水電站水輪機(jī)穩(wěn)定運行技術(shù)措施分析

周國洪

（浙江省磐安縣五丈巖水庫管理處 浙江 磐安 322312）

1 水電站運行概況

臨江二級水電站位于云南省，距市區(qū)約15km。該水電站以發(fā)電為主，同時具有灌溉等綜合功能，水庫總庫容量為0.9億m3，是低水頭的河床式水電站。其設(shè)計裝機(jī)容量為10MW，多年的平均發(fā)電量為6000萬kW·h。設(shè)計年利用小時數(shù)為4880 h(實際為5000 h～6000 h)。表1為水電站的主要參數(shù)。

2 水電站運行過程中存在的主要技術(shù)故障

2.1 磨蝕故障

該水電站處于臨江上游，在實際的運行過程中，水輪機(jī)磨蝕故障問題難以避免，容易導(dǎo)致包括轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)在內(nèi)的流道部件破壞，在機(jī)組檢修過程中主要對該類問題予以解決。該水電站在汛期河流中的含沙量較大、水頭變幅明顯，所以在機(jī)組設(shè)計、水輪機(jī)制造、正常運行過程中，應(yīng)該通過合理選擇水輪機(jī)參數(shù)、優(yōu)化水力設(shè)計、采用抗磨蝕材料等方式最大限度的減少磨蝕影響，形成一整套行之有效的抗磨蝕運行技術(shù)。

2.2 轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋

運行時，水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪上出現(xiàn)了問題，就是出水邊接近上冠處出現(xiàn)了裂紋，長約100mm～400mm。而且裂紋絕大部分在整個端面上，貫穿著整個端面。這些裂紋的形狀均有相似之處，裂縫的起點都是從葉片負(fù)壓側(cè)和出水端的交線處開始，和上冠的距離大約在50mm。而且起始端和葉片的出水邊相垂直，之后按照不規(guī)則的拋物線形式朝著葉片中心延伸，同時還在其尾部逐漸擴(kuò)展為樹枝形狀。

圖1 葉片出水邊裂紋

2.3 水輪機(jī)調(diào)速故障

該水輪機(jī)組采用Y WT型調(diào)速器進(jìn)行調(diào)速。整個調(diào)速系統(tǒng)單獨設(shè)置1面控制柜，其中配備了主用和備用兩套電氣調(diào)速器系統(tǒng)進(jìn)行控制。通常，在水輪機(jī)組運行過程中，主要由調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)及控制整個機(jī)組，一旦主用系統(tǒng)存在故障，就能夠自動切換至備用調(diào)速系統(tǒng)。在實際運作之時，所用的電器調(diào)速系統(tǒng)同樣也具備手動控制功能。并且，主用調(diào)速系統(tǒng)使用了電氣P T的測頻方式，備用的系統(tǒng)在測速上使用了齒盤測速的方式。水電站的水輪機(jī)組在十多年的運行過程中發(fā)生的故障問題，主要包括下面幾種：

表1 水電站相關(guān)參數(shù)

(1)在剛剛開始投產(chǎn)運行時，機(jī)組的調(diào)速柜上調(diào)速系統(tǒng)中外部開關(guān)就發(fā)出指令，這個指令是由計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中L C U單元來實現(xiàn)的，但監(jiān)控系統(tǒng)中L C U單元上的電源消失后，其開機(jī)指令回路就會撤消自保護(hù)狀態(tài)，造成調(diào)速系統(tǒng)上的開機(jī)指令失掉，而關(guān)閉了機(jī)組導(dǎo)葉，就會出現(xiàn)機(jī)組溜負(fù)荷的問題。

(2)當(dāng)調(diào)速系統(tǒng)的電調(diào)速柜在投入運行初期，其主要電氣調(diào)節(jié)器的工作電源是由外部的A C 220 V電源供給的，而備用的電氣調(diào)節(jié)器及其對應(yīng)的控制回路則是由外部的D C 220 V電源供電。一般運行中調(diào)速電氣柜運行在電氣的調(diào)節(jié)器上，一旦外部所提供交流電出現(xiàn)了波動，必然會造成失電，就會自動轉(zhuǎn)換到備用調(diào)節(jié)器上去，在一定程度上降低了調(diào)速器的可靠性。

(3)備用電氣調(diào)速系統(tǒng)存在測頻故障問題，降低了電氣調(diào)速器備用率。由于調(diào)速設(shè)備采用齒盤測頻的方式進(jìn)行測頻。在齒盤測速傳感設(shè)備與大軸齒的間隙發(fā)生變化、測速傳感設(shè)備被污染、測速傳感設(shè)備出現(xiàn)故障時，都將導(dǎo)致備用電氣調(diào)速設(shè)備出現(xiàn)事故，使其不能正常工作，不能發(fā)揮備用作用，備用可靠性下降。

(4)在實際運行過程中，另一個主要故障就是主配位置上所安裝的傳感器發(fā)生故障，具體表現(xiàn)為：傳感器的反饋超出量程，使得主用以及備用調(diào)速設(shè)備出現(xiàn)主事故，造成機(jī)組不能正常開導(dǎo)葉。

3 水電站水輪機(jī)穩(wěn)定運行技術(shù)措施

3.1 提高水輪機(jī)組的抗磨蝕運行技術(shù)

3.1.1 合理進(jìn)行水力設(shè)計，提高機(jī)組水力性能

對于軸流式水輪機(jī)組，水輪機(jī)組的導(dǎo)葉出口到轉(zhuǎn)輪葉片的進(jìn)口，屬于一段水流相對復(fù)雜的區(qū)域。導(dǎo)葉出口處，水流在出口下端與底環(huán)之間構(gòu)成的楔形區(qū)域存在脫流現(xiàn)象。另外，在導(dǎo)葉出口邊的水流還存在相對紊亂的脫流漩渦。同時，水流在這些部位還需要轉(zhuǎn)彎，若轉(zhuǎn)輪的底環(huán)型線設(shè)計不合理，將會在其上環(huán)形成脫流漩渦，導(dǎo)致在該部位出現(xiàn)空蝕破壞問題。因此，在水力設(shè)計過程中，經(jīng)過計算，將導(dǎo)葉的分布圓直徑增加至1.2 D1，同時對流道進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，將水輪機(jī)的蝸殼包角增加至225°。

在設(shè)計過程中，可以采用有限元方法進(jìn)行分析計算，將轉(zhuǎn)輪輪轂比調(diào)至0.43，其對應(yīng)的空蝕系數(shù)也調(diào)整至0.465，使得水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪室的空蝕裕量明顯增加。同時，在水力設(shè)計過程中，通過對固定、活動導(dǎo)葉，雙排葉柵損失等進(jìn)行計算，葉片局部修型等方式，對過流部件、轉(zhuǎn)輪等進(jìn)行合理優(yōu)化，最大限度的降低了水力磨蝕，使得空蝕發(fā)生概率下降，最終達(dá)到優(yōu)化機(jī)組水利設(shè)計、保證機(jī)組運行穩(wěn)定的目的。

3.1.2 優(yōu)化水輪機(jī)結(jié)構(gòu)，優(yōu)選抗磨蝕材料

為了有效提高水輪機(jī)的抗磨蝕能力，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中有必要采取對應(yīng)的抗磨蝕措施，以達(dá)到延長水輪機(jī)抗磨蝕壽命的目的。

圖2 抗磨板環(huán)形凸臺

（1）導(dǎo)水結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。在底環(huán)以及頂蓋的過流面設(shè)置抗磨板，對于活動導(dǎo)葉上下斷面、進(jìn)出水邊等采用不銹鋼型材進(jìn)行加工。其中，選擇45號鋼作為頂蓋的抗磨板。由于底環(huán)表面在運行過程中更容易磨損，因此選擇抗磨性能良好的高分子聚乙烯作為抗磨板，使其抗磨性能較不銹鋼材料提高了9倍左右。同時，該材料還具有很強(qiáng)的韌性，硬度低，加工性能良好。在使用該種材料之后，導(dǎo)葉端面密封時，可以采用直接在抗磨平面上加工凸臺的方式進(jìn)行，結(jié)構(gòu)簡單、有效。

（2）連接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。水輪機(jī)在運行過程中要經(jīng)常檢修，而部分連接部位的螺栓頭部在運行過程中容易出現(xiàn)磨蝕問題，導(dǎo)致其難以拆卸。因此在水力設(shè)計過程中，為了提高抗磨板部位連接螺栓頭部的抗磨蝕性能，避免由于磨蝕導(dǎo)致的拆卸困難，可以采A、B兩種形式的螺栓頭蓋帽。其中，A型蓋帽用于六角螺栓，空間面積較大；而B型蓋帽則適合于圓柱頭、內(nèi)六角螺釘，空間占用較小。在安裝過程中，可以在蓋帽螺絲上涂抹膠水，提高連接的緊固程度，如圖3所示。

圖3 抗磨板的連接安裝

3.2 調(diào)速故障處理措施

3.2.1 對電氣調(diào)速柜的外部開機(jī)令予以改造

在改造過程中，將開機(jī)令的自保持回路從之前的計算機(jī)監(jiān)控調(diào)整為在電氣調(diào)速柜內(nèi)自保持的方式。完成改造后，一旦計算機(jī)上的監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出了脈沖指令繼電器動作，電氣調(diào)速柜中的R 0開機(jī)令回路將由其常開點實施自保持。在這種環(huán)境下，就是L C U單元出現(xiàn)了失電，也不可能影響到R 0開機(jī)令回路復(fù)位。在實際運行中，一旦改造后，就不會出現(xiàn)由于調(diào)速設(shè)備故障導(dǎo)致的導(dǎo)葉全關(guān)故障。其中，電氣調(diào)速柜調(diào)節(jié)設(shè)備電氣結(jié)構(gòu)圖，如圖4所示。

圖4 電氣調(diào)速柜系統(tǒng)開機(jī)令回路改造前后電氣圖示

3.2.2 調(diào)速電源模塊改造

為了提高調(diào)速電氣系統(tǒng)工作的可靠性，可以在調(diào)速柜中增加設(shè)置一套電源模塊，將外部輸入的A C 220 V、D C 220 V電源作為調(diào)速柜的輸入，然后輸出一路A C 220 V電源作為主用電氣調(diào)速系統(tǒng)的工作電源。

3.2.3 電氣調(diào)速系統(tǒng)測頻設(shè)備的運行技術(shù)措施

針對機(jī)組運行過程中的測頻故障問題，可以通過檢測測速傳感設(shè)備與大軸齒之間的間隙、清理測速傳感設(shè)備等方式來解決。由于該故障在整個水電站工作之時較為多發(fā)，所以日常檢修中，必須要對安裝齒盤測速傳感器的可靠性、大軸齒與傳感設(shè)備的間隙變化等進(jìn)行檢查，提高電氣調(diào)速設(shè)備運行的可靠性。

3.2.4 合理選擇反饋傳感器

水電站調(diào)速系統(tǒng)的主配運行反饋傳感器通常是位移傳感器，在運行過程中容易出現(xiàn)反饋電流值超出上下限，造成電氣調(diào)速設(shè)備出現(xiàn)主事故，導(dǎo)致主配停止、導(dǎo)葉不開的問題。分析其原因，可能是在機(jī)組的日常啟動運行過程中，現(xiàn)場存在較大振動，導(dǎo)致主配傳感設(shè)備出現(xiàn)故障。因此，在反饋傳感器選型以及更換過程中，應(yīng)該選擇結(jié)構(gòu)可靠的傳感器。

4 結(jié)語

水輪機(jī)組是水電站的關(guān)鍵設(shè)備，由于其制造精密、運行水力環(huán)境復(fù)雜等原因，在日常運行過程中，必須采用對應(yīng)的措施保證其處于穩(wěn)定高效的運行狀態(tài)。磨蝕和調(diào)速故障是運行過程中的兩個主要故障，在運行過程中應(yīng)該予以重點關(guān)注。

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