浅谈水力发电机组的类型及负荷分配

浅谈水力发电机组的类型及负荷分配

发表时间：2012-08-20T16:47:03.247Z 来源：《赤子》2012年第6期作者：刘金力

[导读] 根据转轮区域水流运动方向的特征，反击式水轮机又分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式等不同型式。

刘金力（黑龙江省绥化市北林区双河镇幸福水库管理站，黑龙江绥化 152033）

摘要：本文论述了水力发电机组的类型、特点及相应特性，同时说明了水利发电负荷分配策略和控制调节速率要求。

关键词：类型；特点；分配

水力发电是研究将水能转换为电能的工程建设和生产运行等技术经济问题的科学技术。水力发电利用的水能主要是蕴藏于水体中的位能。为实现将水能转换为电能，需要根据具体情况选取不同类型的水利发电机，并做好负荷的分配。

1 水力发电机组的类型

水电机组是由水轮机和发电机等组成的，发电机的响应特性比水轮机的响应特快得多，因此水电机组的响应特性主要取决于水轮机的响应特性。近代水轮机分成两大类：反击式和冲击式。在转轮内转换成固体机械能的水流能量形式是位能、压能和动能的水轮机，称为反击式水轮机。在这种水轮机中，从转轮的进口至出口水流压力是逐渐减小的。转轮中的水流具有大于大气压的压力，充满全部流道。根据转轮区域水流运动方向的特征，反击式水轮机又分为混流式、轴流式、斜流式和贯流式等不同型式。

2 各型水轮机的特点

2.1 混流式水轮机。混流式水轮机又叫法兰西斯水轮机。水流沿径向进入转轮，然后大体沿轴向自转轮流出。混流式水轮机由于应用水头适合多数地区的需要，以及结构简单、运行可靠且效率高，是现代应用最广泛的一种水轮机。在我国已建水电站中混流式水轮机采用最多。

2.2 轴流式水轮机。轴流式水轮机转轮区域的水流是沿轴向流动的，水流在导叶至转轮之间转为轴向，然后进入转轮。根据转轮桨叶在运行时是否可以转动，轴流式水轮机分为轴流定浆式和轴流转浆式两种。轴流定浆式水轮机在运行时其转轮浆叶固定不动，制造简单，但它处于高效区的流量和出力范围远较混流式窄，当离开高效区运行时效率急剧下降。因此，这种水轮机多用于功率不大和水头变化幅度小的水电站。轴流转浆式水轮机在运行时其转轮浆叶可以转动。由于桨叶的转动与导叶的转动相配合，实现流量和出力的双重调节，使其高效区的流量和出力范围显著扩大，并提高了它的运行稳定性。凡水头变化大的中低水头电站，多采用轴流转浆式水轮机。

2.3 斜流式水轮机。斜流式水轮机转轮区域的水流是斜向流动的。由于转轮叶片可以转动而实现双重调节，它象轴流转桨式，处于高效率区的流量，出力范围大。又因叶片轴线与水轮机轴线斜交，它象混流式，可比轴流式装较多的叶片（一般为8~12片），应用水头为30～200m。斜流式水轮机可以在比较宽的负荷范围内稳定运行，有较高的平均效率，而其缺点却相当突出，如结构复杂，可靠性低，容易漏油而造成污染，在吸出高度Hs＝－8m条件下运行，其空蚀现象仍比较严重，后来把转轮和转轮室改为不锈钢材料后，空蚀破坏才有所改善。由于斜流式水轮机在与混流式或轴流式水轮机的比选中无显著特点，因此，在全国的水电设计中很少采用。

2.4 贯流式水轮机。是一种流道呈直线状的卧轴水轮机，其转轮与轴流式相似，可作成定桨和转桨两种。贯流式水轮机的主要优点是：水流基本上沿轴向，不转弯，提高了效率和过流能力；由于流道外形象管子且主轴卧置，可缩短机组高度、间距和简化厂房水工结构，减少土建工程量。

3 水力发电机组的响应特性

水力发电机组的响应特性包括有功功率响应特性和无功功率响应特性。无功功率的调节过程无机械环节，惯性小，且调节精度指标宽。因此调节过程很快，一般无功功率突变量试验测得均在十几秒钟内调节结束。有功功率的调节是通过调速器改变导叶的开度，控制水量的变化来实现的。由于水量的变化和导叶的开度并非是线性关系，而且由于引水管的长度引起水量变化的滞后效应，因此有功功率调节容易超调甚至发生振荡，从而延长了调节过程。目前大部份水电厂已将老式的调速器更新为微机型的调速器，采用PID调节方式，调节品质大大改善。

4 水利发电负荷分配策略

以耗水量而言，水轮发电机组按等微增率分配有功功率是最经济的。当机组型号和额定功率相同时，即可认为机组的水耗微增率特性是相同的，因此可简化为水轮发电机组功率按等比例分配的原则。但是，这是忽略了水轮机的机械磨损对发电成本的影响。而水轮机的机械磨损主要是在功率调整过程中发生的。如果每次给定功率的变化，不管功率变化多大，所有参与AGC运行的机组都将进行相应的调节。例如，每八秒钟更新一次功率给定值，也就是说在系统负荷发生变化时，每八秒钟不管给定功率变化多大，每台机组都要进行相应的调节，显然这是不合理的。为此，采用“有级分配机组功率”的方法，基本上可实现每次给定功率的变化只发生在极少的机组上。所谓“有级分配机组功率”即机组的给定功率变化是阶梯形的，而每一个阶梯的“级差”是有限的。机组间的功率分配是有差别的，但和等微增率分配差别不大，其最大的误差就是功率分配阶梯的“级差”。“有级分配机组功率”相对于“平均分配机组功率”机组的调节频度大大减少，从而减少了功率调整部件的机械磨损。当参加AGC运行的机组增加时，其优越性更加明显。采用“有级分配机组功率”方法后，适当选择“级差”值，每次调节只需一至二台机组响应即可。既可大大减少机组功率调节的频繁程度，减轻了调速器和有关部件的机械磨损，同时也满足了经济运行的要求。水轮发电机组的功率调节性能很好，通常机组功率从空载到满载，负荷上升时间小于一分钟。在有功功率控制调节下，采用PID调节方式，适当选择PID的系数，使机组在接收到给定功率突变值后30秒内，应实现70％的功率增量的调节，并在1分钟内完成调节过程。如果超调过大时，可采用反向的“制动”调节脉冲消除或减少超调量，从而提高了有功功率的调节品质。

5 水利发电机控制调节速率要求

水力发电机组的功率调节方式，可以是单机调节方式，也可以是全厂控制调节方式。两者差别是，单机控制调节方式下，调度所给定的是每台机组的给定功率。而全厂控制调节方式下，调度所给定的是全厂总功率，每台机组的给定功率是由电厂计算机控制系统分配的。在每台机组正常运行的情况下，这两种调节方式下差别不大。但在特殊的情况下，例如在单机调节方式下，某台机组较长时间不响应调度所给定的值，造成较大的场率调节误差，甚至影响电能质量。而在全厂控制调节方式下可在给定功率回路中增加积分环节，弥补各机组引起的功率误差。水轮发电机组大多采用微机型的调速器，负荷调节方便，调节范围宽，调节速度快，可在一分钟内从零功率增至满负荷。为了使水轮发电机组持续稳定运行，必须设定合理的调节死区。调节死区的范围在保证进入死区后能稳定运行的前提下，调节死区应尽可能小一些，以保证功率调节的精度，提高调节品质。一般调节死区设定为1％～2％机组功率额定值。在全厂负荷控制条件下，在功率控制