混流式水轮发电机组关键技术的新发展

摘要

水电建设项目中，电站机组的性能与电站运行的经济效益有着重要的关系。本文浅要探讨混流式水轮发电机组的关键技术发展。

关键词 混流式水轮发电机组关键技术新发展

中图分类号： TB857+.3 文献标识码：A 文章编号：

随着社会经济的高速发展，能源问题成为了世界各国亟待解决的问题之一。我国具有丰富的水能资源，近年来，我国水电开发力度逐步加深，开发进程逐步加快，但实际资源利用比例比较低，也就是说，我国水能资源开发仍旧有很大的潜力。因此，合理开发利用水资源，加强水电建设是我国保证能源供应的重要举措之一。而在水电建设项目中，电站机组的性能与电站运行的经济效益有着重要的关系。本文浅要探讨混流式水轮发电机组的关键技术发展。

一、水轮发电机组技术概况

水力发电主要原理是利用自然水资源处于高处的位能进行转换为水轮机的动能，也就是利用流水量的落差来驱动水涡轮。混流式水轮机是反击式水轮机的一种，还可以称之为轴流式水轮机或者法兰西斯水轮机，它是目前世界水电站广泛采用的水轮机组之一。它的工作原理是水流从径向流入转轮，改变方向后，由水轮的轴向流出。转轮一般由上冠、叶片和下环组成，其转轮叶片固定，不能够进行调节和转动。混流式水轮机以其稳定的运行、高效率、结构简单以及适用水头范围广（70m----200m）而被广泛应用。混流式水轮发电机组主要有水轮机和发电机组成，两者通过主轴连接。水轮机作为原动机将水的势能和动能装换为机械能，发电机是把机械能转换为电能，从而完成了由水能朝电能的转换。

二、水轮发电机组关键技术的发展

随着水轮发电机组的机组尺寸与容量的增大，水轮发电机组研究的重点依旧紧紧围绕着能量的稳定性和空化的稳定度。在安全运行的前提下，追求更加优良的空化指标和能量指标条件，是的水轮机能够有更加宽广的运行范围。我国对于大型水力发电项目一般通过自主引进开发技术，并且进行一定的创新，逐步掌握了混流式发电机组的绝缘、通风、电磁、推力轴承、结构优化、水力设计、制造工艺等关键技术，跻身国际领先水平。关键技术发展迅猛：

1.水轮机效率

从近年来我国相关招标文件中的模型验收试验中得到的水轮机效率数据，不难看出我国水能发电中水轮机效率已经能够与世界先进水平并肩。伴随着水轮机效率的提高，水轮机的加权平均效率也显著提高，现阶段水头最有效率高达95%以上，整个水轮机通流部件设计优化。相较于20世纪后期而言，我国水轮机的最优效率有了显著提高，普遍提高了百分之一以上，体现出了我国在水轮机模型结构设计、实验测试、水利设计以及制造精度水平的综合提高。

2.水轮机的稳定性技术

水轮机的稳定性是由水电站的水力设计、电站设计参数、机组运行质量以及制造质量决定的。在水力设计方面主要采用了三维粘性流体动力CFD分析技术、从蜗壳进口至尾水管出口的整体水力优化设计方法以及开展过流部件留固耦合计算研究，提高了水轮机水力效率，提高了水轮机抗空化性能和水力稳定性，使得水轮机稳定运行范围有了进一步扩大。

3.水轮机空化性能技术

一般来说，现今的混流式水电站为了避免水轮机空化控释的法伤，会在电站选型设计中会将空化系数设置在大于水轮机初生空化系数前提下来选择机组高程安装。据有关统计显示，水电站进行水力设计时，电站装置空化技术与水轮机临界空化系数之比（即K s）要大于1.5，电站装置空化系数与水轮机初生空化系数之比（即K i）要大于1.1，常见水头的K i和K s 见下表。

三、水轮发电机组技术的发展动态

随着水力发电技术的不断深入研究，混流式水轮发电机组在我国水力发电项目中起到了重要作用，但在实际运行过程中混流式水轮发电机组会伴随一些问题，主要表现在运行过程中国会出现振动问题，会给水电站的安全工作带来一定的程度的影响，水轮发电机机组结构上设计不注重动力学原理，给其安全稳定带来了一定的隐患。水轮机发动机组的技术研究正是为了解决这些问题。

1.电磁设计

早期的电机设计主要围绕在电机稳态运行的问题上，考虑到电机本体的性能与结构，采用电路理论的分析方法来解决电机性能分析。但这种方法中存在着一些不稳定的因素因而又一定的局限性，目前，在电机设计方面，逐渐将电磁场数值技术引入电机设计，首要的改变是设计过程中的关注重点从电机的稳态性能转换至电机的瞬态性能，各种故障运行情况下，电机组的瞬态性能会影响到整个电机组的运行状态。为了能够更加准确的获得水轮发电级的瞬间电磁性能参数，必须要结合电磁数值技术来对电机的电磁性能进行计算；其次是由关注电机本体的性能结构转换至关注电机的机网总体协调能力，这是因为电机的动态会影响到电网运行，机网协调问题逐渐被人们重视，机网协调的研究既要考虑到电力系统中其他的相关设备，同时还要涉及到电机本身的性能和结构，目前系统的机网动态分析软件主要有加拿大的PSCAD和EMTP、瑞士的SIMSEN等。

2.冷却方式的选择

目前水轮发电机的冷却大致分为三种，即定子水内冷冷却方式、全空气冷却方式、蒸发冷却方式。在实际运行中这三种冷却方式都有各有优缺，水内冷冷却方式需要借助与内部通水的空心股线导体，蒸发冷却方式在安全性能方面由于水内冷发电机组，蒸发冷却系统的介质不导电且不需要借助其他驱动介质循环；而全空气冷却方式从运行部门的角度来看，是大容量水轮发电机的首选，700MW全空冷水论法电机技术已经趋于完善成熟。

结语

综上，混流式水轮发电机组作为我国水电建设项目中广泛运用的设备之一，对于它在运行过程中所暴露出来的问题，需要不断加强技术上的探索力度，保障电机运行安全稳定，促进机网协调，关于探索混流式水轮发电机组的关键技术还有很长的路要走。

参考文献

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