大變幅水頭機(jī)組在紫坪鋪水電站的應(yīng)用

摘 要：水頭是水輪發(fā)電機(jī)組的重要參數(shù)。水頭變幅過(guò)大對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)有很大影響。為避免機(jī)組在振動(dòng)區(qū)運(yùn)行，就要全面分析大變幅水頭機(jī)組的運(yùn)行工況，產(chǎn)生振動(dòng)的各種原因。本文以紫坪鋪電站機(jī)組為例，討論大變幅水頭機(jī)組的運(yùn)行工況和運(yùn)行特點(diǎn)，讓機(jī)組運(yùn)行在最有工況。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī) 發(fā)電機(jī) 水頭 故障

中圖分類號(hào)：TU457 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）04（b）-0134-02

四川成都市內(nèi)的紫坪埔鋪電站位于都江堰市紫坪鋪鎮(zhèn)西北60多公里的岷江上游地段。它也是上游岷江干流中六級(jí)開發(fā)的第5級(jí)電站。該電站主要是由供水和灌溉為主，同時(shí)具有防洪、旅游、供電以及環(huán)境保護(hù)等特點(diǎn)，也是綜合效益并發(fā)的大型水利樞紐工程。該水庫(kù)總?cè)萘繛?1.12億m3，正常的水庫(kù)庫(kù)容為9.98億m3，同時(shí)正常的蓄水位是877 m，死水位是817 m，汛限制水位為850 m。鋼筋混凝土的面板堆石壩中的壩高為156 m，壩頂高位884 m，其中電站裝機(jī)為4×190 MW，保障出力為168 MW，且每年的平均發(fā)電量為34.17億kW·h。故該工程是一等項(xiàng)目，主要的建筑物為Ⅰ級(jí)

1 水輪發(fā)電機(jī)組特點(diǎn)

紫坪鋪電站的水輪發(fā)電機(jī)組表面上看沒(méi)有太大的難度，因?yàn)?，從裝機(jī)容量上看，其單機(jī)只有190 MW，從部件尺寸看，其轉(zhuǎn)輪直徑只有4.85 m，發(fā)電機(jī)機(jī)座號(hào)只有10.8 m，都不算很大，但電站有一個(gè)特點(diǎn)，其最大水頭為132.76 m，最小水頭為68.4 m，比值高達(dá)1.94，且其出力跨度從100 MW到240 MW，比因運(yùn)行范圍寬而引起全國(guó)廣泛關(guān)注的三峽電站機(jī)組有過(guò)之而無(wú)不及（三峽水頭變幅為113 m/61 m=1.852，出力變幅為852 MW/497 MW），因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中便對(duì)機(jī)組在超寬運(yùn)行范圍內(nèi)的穩(wěn)定性和振動(dòng)特點(diǎn)給予了充分的關(guān)注，采取了如下措施。

其一，為了避免機(jī)組在高水頭段出現(xiàn)葉片進(jìn)流沖角過(guò)大，要求水輪機(jī)廠家盡量提高機(jī)組的設(shè)計(jì)水頭（最優(yōu)水頭）。

其二，由于機(jī)組最大水頭超過(guò)額定水頭的1.3倍，為了避免機(jī)組在高水頭運(yùn)行時(shí)開度較?。ㄟ@種工況很可能會(huì)引發(fā)水力振動(dòng)），設(shè)計(jì)了發(fā)電機(jī)最大出力，為240 MW（額定為190 MW），這樣可以完全避開這個(gè)水頭段可能的振動(dòng)區(qū)。

其三，對(duì)于補(bǔ)氣，除了慮常規(guī)的自然補(bǔ)氣外，還預(yù)留了壓縮空氣補(bǔ)氣接口。

其四，在作水輪機(jī)參數(shù)選擇時(shí)將穩(wěn)定性參數(shù)放在首位，將經(jīng)濟(jì)性和能量指標(biāo)的先進(jìn)性放在相對(duì)次要的位置。

最終紫坪鋪電站的水輪機(jī)選擇了由東方電機(jī)股份有限公司生產(chǎn)提供，他們提供的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪部件從俄羅斯LMZ公司進(jìn)口，水輪機(jī)葉片采用負(fù)傾角的“X”形葉片，以提高水輪機(jī)在高水頭運(yùn)行的穩(wěn)定性。俄羅斯LMZ公司在水力穩(wěn)定性方面的成就應(yīng)該說(shuō)是世界領(lǐng)先的。LMZ公司提供的類似電站業(yè)績(jī)表明，在大水頭變幅轉(zhuǎn)輪方面他們是有豐富經(jīng)驗(yàn)的，所提供的幾個(gè)電站參數(shù)也與紫坪鋪電站參數(shù)極其接近，并已運(yùn)行多年，下面是這幾個(gè)電站及紫坪鋪的參數(shù)比較表。（如表1）

2 大變幅水頭機(jī)組的水力穩(wěn)定性

近年來(lái)，我國(guó)水電事業(yè)迅猛發(fā)展，單機(jī)容量越來(lái)越大，水頭越來(lái)越高，水頭變幅越來(lái)越大，而大型混流式機(jī)組因水頭變幅過(guò)大，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)、葉片裂紋問(wèn)題，如中國(guó)的巖灘、五強(qiáng)溪、隔河巖、天荒坪、大朝山、小浪底等。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：運(yùn)行不穩(wěn)定或水力穩(wěn)定性較差的機(jī)組大多數(shù)為水頭變幅大的混流式機(jī)組。這些水頭大變幅機(jī)組，當(dāng)額定水頭太低時(shí)（Hmax/Hr≥1.15），發(fā)電機(jī)出力限制線在高水頭區(qū)過(guò)分地侵入水輪機(jī)高效區(qū)，可能導(dǎo)致大部分高效區(qū)被發(fā)電機(jī)出力限制線限制在外。另外，當(dāng)水輪機(jī)在高水頭、效率低區(qū)域運(yùn)行時(shí)，由于導(dǎo)葉開度小，出現(xiàn)葉片進(jìn)口水流正沖角過(guò)大，造成葉片進(jìn)口邊負(fù)壓面脫流空化而形成進(jìn)水邊空蝕（葉道渦），而進(jìn)水邊空蝕會(huì)產(chǎn)生很大的壓力脈動(dòng)，致使機(jī)組強(qiáng)烈振動(dòng)，對(duì)水輪機(jī)破壞很大。如巴基斯坦塔貝拉水電站，當(dāng)運(yùn)行水頭高于設(shè)計(jì)水頭以上時(shí)，振動(dòng)與噪音明顯增大，運(yùn)行2500～4000 h后發(fā)現(xiàn)螺絲松動(dòng)，尾水管里襯開裂，葉片產(chǎn)生裂紋。一般情況下水輪機(jī)參數(shù)（Hmax—Hmin）/Hp≤0.3～0.4，而紫坪鋪電站參數(shù)（Hmax—Hmin）/Hp=0.63。在高水頭運(yùn)行時(shí)，進(jìn)水正沖角較大，可能會(huì)導(dǎo)致葉道渦產(chǎn)生，因此適當(dāng)提高紫坪鋪電站水輪機(jī)的設(shè)計(jì)水頭和發(fā)電機(jī)最大出力是必要的，另外水輪機(jī)采用負(fù)傾角的“X”形葉片也可以提高水輪機(jī)在高水頭運(yùn)行的穩(wěn)定性。為此，俄羅斯LMZ公司在2003年7、8月對(duì)紫坪鋪電站的PO140轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了能量、空化、穩(wěn)定性、導(dǎo)葉水力矩、軸向水推力等性能試驗(yàn)。通過(guò)大量試驗(yàn)俄羅斯LMZ公司得出了以下結(jié)論：（1）PO140轉(zhuǎn)輪效率指標(biāo)比較先進(jìn)，并且有較大的出力余量；（2）PO140轉(zhuǎn)輪具有較好的空化指標(biāo)，即使在超發(fā)工況下，水輪機(jī)也有較好的空化性能。但是，如果較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在部分負(fù)荷工況下，也將使水輪機(jī)葉片進(jìn)水邊背面和葉片出水邊靠上冠部分及上冠部分產(chǎn)生較嚴(yán)重的氣蝕；（3）PO140轉(zhuǎn)輪在水頭小于80 m，單位流量450～650 L/s區(qū)域有一個(gè)壓力脈動(dòng)較大的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)主頻下得最大壓力脈動(dòng)達(dá)7%，屬于水力不穩(wěn)定區(qū)，機(jī)組運(yùn)行時(shí)應(yīng)盡量避免運(yùn)行在該區(qū)域，以免給機(jī)組造成損壞。

3 大變幅水頭對(duì)紫坪鋪水電站的影響

（1）2011年3月28日，在2#機(jī)組計(jì)劃B修中，發(fā)現(xiàn)頂蓋止漏環(huán)焊縫有嚴(yán)重開裂脫空情況，在3#導(dǎo)葉至7#導(dǎo)葉之間對(duì)應(yīng)止漏環(huán)有寬度為0.7 mm、深度為3 mm、長(zhǎng)度約3 m的裂縫且銹蝕嚴(yán)重；其它方位也有不同程度的裂紋和銹蝕現(xiàn)象，裂縫長(zhǎng)度占焊縫總長(zhǎng)度的1/5。在分析測(cè)量數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)，止漏環(huán)總間隙之間的差距較大，且測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)明顯規(guī)律。在頂蓋被拆出后還發(fā)現(xiàn)活動(dòng)導(dǎo)葉4#、5#、6#、7#對(duì)應(yīng)的頂蓋止漏環(huán)表面顏色較深，有燒損跡象。針對(duì)止漏環(huán)開裂問(wèn)題，電廠立即通知廠家技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)檢查，研究并分析頂蓋止漏環(huán)焊縫開裂的原因，提出了拆除頂蓋返廠，用備品更換現(xiàn)有的止漏環(huán)，徹底解決2#機(jī)組止漏環(huán)存在的問(wèn)題。而造成紫坪鋪電站2#機(jī)組頂蓋止漏環(huán)焊縫嚴(yán)重開裂脫空的一個(gè)重要原因就是水頭比值高達(dá)1.94的大變幅水頭對(duì)轉(zhuǎn)輪的影響。由于其水輪機(jī)在低水頭35%～45%預(yù)想出力范圍內(nèi)，高水頭40%～70%預(yù)想出力范圍內(nèi)壓力脈動(dòng)較大，造成了水輪機(jī)振動(dòng)非常嚴(yán)重，這就使得2#機(jī)組頂蓋止漏環(huán)焊縫嚴(yán)重開裂脫空。

（2）紫坪鋪電站四臺(tái)機(jī)組技術(shù)供水系統(tǒng)減壓閥選用的是以色列DOROT減壓閥膜片差壓式減壓閥，2006年10月5日，發(fā)現(xiàn)3#機(jī)組技術(shù)供水減壓閥動(dòng)作異常，全開后無(wú)法關(guān)閉。于是對(duì)3#機(jī)組技術(shù)供水減壓閥進(jìn)行了拆卸檢修，發(fā)現(xiàn)減壓閥閥桿斷裂、中心導(dǎo)向爪損壞、閥座脫落，經(jīng)更換損壞部件回裝后工作正常。在2007年11月，2#機(jī)組和4#機(jī)組技術(shù)供水減壓閥又相繼出現(xiàn)了類似問(wèn)題。在機(jī)組投運(yùn)后不到兩年時(shí)間，先后有3臺(tái)機(jī)組減壓閥出現(xiàn)了基本相同的問(wèn)題，而造成這種問(wèn)題一個(gè)重要的原因就是紫坪鋪電廠機(jī)組水頭在68.4m～132.76 m變化。最初設(shè)計(jì)考慮采用兩級(jí)減壓方式實(shí)現(xiàn)，即第一級(jí)減壓至0.80 MPa，第二級(jí)減壓至0.30～0.40 MPa。但由于現(xiàn)場(chǎng)管路布置條件限制，只能安裝一臺(tái)減壓閥，因此設(shè)計(jì)最終定為一級(jí)減壓，該減壓閥的最大減壓比為1∶3，當(dāng)水頭達(dá)到最大水頭132.76 m時(shí)，該減壓閥出口最低能調(diào)至0.46 MPa，而紫坪鋪電站機(jī)組技術(shù)供水水壓在0.25～0.40 MPa最為合適。因此該減壓閥在技術(shù)供水系統(tǒng)中，經(jīng)常工作于正常工作調(diào)節(jié)壓力范圍之外，長(zhǎng)期工作在惡劣工況區(qū)，導(dǎo)致減壓閥使用壽命短，容易損壞。最后紫坪鋪電站對(duì)技術(shù)供水減壓閥進(jìn)行了改造，采用了ZJY46H-16型活塞式減壓閥，該減壓比能達(dá)到10∶1，所以能滿足我廠68.4～132.76 m水頭下，減壓閥后壓力為0.25～0.40 MPa的變幅范圍，同時(shí)一級(jí)減壓即可。

4 提高紫坪鋪水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的措施

對(duì)于紫坪鋪電站這樣水頭變幅達(dá)到1.94的機(jī)組而言，應(yīng)該把安全穩(wěn)定運(yùn)行放在首位。然而紫坪鋪水電站在系統(tǒng)中又要擔(dān)任調(diào)峰調(diào)頻的任務(wù)，這對(duì)水輪機(jī)是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

（1）從PO140轉(zhuǎn)輪特性看，在水頭小于80 m、單位流量450～650 L/s區(qū)域內(nèi)有一個(gè)壓力脈動(dòng)較大的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)主頻下的最大壓力脈動(dòng)多達(dá)7，屬水力不穩(wěn)定區(qū)，機(jī)組運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡量避免運(yùn)行在該區(qū)域，以免給機(jī)組造成損害。

（2）水輪機(jī)在低水頭35～45預(yù)想出力范圍內(nèi)，高水頭40～709/5預(yù)想出力范圍內(nèi)壓力脈動(dòng)較大，應(yīng)盡可能避免在該區(qū)域運(yùn)行。

（3）在高水頭區(qū)域，應(yīng)盡可能運(yùn)行在大負(fù)荷工況。為適應(yīng)這一工況，建設(shè)下游反調(diào)節(jié)水庫(kù)對(duì)水輪機(jī)安全運(yùn)行是極其有利的。

5 結(jié)語(yǔ)

大變幅水頭對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的危害之大，從紫坪鋪水電站的運(yùn)行中便能看出，而要把大變幅水頭機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行放在首位，就必須從設(shè)計(jì)方面、制造方面、安裝方面、運(yùn)行環(huán)境方面入手，全方位考慮，把大變幅水頭機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行切切實(shí)實(shí)落到實(shí)處。大變幅水頭在紫坪鋪電站中的應(yīng)用也為未來(lái)國(guó)內(nèi)其他大變幅水頭電站的建設(shè)和運(yùn)行提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 于波，肖惠民，水輪機(jī)原理與運(yùn)行[M].中國(guó)電力出版社，2008.

[2] 四川省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，紫坪鋪水利樞紐工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告，1994.