混流式水輪機穩(wěn)定運行的主要水力因素淺析

黃漢云

（云南華電怒江水電開發(fā)有限公司，云南 昆明 650051）

混流式水輪機穩(wěn)定運行的主要水力因素淺析

黃漢云

（云南華電怒江水電開發(fā)有限公司，云南 昆明 650051）

針對混流式水輪機穩(wěn)定運行的主要水力因素進行淺析，為電站的設(shè)計、制造安裝、生產(chǎn)運行管理提供一定的參考。

水電站；混流式水輪機；穩(wěn)定運行；水力因素

目前隨著水電機組容量和尺寸的不斷增大，轉(zhuǎn)速的相應(yīng)提高，相對剛度的減弱，機組的運行穩(wěn)定性問題已成為電站設(shè)計、制造安裝和生產(chǎn)管理單位極為關(guān)注的問題。很多設(shè)計單位在對水輪機選型時對一些關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)進行了合理化的選擇，如水頭、轉(zhuǎn)速、梳齒間隙高度、間隙道數(shù)等的選擇；制造安裝單位對施工工藝更進一步的提高，如提高底環(huán)、頂蓋、轉(zhuǎn)輪的制造加工的精度和減小橢圓度的大小，調(diào)整安裝誤差的大小和機組整體的同心度的偏差大小以及主軸的擺度的大小等；生產(chǎn)運行管理單位也從生產(chǎn)管理的角度加以考慮和改善。通過設(shè)計、制造安裝、生產(chǎn)運行管理單位的共同努力，使大部分原本穩(wěn)定性運行較差的機組得到了有效的改善，但穩(wěn)定性運行的處理需要各方的物力、財力和人力。

1 部分運行中的混流式水輪機的穩(wěn)定性情況

1.1 二灘水電站

機組由加拿大GE公司中標(biāo)，水輪機型號HLF497-LJ-625.7，額定出力561MW，額定水頭165m，電站最大水頭Hmax=189m，最小水頭Hmin=135m，Hmax/Hmin=1.4。機組投運后存在較顯著的較寬的部分負荷水力振動區(qū)，低頻尾水管壓力脈動對機組運行穩(wěn)定影響明顯；同時存在較強的高頻水壓脈動，頂蓋振動大，廠房樓板也有明顯的高頻振動和有強烈噪音；在大負荷區(qū)，水壓脈動較小，機組相對運行穩(wěn)定。從1998年8月第1臺機組投運以來，電站6臺轉(zhuǎn)輪葉片下環(huán)出現(xiàn)了不同程度的裂紋，截止到2003年3月，6臺轉(zhuǎn)輪共發(fā)現(xiàn)32條裂紋，其中葉片出水邊與上冠連接處4條，沒有重復(fù)出現(xiàn)的情況，葉片出水邊與下環(huán)連接處28條，8個轉(zhuǎn)輪葉片同一位置出現(xiàn)重復(fù)性的裂紋共計16條。

1.2 巖灘水電站

巖灘水電站裝機4臺，水輪機型號為HL286a-LJ-800，總?cè)萘?210MW，單機水輪機額定出力307.1MW，額定水頭54m，電站最大水頭Hmax=68.5m，最小水頭Hmin=37m，Hmax/Hmin=1.851。轉(zhuǎn)輪名義直徑D1=8.0m，轉(zhuǎn)輪共有13個葉片。機組投運后，在高水頭區(qū)域運行時，多個工況點出現(xiàn)強振動現(xiàn)象。在強振作用下，尾水錐管里襯出現(xiàn)裂紋，廠房樓板出現(xiàn)強烈振動，機組不得不避開振動區(qū)運行。2號機運行400多天后發(fā)現(xiàn)8個葉片有裂紋，3號機運行200多天后發(fā)現(xiàn)6個葉片有裂紋。

1.3 李家峽水電站

李家峽水電站裝機2000MW，單機水輪機額定出力408.2MW，額定水頭122.0m，最大水頭Hmax=135.6m，最小水頭 Hmin=114.5m，Hmax/Hmin=1.184。電站初期運行水頭只有94～97m。1號機運行500多天后發(fā)現(xiàn)13個葉片有16條裂紋；2號機運行240多天后發(fā)現(xiàn)13個葉片有14條裂紋。3號機運行90多天后也發(fā)現(xiàn)3條較小裂紋。

從上述三個大型水電站的實際運行情況來看，混流式水輪機運行存在的不穩(wěn)定性現(xiàn)象是其本身特有的現(xiàn)象，水輪機運行穩(wěn)定性主要表現(xiàn)為水輪機在偏離設(shè)計的工況運行時，特別是在高水頭作用下產(chǎn)生壓力脈動過大和有較大水頭變幅，水輪機可能落入了不穩(wěn)定區(qū)時，壓力脈動作用于梳齒、高壓腔、外緣等轉(zhuǎn)輪所有徑向投影面上，使轉(zhuǎn)輪承受徑向不平衡作用力，引起水輪機周期性的振動，就有可能造成葉片裂紋、尾水管錐段撕裂、振動區(qū)較大、機組產(chǎn)生嚴(yán)重氣蝕、廠房樓板出現(xiàn)振動等。其不穩(wěn)定性的程度與偏離的范圍有關(guān)，偏離范圍越大，破壞也越大。

2 混流式水輪機穩(wěn)定運行的主要振動形式

2.1 水輪機水力振動

水流流經(jīng)水輪機蝸殼、座環(huán)、固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪以及尾水管等過流部件時，由于這些過流部件在設(shè)計制造安裝的誤差，形成不對稱的水流作用力矩及水流脫流，同時當(dāng)轉(zhuǎn)輪遠離無撞擊進口和最優(yōu)水流出口運行時，內(nèi)部流動狀況變壞，產(chǎn)生脫流和渦帶，形成壓力脈動，引起水輪機本體甚至相鄰混凝土結(jié)構(gòu)振動，嚴(yán)重時會導(dǎo)致構(gòu)件疲勞破壞。運行工況變化時，葉片進口水流的沖角、出口環(huán)量的大小和方向也隨之變化，誘發(fā)水輪機水力振動。

2.2 高中低頻壓力脈動

轉(zhuǎn)輪進口水流沖角太大，導(dǎo)致葉片頭部脫流空化，形成葉道渦流，引起高頻或中頻壓力脈動。葉片出口環(huán)量過大，尤其是在尾水管內(nèi)出現(xiàn)大渦帶后，渦帶以近乎固定的頻率在管內(nèi)轉(zhuǎn)動，在尾水管內(nèi)產(chǎn)生強烈的渦帶，引起低頻壓力脈動。

2.3 尾水管壓力脈動

由于轉(zhuǎn)輪出口處的旋轉(zhuǎn)水流以及脫流旋渦和空蝕等的影響；同時高水頭小流量工況時葉片頭部產(chǎn)生正沖角、低水頭大流量時葉片頭部產(chǎn)生負沖角，進而導(dǎo)致了葉片吸入側(cè)或壓力側(cè)的脫流；另一方面由于非最優(yōu)工況的水流在轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量加劇了尾水管渦帶，導(dǎo)致尾水管壓力脈動的產(chǎn)生。當(dāng)尾水管內(nèi)一旦發(fā)生壓力脈動，就會激起尾水管壁、轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機構(gòu)、蝸殼及壓力管道的振動。

2.4 空腔氣蝕引起的振動

水輪機的空腔破壞程度與運行條件有著密切的關(guān)系。其中最明顯的有水輪機的吸出高度選擇不合理、水輪機的運行時間的長短、水輪機運行水頭及轉(zhuǎn)輪尺寸、水輪機功率和水頭變化等都有可能造成空腔氣蝕。空腔氣蝕引起的振動，在其運行區(qū)域內(nèi)將可能發(fā)生嚴(yán)重的空蝕，導(dǎo)致機組嚴(yán)重的振動。

2.5 其它振動

水輪機產(chǎn)生振動在水力方面另一個重要的原因是機組部件的固有頻率與主要水力振源的頻率一致或相近而引起的共振。主要的水力振源有機組的轉(zhuǎn)頻、尾水管壓力脈動頻率、固定導(dǎo)葉頻率、活動導(dǎo)葉頻率、轉(zhuǎn)輪葉片頻率、卡門渦頻率，此外還有葉道渦、無葉區(qū)的高頻等。

3 混流式水輪機穩(wěn)定運行的水力因素

3.1 高水頭小開度或者小負荷區(qū)工況

在這種工況下，轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量過大，將造成局部真空，形成復(fù)雜的旋渦運動，而出現(xiàn)渦帶的大幅度的振擺，引起低頻壓力脈動，該渦帶在尾水管壁的作用下，形成一個激振源，可上、下反復(fù)傳遞，造成流道內(nèi)壓力變化以及水頭變化，破壞尾水管壁，并造成機組出力不穩(wěn)和噪音，從而引起尾水管壁及轉(zhuǎn)輪的劇烈振動，嚴(yán)重時甚至可能造成引水管和廠房的共振。尾水管高度越小，壓力脈動越大，危害也越嚴(yán)重。特別是在高水頭小開度工況葉片進口沖角和出口環(huán)量均較大，兩種因素疊加，對穩(wěn)定運行是極為不利的。

3.2 低水頭大流量運行工況

在這種工況下，受發(fā)電機容量的限制，為了發(fā)足容量，在水頭降低的狀況下，流量勢必增大，水流以負沖角繞流葉片，導(dǎo)致葉片頭部壓力側(cè)脫流，水流分離成片狀渦串，在上冠、下環(huán)和兩個葉片組成的流道之間流出。在此種工況下，由于負沖角很小，葉片頭部幾乎不可能造成空化脫流，即使造成空化脫流，除噪聲明顯增大外，潛在的破壞不大，一般通過向尾水管補氣后即可有立竿見影的功效。根據(jù)相關(guān)設(shè)計單位的經(jīng)驗統(tǒng)計，當(dāng)最小水頭對應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速與最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速比值大于1.25倍時，將使葉片進口負沖角加大，但由于出口環(huán)量不是很大，同時在低水頭情況下，電站吸出高度負值較大，對轉(zhuǎn)輪的空化影響較小，水輪機運行穩(wěn)定性比高水頭小開度工況要好。

3.3 運行時負荷變化過大工況

當(dāng)水頭向高水頭方向移動時，葉片進口邊正壓面來流沖擊對水頭的變化極為敏感，甚至當(dāng)水頭超過設(shè)計水頭的1.1倍時，葉片進口背面已經(jīng)開始出現(xiàn)脫流，因此機組運行的穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在高水頭段的運行穩(wěn)定性。當(dāng)水頭從設(shè)計水頭向低水頭移動時，葉片正面的脫流對水頭的變化不很敏感，在大流量區(qū)出現(xiàn)葉片進口邊正面脫流空化渦帶和較強的尾水管渦帶一般在常規(guī)的水輪機輸出功率限制線以外。機組在高水頭段葉片進口背面脫流主要是由于水頭高于額定水頭后，機組發(fā)出額定輸出功率所需的導(dǎo)葉開度變小，偏離最優(yōu)工況，水流與葉片產(chǎn)生撞擊。因此如果在高水頭段能夠保證導(dǎo)葉的開度在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，則可能控制機組高水頭液流對葉片進口撞擊而產(chǎn)生的不利的影響。

3.4 設(shè)計時水輪機最大運行水頭Hmax與額定水頭Hr比值過大

根據(jù)設(shè)計單位的經(jīng)驗，當(dāng)水輪機最大運行水頭Hmax與額定水頭Hr比值大于或等于1.2時，水輪機運行有可能落在不穩(wěn)定區(qū)，這是因為在高水頭遠離最優(yōu)設(shè)計工況，導(dǎo)葉開度小，轉(zhuǎn)輪進口水流沖角較大，導(dǎo)致葉片頭部或背部負壓側(cè)脫流空化或局部真空，即形成渦流，由于流動不均，自上而下沿葉片長度方向產(chǎn)生二次流，形成高強度的不穩(wěn)定渦流，嚴(yán)重時進口空化將導(dǎo)致葉片頭部的嚴(yán)重破壞。這種不穩(wěn)定的渦流是動態(tài)負荷的起因和激振源，有可能產(chǎn)生葉道渦流，引起高頻和中頻壓力脈動。

4 預(yù)防和整治措施

混流式機組所有穩(wěn)定性運行問題均會導(dǎo)致機組運行出現(xiàn)不同程度的影響，有的甚至導(dǎo)致機組無法正常的運行，給電站帶來重大的損失，所以采取必要的預(yù)防措施尤為關(guān)鍵；當(dāng)出現(xiàn)無法滿足穩(wěn)定性運行時應(yīng)積極的尋找解決問題的關(guān)鍵。筆者認(rèn)為解決穩(wěn)定性運行應(yīng)主要從電站參數(shù)設(shè)計合理化、提高制造安裝檢修工藝水平、加強設(shè)備的整治和改造以及選擇合理的運行方式著手。

4.1 電站參數(shù)設(shè)計合理化

在電站設(shè)計階段應(yīng)合理地選擇各種水頭，這是水輪機穩(wěn)定運行所做工作的第一步。機組能否穩(wěn)定運行主要決定于水輪機的水力設(shè)計，也與機組固有頻率和電站輸水系統(tǒng)頻率、廠房振動頻率等的設(shè)計匹配，以及水輪機特征水頭的選擇等密切相關(guān)，因此選擇合適的水輪機特征水頭，有利于水輪機的水力設(shè)計，同時要盡量避開各種頻率的共振區(qū)。

4.2 提高制造安裝檢修工藝水平

制造廠應(yīng)在合理的范圍內(nèi)盡量提高水輪機頂蓋、座環(huán)、主軸等主要部件的剛度、強度，同時應(yīng)該提高水輪機的相應(yīng)的配合尺寸的加工精度，例如提高粗糙度、橢圓度、同心度、水平度等的精度。安裝施工單位應(yīng)從組織措施、管理措施、技術(shù)措施上來滿足機組的安裝質(zhì)量在各種規(guī)程規(guī)范的質(zhì)量要求范圍之內(nèi)。檢修單位應(yīng)精心組織，對運行中發(fā)現(xiàn)的問題有重點有針對地采用先進的工藝開展大修工作，做到該修必修，修必修好，汛期不臨檢的原則，嚴(yán)格把握好大修質(zhì)量關(guān)。

4.3 加強設(shè)備的整治和改造

在加強設(shè)備運行生產(chǎn)管理的同時，生產(chǎn)運行管理單位應(yīng)積極開展設(shè)備的整治和改造的工作，把一些小問題或尚處于萌芽期的問題及早發(fā)現(xiàn)及早處理，避免事態(tài)進一步擴大；對存在的較大問題應(yīng)不回避、不忽視、積極主動地與上級主管單位、設(shè)計方、專家學(xué)者、大專院校、檢修運行工人溝通協(xié)商，尋找一些能真正解決問題的方法方式，通過整治和改造盡快使機組運行穩(wěn)定性合理，避免事情擴大，造成更大的財力、物力、人力和毀滅性的損失。

4.4 選擇合理的運行方式

作為生產(chǎn)運行管理者應(yīng)該全面掌握電站的運行數(shù)據(jù)，建立對機組狀態(tài)進行長期運行趨勢分析的機制，知道所管轄的機組的各種運行工況下的穩(wěn)定性，制定出各種情況下的詳細運行方式，如汛期、平水期、枯水期、大修期、限負荷期等的運行方式，達到合理確定運行范圍或運行方式的目的。

[1]韋彩新，韓鳳琴，孫建平，等.大型混流式水輪機小負荷工況振動研究[J].華中理工大學(xué)學(xué)報,1998,26（10）:73-75.

[2]吳次光,青長庚.混流式水輪機電站運行穩(wěn)定性與裝機容量選擇的探討[A].大中型混流式水輪機運行穩(wěn)定性專輯[C].2004.

[3]伍曉芳，閉貴福，梁玉福.大型混流式水輪機尾水管振動數(shù)值模擬及應(yīng)用[J].廣西電力,2005，（5）:57-59.

[4]沈東.水力機組故障分析[M].中國水利水電出版社,1996.

[5]韓鳳琴，范春學(xué)，桂中華，等.非定常流彎肘型尾水管不規(guī)則壓力脈動預(yù)測[J].水力發(fā)電,2006,32（2）:49-51.

[6]方源.萬家寨水輪機運行狀態(tài)對水輪機選型設(shè)計的啟示[J].水力發(fā)電學(xué)報,2004,（1）.

[7]王柯岑.水力機組振動[M].北京：水利電力出版社，1986.

[8]董毓新.水輪發(fā)電機組振動[M].大連:大連理工大學(xué)出版社，1989.

[9]陳飛翔,趙旭光，趙涌,等.二灘水力發(fā)電廠水輪機振源分析[J].中國農(nóng)村水利水電，2002，（12）.

TK733+.1

A

1672-5387（2010）02-0012-03

2010-01-26

黃漢云（1975-），男，工程師，從事水電站設(shè)備管理工作。