淺談低水頭運行對機組穩(wěn)定性的影響

李 鋒，何繼全，陳 瑞，趙 強

（1.貴州北盤江電力股份有限公司董箐發(fā)電廠，貴州省貞豐縣 562200；2.北京中元瑞訊科技有限公司，北京市 100085；3.國網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

1 前言

隨著水電事業(yè)突飛猛進的發(fā)展，機組運行穩(wěn)定性也越來越得到了大家的關(guān)注，特別是機組非設(shè)計工況下（系指機組在低水頭、低負荷、超水頭、超負荷等工況運行下）的穩(wěn)定性問題，至今都是運行部門需要解決的棘手問題。對于水力發(fā)電廠，在汛期的尾期或是枯水期，由于水位的降低，機組逐漸遠離最優(yōu)工況運行，進入低水頭運行，此時如果機組穩(wěn)定性出現(xiàn)問題，無法正常發(fā)電，那么就會嚴重影響電廠的經(jīng)濟效益，也會影響電網(wǎng)的安全產(chǎn)生影響，因此從經(jīng)濟效益的角度看，關(guān)注低水頭大負荷或超負荷機組的運行的穩(wěn)定性也是非常有價值的。

2 水頭對機組穩(wěn)定性的重要性

效率、空化和穩(wěn)定性是現(xiàn)代水輪機的三大指標。機組穩(wěn)定性是一切指標的前提，因此當今很多混流式機組水輪機在選型時都把穩(wěn)定性放在首位。

轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計是水輪機運行穩(wěn)定的關(guān)鍵。水頭作為轉(zhuǎn)輪設(shè)計的重要參數(shù)，對于水輪機運行的穩(wěn)定性有著重要的影響[1][3]。混流式水輪機有兩個特征水頭與它的水力穩(wěn)定性密切相關(guān)，分別為設(shè)計水頭和額定水頭[1]。

設(shè)計水頭下的水輪機性能為一個型號水輪機的代表性性能和最優(yōu)性能。水輪機其他水頭下的性能及其變化都以設(shè)計水頭下的性能作參照，水輪機的水力穩(wěn)定性也是如此。渦帶壓力脈動的基本幅值和特性就取決于水輪機的設(shè)計水頭，當水輪機的運行水頭偏離設(shè)計水頭較遠時，渦帶壓力脈動的最大幅值也會隨之發(fā)生變化，因此在低水頭運行時就會容易產(chǎn)生穩(wěn)定性的問題[1][2]。

水輪機額定水頭是人為確定的，他決定了水輪機導(dǎo)葉的最大開度（100%，可能留有裕量），因而決定了各個水頭下水輪機出力與導(dǎo)葉開度的關(guān)系，由此決定了轉(zhuǎn)輪和尾水管中水流的流態(tài)。水流流態(tài)的變化在相當程度上決定了異常壓力脈動出現(xiàn)的條件，因此對于機組的穩(wěn)定運行也有著重要的影響[1]。

3 低水頭運行對機組穩(wěn)定性的影響

水電機組穩(wěn)定性是隨水電機組運行工況而變化的，即隨水電機組的運行水頭、流量和運行負荷的變化而變化。當水電機組的運行水頭一定時，水力穩(wěn)定性是隨著水電機組流量和負荷而變化的；在同樣的負荷下，水力穩(wěn)定性將因工作水頭不同而變化，因此，受運行工況的影響較大[1]。

機組在低水頭滿負荷或超負荷運行時，由于工作水頭的降低，導(dǎo)致流過機組過流部件的流速降低，因此往往機組最大開度或接近最大開度運行，即機組運行在5%出力限制線附近，由于水流特性的不穩(wěn)定性和復(fù)雜性，出現(xiàn)運行異常影響機組穩(wěn)定運行的幾率也就增大很多。在超過最優(yōu)工況后，隨開度的繼續(xù)增大，轉(zhuǎn)輪進口水流具有越來越大的負沖角。當負沖角超過一定值時，就會在葉片進口邊的背面產(chǎn)生水流沖擊，在葉片進口邊的正面產(chǎn)生脫流、空化，繼而產(chǎn)生次生水沖擊，對機組穩(wěn)定運行產(chǎn)生嚴重影響[1][2]。

模型試驗是獲取水輪機運行特性的主要方法，通過模型試驗通常會給出水輪機運轉(zhuǎn)的邊界條件，但由于在實際的加工安裝過程中，以及實際的水力條件均與試驗條件存在或多或少的偏差，因此從模型試驗獲得的邊界與機組穩(wěn)定運行的邊界條件就會產(chǎn)生一定的差異，對于機組在低水頭運行的穩(wěn)定性問題，由于就是運行在邊界條件附近，因此需要從以下幾點給予足夠的重視：

（1）加工、制造、安裝過程中產(chǎn)生的差異會導(dǎo)致水輪機穩(wěn)定運行的邊界條件出現(xiàn)細小的差別，這就會出現(xiàn)同一電廠，同一型號的轉(zhuǎn)輪，同時在低水頭運行時，不同的機組表現(xiàn)出來的穩(wěn)定性存在不同。隨著水電技術(shù)的發(fā)展，加工制造過程的誤差控制已經(jīng)基本可以滿足現(xiàn)場實際的使用，因此安裝過程中產(chǎn)生的誤差成為目前產(chǎn)生低水頭運行不穩(wěn)定的主要因素之一。安裝過程中轉(zhuǎn)動部分與固定部分的不同心，梳齒密封、主軸密封等間隙的不均勻都會對機組穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響，嚴重時還會產(chǎn)生機組的自激振動。

（2）機組多年運行后，由于受到流沙磨損、水體腐蝕、空蝕等影響，會導(dǎo)致水輪機水流特性發(fā)生變化，也會導(dǎo)致穩(wěn)定性運行邊界條件發(fā)生變化，就會出現(xiàn)低水頭運行穩(wěn)定性問題。這種問題在水質(zhì)較差的現(xiàn)場，如黃河流域，由于水流中泥沙含量較大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪磨損嚴重，這種問題會更為突出些[1]。

（3）周邊水力環(huán)境的變化，導(dǎo)致電站上下游水位發(fā)生變化，因此機組穩(wěn)定性運行邊界條件發(fā)生變化，就會容易出現(xiàn)低水頭運行穩(wěn)定性問題。這種現(xiàn)象在實際情況中又有兩種表象，一種是由于自身水質(zhì)導(dǎo)致的，如黃河流域的電站，由于下游側(cè)泥沙堆積，很容易導(dǎo)致機組尾水位的變化，改變機組吸出高程，產(chǎn)生機組低水頭運行的穩(wěn)定性問題，為此需要定期對尾水的泥沙進行清理，但這種情況僅局限少數(shù)流域；另一種可能更具代表性的現(xiàn)象是流域梯級電站的建立，導(dǎo)致流域電站間的水位間產(chǎn)生影響，下一級電站的上庫水位對上一級電站的下游水位產(chǎn)生影響。隨著我國水電事業(yè)的快速發(fā)展，梯級電站的規(guī)劃已成為常態(tài)，因此由于這種梯級電站引起的水力特性變化導(dǎo)致的機組運行不穩(wěn)定問題也就凸顯了出來。

4 實際案例分析

董箐發(fā)電廠為北盤江干流規(guī)劃梯級的第三級電站，裝機容量880MW（4×220MW），大壩正常蓄水位為490m，死水位為483m，水輪機由ALSTOM設(shè)計，型號為HLF195A1-LJ-455，額定水頭108m，最高水頭124.5m，最低水頭106m。在2017年9月，機組在低水頭運行出現(xiàn)了穩(wěn)定性異常狀況，具體情況如下：

由于下游梯級電站龍灘水電站開始蓄水，導(dǎo)致電站下游水位達到了歷史同期的最高點，達到374.8m，較歷史同期高出將近1m，而同時由于上游來水量減少，上庫水位降到了同期最低，為485.4m，較歷史同期低了1m左右，導(dǎo)致機組實際運行水頭是歷史最低，在這種水力條件下，4臺機組同時滿發(fā)運行時，2、4號機組同時出現(xiàn)了運行穩(wěn)定性問題，由北京中元瑞訊科技有限公司提供的GMH550在線監(jiān)測系統(tǒng)頻繁輸出頂蓋垂直振動和下機架垂直振動報警信號。

圖1 振擺/壓力脈動幅值隨負荷變化圖Fig.1 Correlogram of displacement/pressure fluctuation and unit load

從圖1可以看出機組在負荷超過218MW運行后，機組的頂蓋垂直振動，下機架垂直振動和導(dǎo)葉出口壓力脈動幅值急劇增大，增幅達到10倍以上（2、4號機組情況相似，這里僅以2號機組數(shù)據(jù)為示例說明）。

從圖2和圖3可以看出，引起機組運行不穩(wěn)定的頻率是0.5625X的低頻信號，而這個頻率力來源于導(dǎo)葉出水邊至轉(zhuǎn)輪進水邊的巨大的壓力脈動，其幅值高達215kPa。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因正是由于機組在低水頭運行時，由于機組遠離最優(yōu)工況，隨著導(dǎo)葉開度的增加，轉(zhuǎn)輪進口水流具有越來越大的負沖角，在滿負荷運行時，水流在轉(zhuǎn)輪進口處產(chǎn)生的巨大的反沖，由此在導(dǎo)葉出水邊至轉(zhuǎn)輪進水邊產(chǎn)生巨大的壓力脈動，在此壓力脈動作用下，機組受到了明顯軸向的水力沖擊，因此造成了頂蓋垂直振動和下機架垂直振動幅值的突增。

圖2 振擺/壓力脈動時域波形圖Fig.2 Displacement/pressure fluctuation waveform

圖3 振擺/壓力脈動階次比圖Fig.3 Displacement/pressure fluctuation order spectrum

同樣的轉(zhuǎn)輪型號，同樣的水力工況，在相同的負荷下運行時，2、4號機組出現(xiàn)了明顯的穩(wěn)定性異?，F(xiàn)象，但1、3號機組卻并未出現(xiàn)此情況，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因就是因為加工、制造、安裝過程中的差異，導(dǎo)致水輪機穩(wěn)定運行的邊界有差別，因此在低水頭大負荷穩(wěn)定性邊界運行時，就會產(chǎn)生了同種型號機組穩(wěn)定性運行出現(xiàn)差異的情況了。

5 結(jié)束語

低水頭、大負荷是機組在穩(wěn)定性邊界運行的一種特殊工況，其運行的穩(wěn)定性關(guān)乎電廠的經(jīng)濟效益。由于水力特性的不確定性和變化性，其穩(wěn)定運行的條件也是變化的，密切關(guān)注水力環(huán)境的變化，掌握機組運行規(guī)律，合理規(guī)劃機組運行工況，才能做到在確保機組在穩(wěn)定運行的前提下，實現(xiàn)機組運營效益的最大化。