水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性研究

張會(huì)明

黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司隴電分公司鹽鍋峽運(yùn)行分部

近年來，水力發(fā)電領(lǐng)域進(jìn)入了新的突破時(shí)期。隨著三峽等大型工程的投入使用，水電占電力生產(chǎn)的比重逐漸加大。然而實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于許多電站使用了超大型水輪發(fā)電機(jī)，尺寸的增大也帶來了許多問題：盡管在設(shè)計(jì)之初，已經(jīng)使用了現(xiàn)代流體當(dāng)面的模擬仿真方法進(jìn)行計(jì)算、制造過程也嚴(yán)格把關(guān)了材料的質(zhì)量，加工過程嚴(yán)格而精確，但過大的體積必然導(dǎo)致不穩(wěn)定工況的增多，振動(dòng)加大、壓力脈沖難控都是典型問題，有些設(shè)備甚至使用不久便出現(xiàn)裂紋。尤其是設(shè)備采用高水頭設(shè)計(jì)時(shí)，水輪機(jī)組的振動(dòng)更為劇烈。本文試圖通過對(duì)造成水輪機(jī)不穩(wěn)定的原因進(jìn)行探討，從而對(duì)提高其穩(wěn)定性提供合理的思路。

保障水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性的意義

相比起煤等發(fā)電等途徑，水在環(huán)保、重復(fù)利用率方面優(yōu)勢(shì)巨大。然而我國(guó)水力發(fā)電占總量依然不到20%，對(duì)水力資源的利用率依然很低。故而水電依然處于可大力發(fā)展的成長(zhǎng)期。

水輪發(fā)電機(jī)可以把水運(yùn)動(dòng)時(shí)具有的勢(shì)能和動(dòng)能經(jīng)過電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)化為電能，為發(fā)整個(gè)工作得以實(shí)現(xiàn)的直接載體。作為關(guān)鍵設(shè)備，其工作是否穩(wěn)定關(guān)系到整個(gè)廠區(qū)工作的效率與成敗。除單機(jī)工作穩(wěn)定外，還需要對(duì)機(jī)組共同運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性和葉片的裂紋問題進(jìn)行分析，以減少隱患。

影響水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性的因素及要求

自20 世紀(jì)50 年代以來，對(duì)水輪機(jī)穩(wěn)定性的探究基本集中在三點(diǎn)：

①電磁，主要是設(shè)計(jì)制造過程中電機(jī)轉(zhuǎn)磁場(chǎng)方面設(shè)計(jì)的參數(shù)誤差和不平衡所致。電機(jī)轉(zhuǎn)子的圓度誤差、所留間隙的具體大小都將直接影響到運(yùn)行的穩(wěn)定。

②制造安裝誤差，主要是在加工方面，由于大型設(shè)備通常采用分段制造運(yùn)輸再在工作場(chǎng)地組裝的方式，標(biāo)準(zhǔn)的不統(tǒng)一、安裝的誤差等都有可能造成轉(zhuǎn)子重量等與設(shè)計(jì)參數(shù)存在偏差。不平衡的機(jī)構(gòu)在運(yùn)行時(shí)必然導(dǎo)致作用力不均而振動(dòng)。對(duì)小型設(shè)備而言，整機(jī)整體制造可以大大減小安裝等方面的誤差，但制造精度難以保證。

③水力，是影響穩(wěn)定的最主要因素，包括尾水的壓力脈動(dòng)、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的壓力脈動(dòng)、尾渦的紊流、蝸殼鼻端與轉(zhuǎn)輪葉片相互作用引起的振動(dòng)、流到的非對(duì)稱性引起的振動(dòng)、軸流式機(jī)組的狹縫射流、氣蝕引起的振動(dòng)、運(yùn)行方式引起的振動(dòng)等。由于水力條件的復(fù)雜性，其產(chǎn)生的不穩(wěn)定因素種類也最多，最難以控制。故水力方面是否穩(wěn)定是全部工作流程良好的關(guān)鍵。

在長(zhǎng)期的實(shí)踐過程中，通過研究總結(jié)出了保證水輪機(jī)穩(wěn)定的幾項(xiàng)要求：

壓力，尤其是尾水管的脈動(dòng)，需要控制在合理范圍內(nèi)，必須抑制高負(fù)荷壓力脈動(dòng)的產(chǎn)生；①抑制渦流，特別是葉片和水分離處附近；②葉片進(jìn)口邊負(fù)壓面初生空化線和正壓面初生空化線不能進(jìn)入水輪機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行范圍內(nèi)。

對(duì)穩(wěn)定性研究的方法

水輪機(jī)的工況受到制造加工、水力條件、電磁參數(shù)等多個(gè)領(lǐng)域的作用。目前，針對(duì)穩(wěn)定性的考量，基本采用三個(gè)參數(shù)：振動(dòng)，主要指水輪機(jī)整體和各部件相對(duì)位置發(fā)生的偏移程度；①擺度，通過考察機(jī)體軸線在往復(fù)運(yùn)動(dòng)中的振幅二得到②脈動(dòng)，是衡量流經(jīng)機(jī)器內(nèi)流體壓力的指標(biāo)。

在這三項(xiàng)指標(biāo)里，振動(dòng)為衡量穩(wěn)定性的最重要考慮對(duì)象。它可以分為常見振動(dòng)與異常振動(dòng)，常見振動(dòng)可以通過減小激振力和增加水輪機(jī)部件的剛度來減弱，異常振動(dòng)是由于環(huán)境條件及偶然誤差造成的，可以通過調(diào)節(jié)來避免。

在現(xiàn)代理論水平上，對(duì)振動(dòng)的研究通常使用有限元法，結(jié)合水輪機(jī)軸系振動(dòng)的研究，分析軸系的振動(dòng)參數(shù)，并根據(jù)各變量間關(guān)系來推算不同調(diào)節(jié)下的振動(dòng)規(guī)律。

對(duì)水輪機(jī)振動(dòng)的衡量，可以采用移和速度兩種方式。在實(shí)際運(yùn)行中，水輪機(jī)的振動(dòng)以轉(zhuǎn)速來分級(jí)分析，通常以300 轉(zhuǎn)/min 作為分界點(diǎn)，低于300 主要用位移考量，高于300 則采用速度分析。

設(shè)計(jì)制造時(shí)提高穩(wěn)定性

水頭參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性

在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)使水頭保持在合理的范圍內(nèi)，從而減小水輪機(jī)的振動(dòng)的幅度，抑制裂紋的產(chǎn)生，達(dá)到提高整機(jī)穩(wěn)定性的目的。此外，還應(yīng)在確定葉片負(fù)荷合理的條件下，使其負(fù)荷區(qū)域在穩(wěn)定數(shù)值范圍?？偠灾^要穩(wěn)定。

水力方面的合理性

為了保證水輪機(jī)工作的穩(wěn)定性，必須使機(jī)體在運(yùn)行過程中的強(qiáng)度達(dá)標(biāo)，除了材料的選擇外，比轉(zhuǎn)速也會(huì)對(duì)強(qiáng)度產(chǎn)生作用。正常條件下，不要選用過高比轉(zhuǎn)速。還需嚴(yán)格控制導(dǎo)葉的相對(duì)高度，不能過高。此外，流量過大也會(huì)使穩(wěn)定性變差。

①抑制葉道渦，根據(jù)水頭的不同，選擇合理的水管中的壓力脈動(dòng)來實(shí)現(xiàn)。

②合理選擇轉(zhuǎn)輪的形狀、參數(shù)，在剛度達(dá)標(biāo)的前提下，盡量通過合理的形狀與尺寸來適應(yīng)水頭、負(fù)荷的變化。

優(yōu)化轉(zhuǎn)輪的設(shè)計(jì)

水輪機(jī)需要足夠的剛度和強(qiáng)度才能保證運(yùn)行的可靠，轉(zhuǎn)輪部分更是有著更多限制條件。葉片部分受到的應(yīng)力不能過大，出水邊由于受到的應(yīng)力最大，應(yīng)該采用加粗的方法。加工過程中，還應(yīng)該注意止漏環(huán)和泄水錐與相關(guān)部件的配套。

此外，由于共振對(duì)機(jī)體的傷害最大，故而需要使各部件的固有頻率合理，還需進(jìn)行水動(dòng)力分析，得到水邊卡門渦的參數(shù)，使其頻率不與機(jī)體頻率相近。

工作過程中的控制

在傳統(tǒng)水電站運(yùn)行管理中，由于難以對(duì)機(jī)組的振動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控分析，發(fā)生故障也難以迅速找到原因，故而定期檢修和停機(jī)成為常態(tài)。近年來，隨著電子技術(shù)、信號(hào)技術(shù)及建模能提的提升，對(duì)機(jī)組振動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控成為可能。

除了進(jìn)行檢測(cè)和故障識(shí)別外，還需進(jìn)行穩(wěn)定性分析和實(shí)驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)明確該工作條件下機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)及影響穩(wěn)定性的主要成因，并估算工作可靠的時(shí)間范圍和故障可能發(fā)生的區(qū)域，提早做到預(yù)防工作；此外，還需把具體的運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)計(jì)的理想條件相對(duì)比，使設(shè)計(jì)更為有效。

總述

水輪發(fā)電機(jī)，其穩(wěn)定性主要受到加工、電磁、水力三方面的影響，其中水力條件為關(guān)鍵。針對(duì)穩(wěn)定性的分析主要采用有限元及建模的方式，主要考慮振動(dòng)的影響。為提高穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)把握好各參數(shù)，運(yùn)行過程中改善監(jiān)控、調(diào)節(jié)的方式為重點(diǎn)。