改善水电机组运行稳定性

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1、改善水电机组运行稳定性　水电是清洁能源，可再生、无污染，运行费用低，便于电力调峰。尽管电站造价，水电成本高于火电成本约40％，然而能满足较高的环保要求，考虑到火电厂燃料的燃烧在脱硫、脱硝、脱尘等方面所需资金约占投资的1／3，水、火电建设成本也就相差不多了。至于运行成本，水电明显优于火电：水电为0．04-0．09元／kW以下负荷运行，即当较低部分负荷(相当于额定负荷的一半及更低)时，机组不投入运行。　　3．预防途径的探讨　　2002年冬季一2003年春季，长江和黄河上游几乎同时出现枯水。仅黄河流域在2003年1～4月份就少发电量40％；国内有些水电站运行多年也达不到设计发电量。

2、电站条件的很大变化导致机组运行在非最佳设计工况下，就会出现压力脉动、裂纹。国家缺电，不大可能停机等待适合的水力条件。按照现有技术水平，混流式转轮叶片因其不可调节的固有特点，决定了它不适于在远离最优设计工况下运行。三峡机组是世界上最先进的机组，能量指标、空化性能、效率等方面都完全符合标书要求，然而在确保运行稳定性方面并不理想。首批招标的左岸机组转轮方案曾被驳回，国外承包厂商重新研制、改进，结果仍是未全面满足合同要求。最后只是有条件地接受左岸模型转轮。现在正在进行右岸机组的招投标，哈电提出的投标方案在稳定性、效率、空化、强度等方面满足要求，优于左岸转轮。下面提出几种预防途径。　　

3、3.1开发设计方面　　对混流式水轮机的设计要求有两点：即转轮的水流入口处应保证水流对叶片头部没有撞击，并呈正冲角：而出口处的水流方向应为法向并带有正环量。如果转轮进口水流冲角太大，会导致叶片头部脱流、空化，形成叶道涡，进而引起高频或中频水压脉动。这是诱发水电机组振动的水力振源之一。脱流空化时水流对叶片为负压，水流与叶片表面之间形成真空空腔，脱流严重时这种真空负压作用是以将叶片金属表面结晶撕裂、剥层，并导致空蚀破坏。另一个水力振源是当叶片出口处水流环量过大时在尾水管内产生的强裂涡带，它能引起低频压力脉动。因此，在水力学设计时应当避免导叶和转轮叶片出口处出现卡门涡和叶道涡：同时设

4、法减小压力脉动和空蚀。尽量减小水头变化幅度，使它小于平均水头的30％一40％。还应减小单位转速，提高设计水头，以避免高水头下运行的不稳定性。不要单纯追求高参数，运行实践证明，参数较低的机组，运行稳定性较好：参数较高则稳定性差。比如效率要求过高，就要减少转轮叶片数目，减薄叶片厚度，从而降低了稳定性。采用具有负倾角的"X"型叶片可以适应较大的水头变幅高水头电站可采用长和短叶片，中水头电站可增加转轮叶片数目。　　3．2制造工艺方面　　水轮机过流表面的翼型，是理想的水力设计，但必须要采用先进的制造工艺来实现。采用超低碳钢精炼铸件，转轮叶片采用数控机床加工，减小重量和水力不平衡，采用的

5、焊接、探伤和热处理工艺应能保证减小残余应力，以确保不产生裂纹。岸滩电站，转轮叶片出口出现中频压力脉动，引起共振，叶片出水边裂纹。通过技术改造，采用不锈钢转轮，真空精炼，数控加工，提高刚强度，恢复正常(300M2。有的转轮叶片裂纹在补焊后运行很短时间就又开裂了。至今为止还没有较理想的补焊材料。现在急需研究开发高强度、高韧性和高抗疲劳性能的补焊材料。补焊时产生的残余拉应力有时高达材料本身的屈服应力，可使抗疲劳强度降低80％左右。消除这种残余拉应力的办法是采用应力应变补偿法，最好是能产生残余压应力，比如通过锤击方法来实现，这样可使焊接接头抗疲劳强度提高1一2倍。　　采用机器人施焊是

6、最好的方法，可减轻劳动强度、提高效率和保证质量。三峡机组已经成功应用机器人施焊，哈电机厂转轮焊接工作量的40％是由瑞典和英国开发研制的埋弧焊接机器人来完成的。最早在电站工地现场采用机器人进行补焊的国家是加拿大，他们80年代初开始研制、90年代初用于机坑修复转轮叶片。法国、德国也都采用了这种具有6个自由度的机器人进行补焊、打磨和修复工作。　　5.结论　　5．1电站水头、负荷经常变化；水电机组无法适应，就会引发运行稳定性问题，压力脉动、裂纹、空蚀等成为世界性课题。　　5．2当前世界技术水平有限，在现实中还不能完全消除这些故障，只能从设计、工艺、运行等方面设法改善，且效果不错。　　

7、5．3为了消除故障，实现补气运行，既有效、又实用，但是一定要注意补气位置和气量，如果补气不当，适得其反。这需要经多次反复验证。　　5．4三峡机组运行稳定性的保证措施堪称典范，参加右岸机组投标的法国阿尔斯通、德国伏衣特、哈电和东电四家公司的转轮试验已于2003年底结束试验，四家公司都采用了具有负倾角的"X"叶片和带有直管段的半锥体新型泄水锤，证明哈电转轮优于左岸机组转轮。　　5．5压力脉动值和大小，国内外尚无统一标准。厂家只能根据大量科研试验来减小其幅值和影响范围。