稳定运行范围调整对电站运行的影响

利用水轮机稳定运行范围确定方法（新方法）比利用发电机稳定运行范围确定的方法（老方法）更科学，更符合水轮机的运行规律，在此范围内水轮机效率高，空化性能好，一般情况下压力脉动也比较低（模型试验和现场试验的结果也证实了这一点），由此确定的稳定运行范围和水头变比（主要指最高水头和额定水头之比）大小基本无关，水头变比大的电站也基本可以满足要求。但如果采用老方法，水头变比大的电站则大多难以满足稳定运行要求。

从表面上看，该新方法也有缺陷，将稳定运行的范围减小了。由图1可以看出，新方法确定的稳定运行范围比老方法确定的范围（在同样比例的条件下）小一个近似于三角形的区域，这也是某些业主留恋老方法的原因，他们不情愿轻易放弃该三角形区域的稳定运行范围。其实不然，该三角区域由于其先天的缺陷，已经远离稳定运行区，并不能给业主带来真实的稳定运行范围的扩大，反而可能因为该区域保证的不合理而影响其他合理区域的保证。换句话说，承包方可能会以该难以保证的区域无法保证为由而放弃对其他能保证区域的保证，或当在其他区域出现不满足稳定运行要求的工况时，以该区域业主提出的要求过于苛刻为由，而拒绝承担本应承担的责任。对于某些新建的大巨型电站来说，如果水头变幅比较大，已非常清楚原规定的稳定运行范围无法确实保证，只好将稳定运行范围减小。以国内某巨型电站为例，按标准规定的混流式水轮机稳定运行范围是45%～100%相应水头下机组的最大保证功率，因担心在高水头下没法满足要求，某些生产厂家提出将水轮机稳定运行范围调整为70%～100%相应水头下机组的最大保证功率（如图1中虚线所示）。将这个保证范围和图1中用新方法确定的稳定运行范围相比较，新方法不是降低了稳定运行的保证范围，而是增加了保证范围。之所以会出现前面所述的现象，是因为原来规定的范围对于水头变比大的电站来说基本无法保证，将可以实际实现的保证范围和虚拟的无法实现的保证范围相比较，二者之间没有可比性。将调整后可以实现的稳定运行范围和用新方法确定的稳定运行范围相比，新方法的优越性才得以显现出来。

面对水头变比大的电站水轮机难以满足稳定运行范围要求这一现实，包括业主、设计部门、研究部门和制造厂家等在内的专家、学者进行了广泛的研究探索，提出了许多改善措施。这主要包括：采用X形叶片等更适合水头变比大这一现实条件的转轮；提高额定水头，或在额定出力之外再增加一最大出力，实际上等于提高了额定水头和额定出力，降低了最高水头和额定水头之比；提高水轮机设计水头（即最优工况水头），降低最高水头和设计水头之比，减少进水边脱流等不稳定现象，提高高水头运行区的稳定性等。客观地说，这些改善措施均有一定成效。

首先，调整后的稳定运行范围并不是轻易可以实现的，而是将过去的不可能变成了现在的经过努力可以实现。以国内的某大型电站为例，采用了两种不同的水轮机转轮，设计参数差别很大，其运行状况分别如图2和图3所示。显然，两种机型均不能满足过去的稳定运行要求。采用新方法后，图3所示乙机型基本满足稳定运行要求，但图2所示甲机型还有一定差距，在新稳定区内仍有大片区域压力脉动幅值超标。对照图2和图3，之所以出现上述状况，除转轮的性能差异外，其选择了不同的设计水头和最大出力对应水头也是重要原因。乙机型设计水头高于电站最高水头，最大出力对应水头也比甲机型的该水头高，这和乙机型的实际稳定运行范围宽是密切相关的。

图2　国内某电站甲机型运行范围图

图3　国内某电站乙机型运行范围图

其次，稳定运行范围的调整仅是外部条件的调整，只是把原来对水头变幅大的电站不尽合理公正的要求调整得合理公正一些。但在同样的要求范围内，水头变幅大的电站（尤其是大巨型机组）仍然处于劣势，达到要求有一定难度。因此，要满足调整后的稳定范围要求，还必须从转轮设计、流道设计、参数选择等多方面入手，才能从根本上保证稳定运行的实现。