補(bǔ)氣方式對水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的影響

李奎生，馮艷蓉

（1.國網(wǎng)新源豐滿培訓(xùn)中心，吉林省吉林市 132108；2.豐滿發(fā)電廠，吉林省吉林市 132108）

補(bǔ)氣方式對水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的影響

李奎生1，馮艷蓉2

（1.國網(wǎng)新源豐滿培訓(xùn)中心，吉林省吉林市 132108；2.豐滿發(fā)電廠，吉林省吉林市 132108）

效率、空蝕和穩(wěn)定性是水輪機(jī)水力性能的三大主要指標(biāo)，補(bǔ)氣對水輪機(jī)消除振動和穩(wěn)定運(yùn)行、改善空蝕性能和提高效率都有直接影響。本文通過不同水輪機(jī)采用不同的補(bǔ)氣方式及使用效果進(jìn)行了詳細(xì)的分析，供類似型式水輪機(jī)的電廠借鑒和參考。

水輪機(jī)；空蝕； 補(bǔ)氣方式； 穩(wěn)定運(yùn)行

1 概述

效率、空蝕和穩(wěn)定性是水輪機(jī)水力性能的三大主要指標(biāo)，轉(zhuǎn)輪的效率和空蝕特性易體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上，在水電站設(shè)計(jì)上往往比較重視。穩(wěn)定性雖關(guān)系到機(jī)組能否正常運(yùn)行，但很難用經(jīng)濟(jì)指標(biāo)衡量，以往在選型設(shè)計(jì)中往往被忽視。

水輪機(jī)水力穩(wěn)定性問題比較復(fù)雜，在水電站中的表現(xiàn)形式也是多種多樣，如部分負(fù)荷時出現(xiàn)尾水管蝸帶引起的壓力脈動，固定導(dǎo)葉后或轉(zhuǎn)輪葉片后出現(xiàn)卡門渦、葉道渦引發(fā)水力振動，導(dǎo)葉與葉片數(shù)不匹配引發(fā)頻率數(shù)的壓力脈動，轉(zhuǎn)輪迷宮環(huán)間隙引發(fā)水力振動或自激振動；葉片動態(tài)應(yīng)力過高引發(fā)振動或葉片裂紋，壓力鋼管或蝸殼水壓脈動引發(fā)水力共振等，因水輪機(jī)穩(wěn)定性問題關(guān)系到機(jī)組能否正常運(yùn)行，該問題已經(jīng)引起行業(yè)的普遍關(guān)注。

長期以來，豐滿發(fā)電廠工程技術(shù)人員對混流式水輪機(jī)水力不穩(wěn)定問題，進(jìn)行了深入研究，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，除了尾水管渦帶外，混流式水輪機(jī)還存在一系列不穩(wěn)定問題。如機(jī)組振動超標(biāo)、轉(zhuǎn)輪葉片裂紋、尾水管鋼襯撕裂、水力自激振動、轉(zhuǎn)輪葉片空蝕等問題，嚴(yán)重威脅水電機(jī)組長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

補(bǔ)氣對水輪機(jī)消除振動和穩(wěn)定運(yùn)行、改善空蝕性能和提高效率都有直接影響。主軸中心補(bǔ)氣、尾水管內(nèi)十字架補(bǔ)氣和頂蓋補(bǔ)氣，這三種補(bǔ)氣方式都靠真空吸力補(bǔ)氣。豐滿發(fā)電廠從半個世紀(jì)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)中體會到，水輪機(jī)補(bǔ)氣對機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行影響較大，由于水輪機(jī)部分結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)輪型號的不同，其補(bǔ)氣效果也各不相同，因而，要求根據(jù)其結(jié)構(gòu)的具體情況，確定合理的補(bǔ)氣方式，勢必促進(jìn)水輪機(jī)長期安全穩(wěn)定運(yùn)行?，F(xiàn)將該廠機(jī)組的補(bǔ)氣情況及效果介紹如下：

2 水輪機(jī)補(bǔ)氣方式及效果

豐滿發(fā)電廠共有12臺水輪發(fā)電機(jī)組、6種水輪機(jī)型號，水輪機(jī)補(bǔ)氣方式有主軸中心孔補(bǔ)氣、十字架補(bǔ)氣、短管補(bǔ)氣、頂蓋補(bǔ)氣、葉片補(bǔ)氣四種，水輪機(jī)的補(bǔ)氣方式及效果詳見表1。

2.1 水輪機(jī)頂蓋補(bǔ)氣（一號機(jī)）

一號水輪機(jī)主軸為實(shí)心軸，水輪機(jī)補(bǔ)氣方式為頂蓋補(bǔ)氣（見圖1）。它是由主廠房外引入一根補(bǔ)氣管，通過一個φ250mm的彈簧式空氣閥，經(jīng)水輪機(jī)頂蓋把空氣引到法蘭保護(hù)罩上方的空腔部位，然后通過14個法蘭結(jié)合螺栓的φ45mm的中心孔進(jìn)入泄水錐，實(shí)現(xiàn)軸中心補(bǔ)氣。實(shí)際運(yùn)行表明，這種補(bǔ)氣方式對一號水輪機(jī)的補(bǔ)氣量最大可達(dá)1.5～1.8m3/s，補(bǔ)氣尚有一定好的效果。

表1 機(jī)組補(bǔ)氣情況統(tǒng)計(jì)表

現(xiàn)對一號水輪機(jī)在自由補(bǔ)氣、適量補(bǔ)氣與不補(bǔ)氣三種狀況下的試驗(yàn)結(jié)果分析如下：

（1）機(jī)組相對效率的影響分析（見圖2）。以機(jī)組所帶負(fù)荷30MW為分界線，低于此負(fù)荷，自由補(bǔ)氣可提高機(jī)組效率；高于此負(fù)荷，自由補(bǔ)氣對機(jī)組效率無明顯影響，但當(dāng)機(jī)組所帶負(fù)荷在60MW及以上時，機(jī)組相對效率明顯下降（約1.5%）。

（2）從對機(jī)組振動的影響分析（見圖3），機(jī)組所帶負(fù)荷小于30MW時，補(bǔ)氣減小了振動幅值；在30～50MW，由于補(bǔ)氣量反而減?。ㄒ妶D4），因而使機(jī)組振動有所增加；60MW以上補(bǔ)氣對振動基本無影響。

圖1 一號水輪機(jī)頂蓋補(bǔ)氣結(jié)構(gòu)圖

圖2 一號水輪機(jī)補(bǔ)氣對相對效率的影響

圖3 一號水輪機(jī)補(bǔ)氣對振動的影響

圖4 一號機(jī)組軸中心補(bǔ)氣量曲線

（3）對水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片及尾水管的影響。因原來設(shè)計(jì)的軸中心補(bǔ)氣，機(jī)組在運(yùn)行中補(bǔ)氣的噪聲大，故人為地關(guān)閉了補(bǔ)氣閥，在接下來的機(jī)組大修中發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的空蝕較嚴(yán)重，尾水管鋼襯大面積脫落，通過改進(jìn)補(bǔ)氣閥的結(jié)構(gòu)，消除了補(bǔ)氣閥的噪聲，機(jī)組恢復(fù)正常補(bǔ)氣運(yùn)行。由于一號水輪機(jī)的頂蓋補(bǔ)氣效果較好，對減輕轉(zhuǎn)輪空蝕強(qiáng)度有一定作用；尾水管里襯脫落修復(fù)后，一直運(yùn)行至今，沒有再次出現(xiàn)尾水管里襯脫落問題。

2.2 轉(zhuǎn)輪葉片補(bǔ)氣（七號機(jī)）

七號（蘇聯(lián)）水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，由于葉型設(shè)計(jì)得不合理，轉(zhuǎn)輪葉片的空蝕、裂紋等重大缺陷不斷發(fā)生。為了解決這一問題，1978年12月，七號機(jī)組擴(kuò)大性大修中，在轉(zhuǎn)輪葉片空蝕、裂紋嚴(yán)重的十號機(jī)葉片出口邊的背面，埋設(shè)補(bǔ)氣管（見圖5），以減輕轉(zhuǎn)輪葉片的空蝕及裂紋。

圖5 補(bǔ)氣管布置示意圖及補(bǔ)氣管在空蝕區(qū)布置圖

七號機(jī)組當(dāng)運(yùn)行至1992年6月，機(jī)組大修時發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪7個葉片出現(xiàn)裂紋，最長的約500mm，裂紋錯位約13mm。嚴(yán)重威脅機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。該轉(zhuǎn)輪埋設(shè)補(bǔ)氣管的葉片，不僅沒有裂紋，而且葉片空蝕非常輕。

2.3 水輪機(jī)主軸中心孔補(bǔ)氣（3、4、5、7、8、9、10號機(jī)）

八號水輪機(jī)為蘇制，為了解決補(bǔ)氣裝置引起主廠房的噪聲增大等問題。對原軸中心補(bǔ)氣裝置進(jìn)行了改進(jìn)（見圖6）。

圖6 水輪機(jī)軸中心補(bǔ)氣系統(tǒng)圖

圖7 八號水輪機(jī)補(bǔ)氣試驗(yàn)成果曲線

軸中心補(bǔ)氣用原有的由主廠房外引入的補(bǔ)氣管，進(jìn)入一個利用下部走臺而構(gòu)成密閉空氣室，經(jīng)水輪機(jī)軸上法蘭四個擴(kuò)大至φ50mm的徑向孔而進(jìn)入軸中心孔，徑向孔口安設(shè)了四個微力彈簧逆止閥，取消了軸中心孔下端的木心橡膠球逆止閥，為了使由軸中心孔下泄的氣流不被經(jīng)法蘭結(jié)合螺栓中心孔下泄水流所阻礙，在泄水錐內(nèi)設(shè)有圓筒形隔水板，并在泄水錐下方裝設(shè)了一個多孔的柵板，以使氣流能較均勻地下泄。

這種軸中心新補(bǔ)氣方式，在八號機(jī)組上進(jìn)行了補(bǔ)氣與不補(bǔ)氣兩種狀態(tài)下的振動與補(bǔ)氣量的試驗(yàn)，試驗(yàn)成果見圖7。從圖7中可以看出：

（1）八號機(jī)補(bǔ)氣量較為合適，最大約為0.4～0.7m3/s。

（2）在機(jī)組負(fù)荷低于60MW時，補(bǔ)氣對機(jī)組振動均有明顯效果，負(fù)荷高于60MW時，補(bǔ)氣對機(jī)組振動基本無影響。

經(jīng)過多年運(yùn)行的實(shí)際考驗(yàn)，水輪機(jī)補(bǔ)氣效果良好，不僅從根本上解決了水輪機(jī)在運(yùn)行水輪機(jī)法蘭竄水問題，而且減小了發(fā)電機(jī)主廠房補(bǔ)氣的噪聲，改善了環(huán)境。

九、十號水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪與鹽灘水電站機(jī)組同型號，同樣采取這種水輪機(jī)主軸中心孔補(bǔ)氣方式，這兩臺機(jī)組經(jīng)過近20年的運(yùn)行，沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪葉片裂紋、空蝕及機(jī)組振動嚴(yán)重超標(biāo)問題，機(jī)組運(yùn)行情況良好。

圖8 尾水管十字架補(bǔ)氣裝置簡圖

1997年對4號機(jī)組進(jìn)行了現(xiàn)代化增容改造，更新了水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪，取消了原十字架補(bǔ)氣系統(tǒng)，增設(shè)了主軸中心孔補(bǔ)氣系統(tǒng)（同七、八號機(jī)），經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)的結(jié)果表明，改造前較大的補(bǔ)氣噪聲已經(jīng)消失，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性好，在全負(fù)荷范圍內(nèi)機(jī)組的振動很小。

十一、十二號機(jī)組。這兩臺機(jī)組選用主軸中心孔補(bǔ)氣和短管補(bǔ)氣兩種方式，空氣有發(fā)電機(jī)主軸上部經(jīng)軸端逆止閥、主軸中心孔進(jìn)入尾水管。當(dāng)機(jī)組在運(yùn)行補(bǔ)氣時，廠房內(nèi)的噪聲較大，機(jī)組投入運(yùn)行初期曾經(jīng)常出現(xiàn)發(fā)電機(jī)軸上端部竄水問題，現(xiàn)已經(jīng)徹底解決。

2.4 十字架補(bǔ)氣（二、六號機(jī)）

通過對水輪機(jī)尾水管內(nèi)徑向水流壓力脈動的試驗(yàn)成果表明，壓力脈動幅值呈現(xiàn)較大的區(qū)域在（1/3～2/3）D的范圍內(nèi)。而采用軸中心補(bǔ)氣，很難將空氣有效地補(bǔ)到這個區(qū)域。為了彌補(bǔ)軸中心補(bǔ)氣方式的不足，自1964年以來，分別于二、六號尾水管進(jìn)口裝設(shè)了十字架補(bǔ)氣裝置，其結(jié)構(gòu)見圖8。它利用了設(shè)備原有的由主廠房外引至水輪機(jī)基礎(chǔ)環(huán)外空腔的補(bǔ)氣通道，將十字架的四根補(bǔ)氣管與均布于基礎(chǔ)環(huán)的四孔相連接，為防止機(jī)組調(diào)相壓水時由此向外排壓縮空氣，在孔口設(shè)有逆止閥，補(bǔ)氣管兩端為雙層管結(jié)構(gòu)，以增加其強(qiáng)度，十字架中心為一雙層中空的圓錐形結(jié)構(gòu)，其外徑尺寸應(yīng)與泄水錐形狀相吻合，補(bǔ)氣位置有兩處，一是通過兩根補(bǔ)氣管向中心圓筒供氣，以實(shí)現(xiàn)向尾水管中心補(bǔ)氣；另一是通過另外兩根補(bǔ)氣管，在其管中間部位各安設(shè)有6×φ40mm的補(bǔ)氣管，向尾水管1/2D處補(bǔ)氣。

圖9 六號機(jī)十字架補(bǔ)氣對機(jī)組振動的影響

通過對六號機(jī)組進(jìn)行的尾水管十字架補(bǔ)氣試驗(yàn)成果示見圖9中，從中可以看出：

六號機(jī)組的補(bǔ)氣效果較好。尾水管不補(bǔ)氣時，導(dǎo)葉開度在a0=20%～50%，出現(xiàn)尾水管壓力脈動，a0=40%工況下，壓力脈動幅值為最大。補(bǔ)氣后效果十分顯著，除a0=40%時仍有較小的壓力脈動外，其余工況已消除了尾水管的壓力脈動，但壓力有所增加。當(dāng)機(jī)組導(dǎo)葉開度在a0=60%以上時，尾水管內(nèi)水流基本上已不出現(xiàn)壓力脈動，因此，補(bǔ)氣也就沒有多大作用了。補(bǔ)氣后機(jī)組振動較小，使機(jī)組運(yùn)行更趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

（1） 該廠現(xiàn)有三種軸中心補(bǔ)氣方式和一種尾水管十字架補(bǔ)氣方式。試驗(yàn)表明均能自由補(bǔ)氣，最大補(bǔ)氣量可達(dá)1.5m3/s。運(yùn)行實(shí)踐證明，這種尾水管十字架補(bǔ)氣裝置運(yùn)行良好，六號機(jī)組尾水管十字架補(bǔ)氣裝置至今已運(yùn)行近50年之久，除局部地點(diǎn)有輕微的空蝕破壞外，基本完好。

（2）該廠現(xiàn)有三種軸中心補(bǔ)氣方式，八號機(jī)組所采用的軸中心新補(bǔ)氣方式優(yōu)于一號機(jī)組的軸中心補(bǔ)氣方式。這種補(bǔ)氣方式的優(yōu)點(diǎn)還在于能連續(xù)補(bǔ)氣、廠內(nèi)無補(bǔ)氣噪聲，且給自動調(diào)節(jié)補(bǔ)氣量創(chuàng)造了條件。十一、十二號機(jī)組軸中心孔補(bǔ)氣，當(dāng)機(jī)組運(yùn)行時，補(bǔ)氣噪聲較大。

（3）尾水管十字架補(bǔ)氣裝置在二種不同型號的轉(zhuǎn)輪下試驗(yàn)結(jié)果表明，瑞士轉(zhuǎn)輪十字架補(bǔ)氣效果最好，蘇聯(lián)的PO631轉(zhuǎn)輪效果不好。估計(jì)其主要原因是因?yàn)椴煌吞柕霓D(zhuǎn)輪，其出流情況也各不相同，當(dāng)水輪機(jī)帶部分負(fù)荷而出現(xiàn)尾水管壓力脈動時，其渦帶的形狀與運(yùn)動方式也各有差異，因而能否找到其合理的補(bǔ)氣裝置，對其補(bǔ)氣效果的好壞起決定性的作用。

（4）混流式水輪機(jī)裝設(shè)必要的自然補(bǔ)氣系統(tǒng)，輸入能夠滿足穩(wěn)定機(jī)組運(yùn)行的必要補(bǔ)氣量，是保證機(jī)組安全、穩(wěn)定的必要措施，但是過量的補(bǔ)氣會造成機(jī)組效率下降，因此應(yīng)該開發(fā)按需自動控制的補(bǔ)氣系統(tǒng)，通過優(yōu)化補(bǔ)氣調(diào)整振動、空蝕、效率三者關(guān)系，使機(jī)組運(yùn)行在最佳狀態(tài)。

[1]王玲花.水輪發(fā)電機(jī)組振動及分析.GIP.鄭州：黃河水利出版社，2011.

[2]付之躍，許巍巍.水輪機(jī)不同補(bǔ)氣方式的試驗(yàn)研究.東方電機(jī)，2005，（2）:50-56.

[3]廖韶丹.水輪機(jī)主軸中心孔補(bǔ)氣.東方電氣評論，2005，19（4）:214-215.

[4]上官永紅，湯永明.湖南潤海水電站水輪機(jī)補(bǔ)氣裝置設(shè)計(jì).機(jī)電技術(shù)，2006，29（2）:29-31.

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李奎生（1963—），男，本科學(xué)歷，高級講師，長期從事水電運(yùn)行仿真開發(fā)與培訓(xùn)。E-mail: lksheng2345678@sohu.com

馮艷蓉（1964—），女，研究生，教授級高工，從事水電機(jī)組維護(hù)、檢修及技術(shù)改造。ryf222392@sina.com

Effect of Air Supply Mode on the Stability of Hydraulic Turbine Operation

LI Kuisheng，F(xiàn)ENG Yanrong
(1.Fengman training center of Jilin Province State Grid Xin Yuan，Jilin 132108；2. Fengman Power Plant in Jilin Province，Jilin 132108)

Efficiency，cavitation and stability are key indicators about the performance of hydraulic turbine. The air supply mode has direct influences on eliminating vibration，improving stability，improving cavitation situation and improving efficiency of the turbine. The effects of different air supply mode on different turbines are analyzed and compared in detail in this paper. The results can be the reference for the power plants which have similar turbines.

turbine ；cavitation ；air supply mode ；stable operation