黃少玲

(四會(huì)市江谷水庫(kù)管理處，廣東 四會(huì) 526200）

燈泡貫流式機(jī)組具有過(guò)流通道水力損失少、過(guò)流量大、較高比轉(zhuǎn)速、發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，故其發(fā)電效率高、汽蝕性能好、建設(shè)周期短、淹沒(méi)移民少、投資省，在低水頭電站中得到廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。如何使發(fā)電機(jī)組在耗水量最少的情況下安全、高效、發(fā)電量最多地運(yùn)行則是燈泡貫流式電站優(yōu)化運(yùn)行的問(wèn)題。電站的優(yōu)化運(yùn)行，應(yīng)從燈泡貫流式機(jī)組的結(jié)構(gòu)配置及基本特性著手，通過(guò)總結(jié)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)逐步地深化掌握。

1 燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組概述

燈泡貫流式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組臥軸水平布置，水輪機(jī)的主要過(guò)流部件臥式布置在一條直線上；發(fā)電機(jī)密封安裝在水輪機(jī)上游側(cè)的金屬燈泡體中，發(fā)電機(jī)主軸與水輪機(jī)主軸水平連接。水流軸向流過(guò)流道，與軸對(duì)稱流過(guò)轉(zhuǎn)輪葉片，流出直錐形尾水管。機(jī)組的軸系支承結(jié)構(gòu)、軸承等也布置在燈泡體內(nèi)。由于燈泡貫流式水輪機(jī)進(jìn)出口水流暢直，水流能量損失較小，效率高，單位流量大，單位比轉(zhuǎn)速較高，所以在同一水頭，同一出力下，發(fā)電機(jī)與水輪機(jī)尺寸都較小，從而減少了土建工程量，節(jié)省了投資。但同時(shí)發(fā)電機(jī)的安裝在水下密閉的燈泡體內(nèi)亦給電機(jī)的通風(fēng)冷卻、密封、軸承的布置和發(fā)電后的運(yùn)行檢修帶來(lái)不小的困難。

2 燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性

燈泡貫流式機(jī)組臥軸設(shè)計(jì)，流道對(duì)稱布置，其機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小、水頭適應(yīng)性強(qiáng)，且采用了導(dǎo)葉與槳葉雙重調(diào)節(jié)，所以在靜態(tài)運(yùn)行時(shí)，機(jī)組振動(dòng)小、運(yùn)行穩(wěn)定，效率高。但在動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)則振動(dòng)大、穩(wěn)定性差，主要表現(xiàn)在：

（1）過(guò)渡穩(wěn)定性差。貫流式機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較小，通常為立式機(jī)組的30%～50%，因此當(dāng)外部機(jī)械力矩發(fā)生改變時(shí)，將直接引起機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)角加速度較大變化，從而使其調(diào)整的變量比其他機(jī)組大。同時(shí)貫流式機(jī)組一般都運(yùn)行水頭低、引用流量大，所以水力系統(tǒng)的慣性系數(shù)較大，機(jī)組在動(dòng)態(tài)負(fù)荷調(diào)節(jié)或者響應(yīng)大波動(dòng)的過(guò)渡過(guò)程穩(wěn)定性差。

（2）動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)振動(dòng)較大。燈泡貫流式機(jī)組臥式布置，其主支撐管形座在整個(gè)機(jī)組結(jié)構(gòu)中相當(dāng)于一個(gè)支點(diǎn)，將機(jī)組所承受的水推力、重力、水浮力、發(fā)電機(jī)不平衡磁拉力等荷載通過(guò)上、下立柱傳遞至混凝土基礎(chǔ)。這種單支撐結(jié)構(gòu)，使機(jī)組在運(yùn)行中如果發(fā)生了長(zhǎng)時(shí)間的水力不平衡和系統(tǒng)負(fù)荷的擾動(dòng)，將引起較大的水力振動(dòng)和機(jī)組振動(dòng)。

（3）系統(tǒng)容易產(chǎn)生協(xié)聯(lián)振動(dòng)。燈泡貫流式機(jī)組一般設(shè)置有導(dǎo)葉、槳葉雙重調(diào)節(jié)功能。因?yàn)闄C(jī)組引用流量大，導(dǎo)葉、槳葉開(kāi)度適應(yīng)范圍也較大,所以設(shè)計(jì)中為滿足調(diào)保計(jì)算的要求,設(shè)置導(dǎo)葉、槳葉全開(kāi)全關(guān)的時(shí)間就不同：對(duì)于導(dǎo)葉要求及時(shí)響應(yīng)、操作到位,因此它操作速度較快；而槳葉則跟隨導(dǎo)葉調(diào)節(jié),速度較慢,通常操作時(shí)導(dǎo)葉比槳葉的動(dòng)作速率要快3～6倍。當(dāng)機(jī)組響應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷變化時(shí),導(dǎo)葉能及時(shí)動(dòng)作,而槳葉需要較長(zhǎng)時(shí)間才能操作到位，在這個(gè)操作過(guò)程中，機(jī)組處于一種非協(xié)聯(lián)工況,水力振動(dòng)和噪聲增大。如果系統(tǒng)的負(fù)荷變化周期短或變化持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),機(jī)組動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的時(shí)間就長(zhǎng)，非協(xié)聯(lián)工況運(yùn)行的時(shí)間也長(zhǎng),機(jī)組就會(huì)產(chǎn)生持續(xù)振動(dòng)。

4 燈泡貫流式機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行

4.1 控制好水頭和流量，使機(jī)組盡量運(yùn)行在最佳工況下。

燈泡貫流式水電站的水庫(kù)庫(kù)容較小，一般只有日調(diào)節(jié)能力；而且該機(jī)型運(yùn)行水頭低，水頭變化對(duì)出力影響很大，若調(diào)節(jié)不好，還會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪室振動(dòng)加大等問(wèn)題。所以在機(jī)組運(yùn)行中，要及時(shí)根據(jù)水頭和流量的變化調(diào)整負(fù)荷運(yùn)行。

（1）豐水期，電站運(yùn)行管理層應(yīng)多渠道了解當(dāng)?shù)丶吧嫌螏?kù)區(qū)的天氣，留意上游庫(kù)區(qū)的降雨情況，合理利用洪水過(guò)程調(diào)度水庫(kù)水位安排發(fā)電。在洪水來(lái)前加大機(jī)組出力，提前騰出庫(kù)容；在洪水上漲至汛限水位時(shí)逐步加大泄水流量，適當(dāng)降低水庫(kù)水位；當(dāng)最大洪水流量過(guò)程結(jié)束時(shí)，調(diào)整水庫(kù)下泄流量使水庫(kù)水位逐步提高；整個(gè)洪水流量過(guò)程結(jié)束時(shí)，水庫(kù)水位控制在最高汛限水位。

（2）平水期，機(jī)組應(yīng)按照該水輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線調(diào)整負(fù)荷，使機(jī)組在最優(yōu)工況下運(yùn)行。

（3）枯水期，主要通過(guò)提高水頭來(lái)增加機(jī)組出力?？筛鶕?jù)徑流量在滿足下游基流量的情況下，在晚上減少或全停機(jī)組運(yùn)行的臺(tái)數(shù)，蓄高水庫(kù)上游水位，降低下游水位；到白天則按上游來(lái)水量和水頭適當(dāng)增加機(jī)組運(yùn)行臺(tái)數(shù)，使機(jī)組在高水頭工況下運(yùn)行。這樣除提高發(fā)電機(jī)組的水頭利用率外，還可利用豐期的高電價(jià)提高發(fā)電收入，減少運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

（4）加強(qiáng)上游梯級(jí)水庫(kù)的來(lái)水測(cè)報(bào)。在梯級(jí)電站中，下游電站要多與上游電站溝通，及時(shí)了解上游的來(lái)水及上一級(jí)電站的機(jī)組開(kāi)停時(shí)間，通過(guò)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)合理安排發(fā)電。

4.2 控制好機(jī)組的協(xié)聯(lián)運(yùn)行

燈泡貫流式機(jī)組一般采用水輪機(jī)的導(dǎo)葉和槳葉同時(shí)參與調(diào)節(jié)的雙重調(diào)節(jié)方式以保證機(jī)組運(yùn)行在高效率區(qū)。電站在運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)參照機(jī)組廠家提供的導(dǎo)葉、槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線，對(duì)投入運(yùn)行后的機(jī)組在不同的水頭、流量下反復(fù)進(jìn)行協(xié)聯(lián)關(guān)系試驗(yàn)，在保證機(jī)組穩(wěn)定安全運(yùn)行下得出最佳的協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線，并盡量使機(jī)組按該曲線運(yùn)行。如某電站在投產(chǎn)初期，由于運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)不足，兩臺(tái)機(jī)組按照廠家提供的協(xié)聯(lián)曲線運(yùn)行時(shí)振動(dòng)都較大，且兩臺(tái)機(jī)組因流道進(jìn)出水口的流態(tài)稍不相同使振動(dòng)和發(fā)電量亦都不相同。后來(lái)電站的技術(shù)人員通過(guò)總結(jié)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在不同的水頭、流量下對(duì)機(jī)組進(jìn)行反復(fù)協(xié)聯(lián)關(guān)系試驗(yàn)，繪出每臺(tái)機(jī)組最優(yōu)的協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線并按該曲線運(yùn)行，為此，機(jī)組振動(dòng)減小，發(fā)電量增多。

4.3 提升機(jī)組設(shè)備的自動(dòng)化程度

燈泡貫流式機(jī)組的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性差，這需要可靠性和自動(dòng)化程度高的輔助設(shè)備來(lái)保證其快速調(diào)節(jié)，穩(wěn)定運(yùn)行。首先，在調(diào)速器控制系統(tǒng)中，采用可靠、靈敏、動(dòng)作快速的數(shù)字式（微機(jī)）調(diào)速器，正確處理導(dǎo)葉與槳葉的協(xié)聯(lián)關(guān)系、開(kāi)停機(jī)、緊急停機(jī)等。其次，機(jī)組采用微機(jī)保護(hù)，特別是失磁保護(hù)應(yīng)采用完整意義上的微機(jī)失磁保護(hù)，減少和避免保護(hù)誤動(dòng)、拒動(dòng)的現(xiàn)象發(fā)生。再次，采用完善的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)電站所有設(shè)備的控制、測(cè)量、監(jiān)視和保護(hù)。最后，機(jī)組配套的輔助設(shè)備，如勵(lì)磁、制動(dòng)、機(jī)組通風(fēng)冷卻系統(tǒng)、油水氣系統(tǒng)等也要根據(jù)實(shí)際的運(yùn)行需要進(jìn)行完善和升級(jí)改造，以減少設(shè)備的故障，保證機(jī)組的安全運(yùn)行，避免因故障停機(jī)或減負(fù)荷運(yùn)行造成發(fā)電量的減少。

4.4 及時(shí)清理攔污柵前的垃圾

燈泡貫流式機(jī)組一般建在河流的主干上。豐水期，河流的來(lái)流量較大，特別是洪水期間，巨大水流夾帶著上游各種漂浮物聚集在機(jī)組進(jìn)水口攔污柵或大壩閘門附近。這種漂浮物若不及時(shí)清理，將使機(jī)組進(jìn)水口攔污柵前后水位差達(dá)幾十厘米，甚至幾米，嚴(yán)重減少機(jī)組的出力，甚至使得機(jī)組的運(yùn)行振動(dòng)加劇，從而影響機(jī)組的安全運(yùn)行。某電站曾在2001年的第一場(chǎng)洪水期間，漂浮物過(guò)多，清理不及時(shí)，使攔污柵前后水位差達(dá)1.1米，多臺(tái)回轉(zhuǎn)式清污機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)負(fù)載過(guò)重，出現(xiàn)斷鏈故障。最后只能全停發(fā)電機(jī)組通過(guò)啟動(dòng)大壩閘門排污，整個(gè)停機(jī)處理過(guò)程長(zhǎng)達(dá)一個(gè)星期，嚴(yán)重影響電站的發(fā)電效益。因此應(yīng)及時(shí)清理攔污柵前的垃圾以保證電站有較高運(yùn)行水頭，提高發(fā)電效益。

4.5 加強(qiáng)與電力部門的溝通。

由于燈泡貫流式機(jī)組的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)穩(wěn)定性差，振動(dòng)大，因此應(yīng)盡量減少機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)的頻率。這除了優(yōu)化水庫(kù)調(diào)度外，還要根據(jù)上游來(lái)水與電力部門協(xié)商，使機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定在某一負(fù)荷運(yùn)行，并避免機(jī)組提任峰荷或孤網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行，杜絕近區(qū)直供高耗能的不平衡負(fù)荷。

4.6 加強(qiáng)電站運(yùn)行檢修人員的管理

設(shè)備的使用好壞，操作者是其中一個(gè)關(guān)鍵。運(yùn)行人員作為電站設(shè)備的直接操作者和控制者，需及時(shí)了解設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，做到勤聯(lián)系、勤調(diào)整、勤分析、勤檢查，正確、迅速處理故障或事故，將事故影響減小到最小范圍。例如某電站的運(yùn)行人員在巡視集水井時(shí)，發(fā)現(xiàn)集水井漂浮了一層薄薄的油漬，則馬上報(bào)告當(dāng)班值長(zhǎng)并檢查軸承回油箱的油位情況，發(fā)現(xiàn)軸承油量多了。后經(jīng)停機(jī)檢查，原來(lái)是軸承回油箱冷卻器的其中一銅管有處裂縫，軸承油摻水。電站立即更換機(jī)組的軸承油。如果這事故發(fā)現(xiàn)不及時(shí)，最后將有可能導(dǎo)致機(jī)組燒軸瓦，后果嚴(yán)重。運(yùn)行人員應(yīng)以對(duì)自已負(fù)責(zé)、對(duì)電站負(fù)責(zé)的正確態(tài)度當(dāng)好班。

燈泡貫流水輪發(fā)電機(jī)組相對(duì)其它機(jī)型來(lái)說(shuō)，維護(hù)檢修麻煩，質(zhì)量要求高，特別是電機(jī)的通風(fēng)冷卻、密封、軸承等。因此對(duì)檢修人員提出了較高的技術(shù)要求，檢修人員除定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行巡視檢查，發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常及時(shí)處理外，在維修設(shè)備時(shí)要嚴(yán)格按照相應(yīng)的安裝技術(shù)參數(shù)進(jìn)行維修，保證檢修質(zhì)量。

結(jié)語(yǔ)

燈泡貫流式電站的優(yōu)化運(yùn)行可通過(guò)優(yōu)化水庫(kù)的調(diào)度、改善機(jī)組的運(yùn)行特性、提高設(shè)備性能和人員素質(zhì)等多方面進(jìn)行，既要最大限度地多發(fā)電，又要保證機(jī)組安全穩(wěn)定地運(yùn)行，從而提高電站的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］楊類琪.淺談我國(guó)燈泡貫流式機(jī)組的發(fā)展［J］.人民珠江，2005（S1）

［2］劉宇華.燈泡貫流式水輪機(jī)水力振動(dòng)的形成及其影響［J］，今日科苑.2008（8）

［3］中水珠江規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司.燈泡貫流式水電站[M].中國(guó)水利水電出版社，2009年(8).