机的水力特性、结构、材料及制造工艺等问题，按照技术先进、经济合理的原则，选择和确定水轮机的技术参数。

1水轮发电机组运行稳定性与选型优化

现代水轮发电机组的单机容量越来越大，最大单机出力已达852MW(长江三蛱)。水轮发电机组的运行稳定性，因一些大型或巨型机组发生振动造成损失而受到越来越普遍的重视。水轮机的运行稳定性主要表现为水力振动和机械振动，与水轮机能量特性和空化特性存在一定的相关性，中小型水电站的水轮机选型也应重视稳定性问题，应将稳定性作为重要的技术经济性能加以研究。应从水轮机的水力设计、结构和部件的设计、机组的安装等方面，并参考已运行的类似电站的经验，对可能出现的影响机组运行稳定性的水力、电气和机械因素进行分析、计算和预测，并选择预防、控制和改善水轮机运行稳定性的措施。如在水力方面选择无涡区较宽、水力脉动较小的转轮模型；选择较高的水轮机设计水头；水头变幅较大的电站设置机组最大出力等。在水轮机过流部件结构和流道方面，如转轮采用奇数叶片数，采用×形叶型及长短叶片，采用较高的尾水管高度，并设置补气装置等。在机组及部件结构设计方面，要求供货厂商做到机组及部件结构设计合理，并便于检修：要求加强水轮发电机组整体及部件的刚度、保证水轮发电机定子适宜的刚度、柔度和强度：要求在工厂装配和现场安装中特别要保证可能引起振动的关键部位的精度和安装质量。还要核算机组部件的自振频率，在电站压力钢管设计时核算钢管的自振频率，避免发生共振。在电站运行中尽可能优化调度等；应尽可能消除振源。同时，为便于对机组的运行状况进行在线状态监测、故障诊断和报警。为机组的状态检修和电站的安全经济运行提供依据。另外为了更好使发电机组安全、稳定运行，我们电站主要采取以下几种方式来对发电机组进行优化改造：

1.1发电机励磁装置改造要使发电机安全和稳定的运行，发电机励磁系统的性能是关键，我们现在基本上改用了可控双绕组电抗分流式励磁，此装置在双绕组电抗分流式的基础上增加了可控硅分流的自动电压调节器，空载电压调节范围大，并网后运行稳定，无功功率调节方便。在主断路器跳闸后不失磁，附绕组仍有残压。在电网停电时提供励磁电源供给调速器，能迅速将机组关闭，省去了备用电源。

1-2水轮机调速装置改造并网后小型水电站不能调频，调速器仅作用于正常开、停机、调节正常有功负荷以及事故停机。所以普遍采用电、手动操作器，其结构简单、投资省而又随机配套，操作与维护简单。如果需要有自动调节功能，则可以配上STK-W-3微电脑控制器，就能达到单机自动调频，并网时按前池水位自动调节有功功率、自动并网合闸等功能。TC操作器是一种技术较先进的新型调速器，除有电、手动操作器的功能外，其特点是关闭时间可以调节，故障时无电源也能自动关闭导水机构；可根据电站实际，整定不同的调保时间值；同时可避免因木石卡塞和手动关机过度损坏导水机构问题。提高了机组运行的安全性。再配上STK-W-3可达到自动调节的目的，是一种值得推广使用的调速装置。

1.3主变的改造水电站的低压机组通常是经主变升压后与10kV配电线路相连接或专线直接接入某一变电站，80年代以前电站选用的都是型号为10±5％／04kV系列配电变压器。由于电站地处偏远山区，线路长压降大。发电机经常需要在较高电压下运行，才能保证发送一定的无功负荷。有的电站电压值高达440V及以上，其危害：一是在高压下运行使发电机、变压器温升提高、绝缘加速老化，绝缘薄弱环节容易击穿：二是难以发足无功功率，并影响机组运行的稳定性；三是老型号变压器能耗大，且运行年久老化，常出现故障影响正常发电，需要及时更新、改造。主变订货时必须向生产厂家特别提出，主变的变比一定耍满足0.4／11±5％kV的要求。选用这种变比的变压器做主变，其输出电压要比采用普通配变做主变的输出电压高10％，所以可使发电机的运行电压降回到额定值，则发电机的运行功率因数值也可恢复到额定值，既改善了发电机和主变的运行条件，又可发足无功功率。

2信息技术用于水轮机参数选择的探讨

基于经济性的考虑，中小电站水轮机的设计选型，一般是套用现有型谱或模型曲线，较注重其技术成熟程度和运行经验，而相对较少关注技术的发展趋势和研究采用最新成果。水轮机技术是一门综合应用科学和工程技术，现代水轮机科学技术和水电开发之所以取得如此快速的发展，特别是最近10年来的迅猛发展，固然是因为经济和社会的发展对电力不断增长的需求和水力发电带来的经济利益所推动，但也与经济发展和其他科学技术(如计算机、信息技术和材料等学科技术)发展的促进密不可分。特别是计算机与信息技术的发展和应用，使水轮机技术的发展得到了巨大的推动和提升，如计算机流体动力学(CFD)水力分析预测技术，有限元结构分析技术(FE)，计算机辅助设计和制造技术(CAD／CAM)等及其他新技术，应用于水轮机水力开发、模型制造、模型试验和结构分析及水轮机组制造的全过程，不仅使得水轮机的技术性能包括能量特性和空化性能等普遍得到提高(水轮机模型效率最高已达95％)，而且在实用上，结合统计分析和经验，采用CFD等技术，基于现有水轮机研究和制造的经验开发研制、改造的常规水轮机新转轮甚至可以不再进行模型试验验证即可投入工程应用，即使进行模型试验验证，也大大缩短了从技术开发、产品制造到产品应用的周期，收到事半功倍的效果，经济效益非常明显。目前，CFD等信息技术已在国内外有关高校、科研机构及水轮机研发和制造企业逐步推广，包括一些大型水轮机新转轮及过流部件的技术开发和设计，其技术将日益成熟和进步，发展和应用前景广阔。相信对于我国水电工程咨询设计行业，逐步应用和推广CFD等信息新技术，将会有助于提升设计质量，加快水电技术发展和水电开发的步伐，有助于提升我国水电开发的水平和经济效益。这也将会是水力发电设计技术发展的必然趋势。

3结语

综上所述，对中小型水电站水轮机的改造及运行优化，有利于提高中小水电站的经济效益。中小型水电站在电网中所占比重较小，难以担当系统的调峰、调频任务，因此，在中小型水电站机组的选择和优化时，还应考虑这一特点。在水电站设计中推广应用CFD等新技术对水力发电的技术进步具有深远的意义。