水輪機防止抬機和減輕反水錘問題的實踐與探討

雷江逵，李建衛(wèi)

（1.甘肅電投九甸峽水電開發(fā)有限責任公司，甘肅 蘭州 730050；2.國投甘肅小三峽水電發(fā)電有限公司，甘肅 蘭州 730050）

水輪機防止抬機和減輕反水錘問題的實踐與探討

雷江逵1，李建衛(wèi)2

（1.甘肅電投九甸峽水電開發(fā)有限責任公司，甘肅 蘭州 730050；2.國投甘肅小三峽水電發(fā)電有限公司，甘肅 蘭州 730050）

反水錘是發(fā)生在反擊式水輪發(fā)電機尾水管流道中的一種特殊水錘現(xiàn)象，在軸流轉(zhuǎn)槳式機組中時有發(fā)生，主要表現(xiàn)是在機組事故停機、甩負荷、空載或空轉(zhuǎn)停機過程中發(fā)生的抬機現(xiàn)象，更為甚者發(fā)生肢解轉(zhuǎn)輪葉片、破壞水輪機頂蓋的嚴重事故。以甘肅洮河峽城水電站機組試驗為例，對反水錘的成因進行了探討，并對取得的成果進行了說明。

水輪機；防止抬機和減輕反水錘；探討

1 水輪機抬機原因

水輪機抬機，是指水輪機在甩負荷過程中，尾水管內(nèi)出現(xiàn)真空，形成反水擊以及水輪機進入水泵工況，產(chǎn)生的水泵升力因而產(chǎn)生反向軸向力，只要反向軸向力大于機組轉(zhuǎn)動部分的總重量就會使機組轉(zhuǎn)動部分被抬起一定高度，此現(xiàn)象稱為水輪機的抬機。

造成抬機的原因可能有兩種：一是機組甩負荷時，尾水管內(nèi)出現(xiàn)反水錘引起的。導葉關(guān)閉時，由于水流的慣性作用，會在轉(zhuǎn)輪室中產(chǎn)生一段真空，同時水流在下游水壓力作用下減速停止并反向運動，撞擊轉(zhuǎn)輪葉片，引起向上的水力沖擊，即所謂的反水錘。二是水輪機進入水泵工況，產(chǎn)生了向上的軸向水推力。負吸出高程的軸流式水輪機，即便導葉關(guān)閉，切斷了上游來水，轉(zhuǎn)輪室仍充滿水，機組轉(zhuǎn)動部分的慣性使轉(zhuǎn)輪在水中仍然旋轉(zhuǎn)，就象一個螺旋推進器，將水流向下推動，同時產(chǎn)生一個向上的軸向水推力，也叫水泵升力，這就是水輪機的水泵工況，當水泵升力大于機組轉(zhuǎn)動部分重量時，就會造成抬機。

機組在設備制造、設備改造中采用了防抬機裝置予以防范；有的電站在電站設計時為了防止抬機事故的發(fā)生，對機組尾水管的結(jié)構(gòu)尺寸、機組的吸出高度、機組的效率、空化系數(shù)、機組的剛度強度進行了綜合優(yōu)化，從而最大限度地降低了抬機量。對于已經(jīng)有抬機現(xiàn)象的機組，應該設法予以解決。

利用調(diào)速器功能的拓展解決水輪機抬機不失為一種有效的手段。計算機技術(shù)的發(fā)展和應用使調(diào)速器的調(diào)節(jié)控制功能有了很大的提高，調(diào)速器機械液壓系統(tǒng)的隨動性和準確性也有了很大的提高。實踐證明利用調(diào)速器的調(diào)節(jié)控制功能及調(diào)節(jié)參數(shù)的調(diào)整改善機組的抬機現(xiàn)象非常有效。

2 峽城水電站機組結(jié)構(gòu)形式

甘肅洮河峽城水電站水輪機型號LH-ZZ550-360，水輪機額定功率13 MW，額定水頭16.2 m，額定流量88.4 m3/s，額定轉(zhuǎn)速166.7 r/min，水輪機轉(zhuǎn)輪直徑3.6 m，吸出高度≤-5.02 m，尾水管長度15 820 mm，尾水管上翹角15.4°，水輪機設計抬機間隙為20 mm，調(diào)保計算導葉關(guān)閉規(guī)律：第一段關(guān)閉時間4.2 s，第二段關(guān)閉時間7 s，拐點為40%導葉開度。

3 現(xiàn)場反水錘試驗

3.1 峽城水電站機組試驗基本條件

按照調(diào)節(jié)保證計算結(jié)果對調(diào)速器進行兩段關(guān)閉規(guī)律進行調(diào)整試驗，兩段關(guān)閉動作正確；蝸殼、機組頂蓋、尾水管壓力測量裝置測試正確；試驗人員組織到位，進行機組甩負荷試驗。

3.2 試驗基本現(xiàn)象及結(jié)果

（1）甩負荷試驗主要數(shù)據(jù)（表1）

（2）甩負荷時主要現(xiàn)象

1）機組甩負荷后，轉(zhuǎn)速隨即上升，導葉在第一段關(guān)閉時，機組轉(zhuǎn)速上升不是最大值，蝸殼水壓上升出現(xiàn)最大值。

2）抬機現(xiàn)象沒有發(fā)生在機組轉(zhuǎn)速最大時，也不是機組頂蓋壓力最小時。

3）抬機現(xiàn)象主要發(fā)生在機組轉(zhuǎn)速開始下降的初期。

4）抬機高度和水輪機轉(zhuǎn)輪槳葉的角度有關(guān)，槳葉開度越小，抬機量越大；槳葉開度大，抬機量相對較小，但頂蓋壓力會急劇上升。

（5）補氣閥的補氣情況和抬機量對比：機組補氣閥不動作，抬機現(xiàn)象明顯嚴重；補氣充分，抬機現(xiàn)象明顯減輕。

（6）水輪機支持蓋處防抬機塊有明顯碰撞痕跡。

3.3 試驗現(xiàn)象分析

從以上試驗現(xiàn)象可以分析出：在機組導葉緊急關(guān)閉時，由于水流的慣性作用，轉(zhuǎn)輪室壓力突然降低，在轉(zhuǎn)輪室中產(chǎn)生一段真空，同時水流在下游水壓力作用下減速并反向運動，撞擊轉(zhuǎn)輪葉片，引起向上的水力沖擊，尾水管中的反向水流流向轉(zhuǎn)輪受阻而形成反水錘。在這個過程中，反水錘的形成應該有兩個前提：轉(zhuǎn)輪室中產(chǎn)生一段真空，尾水管的反向水流受阻。

但在甘肅洮河峽城水電站投產(chǎn)試驗中，盡管沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪室真空，抬機現(xiàn)象依然發(fā)生。分析主要原因是和電站尾水管的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，設計尾水管較長，頂板上翹較大，甩負荷時尾水水流迅速回流。由于機組轉(zhuǎn)動部分的重量已定，電站水工建筑物的結(jié)構(gòu)已經(jīng)定型，這兩部分沒有調(diào)整的余度，但反水錘的危害性應設法減輕或消除。

4 利用調(diào)速器的功能重新調(diào)整調(diào)節(jié)規(guī)律

對于低水頭電站，可能會出現(xiàn)過高的反水錘壓力，但一般工程在進行調(diào)節(jié)保證計算時較少用反水錘壓力來確定機組導葉的關(guān)閉時間。

根據(jù)有關(guān)文獻對水輪機軸向水推力的分析和計算，并結(jié)合具體的水輪機，由于轉(zhuǎn)輪、流道都已固定，軸向水推力Pz和轉(zhuǎn)速n、流量Q可用下式加以描述：

式中k1和k2均為常量。

不難看出，只要控制好流量Q使其和轉(zhuǎn)速n保持一定的關(guān)系，就可保證軸向水推力Pz之值不會大于機組轉(zhuǎn)動部分的重量G，從而避免抬機。

機組甩負荷時調(diào)速器的基本要求是：機組甩100%負荷時蝸殼水壓上升率及機組轉(zhuǎn)速上升率均不應超過設計值；要觀察勵磁系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甩100%負荷時，發(fā)電機機端電壓超調(diào)量不大于15%，調(diào)節(jié)時間不大于5 s，電壓擺動次數(shù)不超過3次；甩100%負荷時，超過穩(wěn)定轉(zhuǎn)速3%以上的波峰不超過2次，機組導葉第一次向開啟方向移動起到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速擺動值不超過±0.5%為止,調(diào)節(jié)時間不應大于40s。從微機調(diào)速器應用實踐情況表明，微機調(diào)速器有可靠、準確、靈活的調(diào)節(jié)控制功能，現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展機械液壓系統(tǒng)的隨動性也越來越好，調(diào)速器電氣部分和機械液壓系統(tǒng)的配合越來越靈活。大量的甩負荷情況表明，由于調(diào)速器微機調(diào)節(jié)器具有PID調(diào)節(jié)功能，甩100%負荷時，超過穩(wěn)定轉(zhuǎn)速3%以上的波峰過程都只有1次。根據(jù)以上情況可以適當重新調(diào)整機組的關(guān)閉規(guī)律，設法避免機組在甩負荷時發(fā)生水輪機抬機量較大的現(xiàn)象。

將導葉分兩段關(guān)閉改為分三段關(guān)閉，機組的轉(zhuǎn)速上升率適當上調(diào)3%～5%，保證蝸殼水壓不變。由于低水頭電站機組轉(zhuǎn)速一般較低，設計所定的轉(zhuǎn)速上升值一般定在140%左右，適當調(diào)整轉(zhuǎn)速上升值不會對機組轉(zhuǎn)動部分造成危害。

調(diào)節(jié)基本思路是，為了控制蝸殼水壓，調(diào)整導葉關(guān)閉規(guī)律和時間，機組在甩負荷時導葉第一段快關(guān)時間不變，對導葉第二段關(guān)閉進行調(diào)整，在第二段關(guān)閉導葉時將導葉不關(guān)到零位，預留5～6%的導開度。這樣做的好處是蝸殼水壓仍可以得到有效地控制，機組緊急停機過程尾水管不脫流，或者說盡可能避免轉(zhuǎn)輪室真空現(xiàn)象發(fā)生。不足之處是，甩100%負荷時，超過穩(wěn)定轉(zhuǎn)速3%以上的波峰會出現(xiàn)2次，但機組導葉第一次向開啟方向移動起到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速擺動值不超過±0.5%。調(diào)節(jié)時間相對于兩段關(guān)閉要略長，但不會超過40 s。

經(jīng)過調(diào)整導葉關(guān)閉規(guī)律后，甩負荷試驗測得數(shù)據(jù)滿足了設計要求，轉(zhuǎn)動部分抬機量也有所降低。

主要試驗數(shù)據(jù)如表2：

5 防止抬機和減輕反水錘的有效方法探討

綜合上述各種情況表明，以下幾種措施可以防止抬機和減輕反水錘事故。

（1）合理選擇導葉關(guān)閉時間

在水電站設計中，導葉的關(guān)閉時間通常是以蝸殼水壓或壓力水管的要求按調(diào)節(jié)保證計算來確定的。但是，對于低水頭電站，由于可能出現(xiàn)過高的反水錘壓力，因此調(diào)節(jié)保證計算應考慮防止反水錘事故的發(fā)生來確定導葉關(guān)閉時間。

（2）合理選擇調(diào)節(jié)規(guī)律

當用調(diào)節(jié)保證計算無法解決反水錘與轉(zhuǎn)速升高的矛盾時，可改變導葉的關(guān)閉規(guī)律，工程中采用分段關(guān)閉導葉的方法非常有效，必要時采用三段關(guān)閉導葉，能理想地解決好這一問題。

（3）設備制造時可以適當加大補氣閥的尺寸，調(diào)整補氣閥的動作值，保證可靠補氣。

（4）在電站設計中，合理選擇尾水管結(jié)構(gòu)尺寸，以降低尾水管反向水流的流速。

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TK730

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1672-5387（2010）04-0011-03

2010-04-19

雷江逵，男，高級工程師，從事大型水電站建設管理工作。