大藤峽水利樞紐水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性分析及預(yù)防措施

陳曉彬，羅紅云，陳 朝

（廣西大藤峽水利樞紐開發(fā)有限責(zé)任公司，537226,桂平）

軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)主要應(yīng)用于低水頭、大流量電站，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、地勢(shì)落差小的中東部地區(qū)應(yīng)用廣泛。 因水輪機(jī)設(shè)計(jì)水平低、參數(shù)選擇不當(dāng)和制造精度差等原因，使得我國(guó)大量軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)技術(shù)指標(biāo)落后、運(yùn)行穩(wěn)定性差、效率低、空蝕現(xiàn)象嚴(yán)重， 并且機(jī)組運(yùn)行時(shí)常有動(dòng)力失穩(wěn)、葉片裂紋破壞甚至疲勞斷裂等現(xiàn)象，嚴(yán)重威脅電站安全穩(wěn)定運(yùn)行。 近年大型軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪高頻發(fā)生裂紋現(xiàn)象。 為保證機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，開展大藤峽水利樞紐水輪機(jī)運(yùn)行安全穩(wěn)定性研究十分重要。 結(jié)合軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)參數(shù)選擇及水輪機(jī)設(shè)計(jì)方法，開展運(yùn)行穩(wěn)定性相關(guān)原因分析，并提出相應(yīng)防范措施，有利于改善機(jī)組的綜合性能、提高水能利用率和機(jī)組運(yùn)行可靠性。

一、 大藤峽水利樞紐水輪機(jī)概況

大藤峽水利樞紐擁有國(guó)內(nèi)最大單機(jī)容量200 MW 的軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組， 運(yùn)行水頭范圍為10.07～37.79 m，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑達(dá)10.42 m， 機(jī)組出力、水頭變幅、轉(zhuǎn)輪直徑均為國(guó)內(nèi)同類型機(jī)組最大。 單機(jī)容量的增大和水頭變幅的提高，使得大藤峽水輪機(jī)設(shè)計(jì)制造難度為國(guó)內(nèi)外之最。 另外，隨著轉(zhuǎn)輪直徑的增大，流道中不穩(wěn)定流的水力激振能量增加，流道部件的剛度等固有頻率下降，影響水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的問題愈發(fā)凸顯。

水輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性與水輪機(jī)設(shè)計(jì)、參數(shù)選擇、運(yùn)行工況、制造質(zhì)量等密切相關(guān)，大藤峽水利樞紐根據(jù)流道、 水力特性參數(shù)和運(yùn)行特點(diǎn)等，以已有的軸流式轉(zhuǎn)輪FI053 作為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)輪， 對(duì)流道和水力特性參數(shù)進(jìn)行了CFD （Computational Fluid Dynamics）優(yōu)化分析和水力設(shè)計(jì)，專門開發(fā)了運(yùn)行可靠性高、空化性能優(yōu)秀、高效率范圍寬廣且適合大藤峽水利樞紐水頭段的FI076 轉(zhuǎn)輪。

二、水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性影響因素及分析

水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性是指水輪機(jī)在非設(shè)計(jì)工況下，水輪機(jī)過(guò)流部件的壓力脈動(dòng)和由壓力脈動(dòng)誘發(fā)的振動(dòng)及振動(dòng)區(qū)域的大小程度，以及由機(jī)械方面的原因引起的振動(dòng)程度、出力擺動(dòng)的程度、水輪機(jī)的噪音等。 影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的因素有電磁、 機(jī)械、水力等，其中水力因素是影響水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。

1.水輪機(jī)脫流

沖角變化在葉片進(jìn)口處引起的表面脫流是水輪機(jī)的基本特性， 正沖角引發(fā)的脫流發(fā)生在葉片背面， 通常只有在偏離最優(yōu)工況較遠(yuǎn)的工況下，正沖角引發(fā)的背面脫流才具有一定的危害性，但是可以通過(guò)水輪機(jī)的正確選型及運(yùn)行區(qū)的合理選擇來(lái)避免。 負(fù)沖角引發(fā)的脫流發(fā)生在葉片工作面，由于葉片工作面是高壓力區(qū)，脫流發(fā)展受到極大抑制，很難產(chǎn)生有害的振動(dòng)。 軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)是一種導(dǎo)葉和槳葉雙調(diào)節(jié)水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪運(yùn)行于協(xié)聯(lián)工況，使水輪機(jī)運(yùn)行在效率最高點(diǎn)或接近于效率最高點(diǎn)，保證水輪機(jī)運(yùn)行不收沖角引發(fā)的脫流影響。

2.水輪機(jī)磨損

空蝕是流道內(nèi)局部水流速度增加、壓力下降時(shí)形成的空穴在潰滅時(shí)對(duì)過(guò)流部件表面造成的損壞。 磨損是過(guò)流材料表面長(zhǎng)時(shí)間受固體微粒切削產(chǎn)生質(zhì)量體積減小的物理現(xiàn)象,常發(fā)生于多泥沙河流上的電站。 水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,空蝕、磨損的聯(lián)合作用會(huì)使破壞加劇，通常將水輪機(jī)空蝕與磨損聯(lián)合破壞稱為水機(jī)空蝕磨損破壞，簡(jiǎn)稱磨蝕。 在我國(guó)已投產(chǎn)的水電站中, 有相當(dāng)一部分電站由于磨蝕破壞，機(jī)組效率下降、出力減小、振動(dòng)加劇,不僅威脅水電站的安全運(yùn)行,而且嚴(yán)重威脅電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

水的清潔度與水輪機(jī)的磨蝕成反比， 黔江流域泥沙含量少， 水質(zhì)較好，水中雜質(zhì)對(duì)水輪機(jī)過(guò)流部件的磨損輕微，大藤峽通過(guò)合理選擇水輪機(jī)制造材料和設(shè)置補(bǔ)氣裝置，可降低水輪機(jī)的磨蝕對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響。

3.尾水管壓力脈動(dòng)

水輪機(jī)偏離最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí)，受轉(zhuǎn)輪出口處的旋轉(zhuǎn)水流、脫流旋渦和空蝕等影響，尾水管內(nèi)常伴有壓力波動(dòng)，在尾水管中心形成渦帶。 尾水管渦帶脈動(dòng)頻率一般為轉(zhuǎn)頻的幾分之一, 當(dāng)脈動(dòng)頻率與機(jī)組自振頻率或廠房自振頻率接近時(shí)， 就會(huì)產(chǎn)生共振，引起機(jī)組或廠房的劇烈振動(dòng)。

尾水管渦帶作用在管壁上的動(dòng)水荷載相當(dāng)復(fù)雜， 且由于形狀特殊，理論上給研究誘發(fā)振動(dòng)機(jī)理帶來(lái)困難。 通常通過(guò)優(yōu)化水輪機(jī)設(shè)計(jì)，避開機(jī)組共振區(qū)域和進(jìn)行尾水管補(bǔ)氣破壞渦帶形成來(lái)減輕壓力脈動(dòng)影響。

4.水力不平衡

水力設(shè)計(jì)欠合理也會(huì)引起運(yùn)行工況不穩(wěn)定。 比如蝸殼支墩頭部設(shè)計(jì)不能使水流均勻穩(wěn)定地沿圓周方向進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)；蝸殼包角小、固定導(dǎo)葉數(shù)量少會(huì)降低水流的均勻度和穩(wěn)定程度，造成擾動(dòng)的水動(dòng)力引起周向水力不平衡；葉片翼型設(shè)計(jì)壓力分布不合理，使葉片進(jìn)、出口流動(dòng)狀況不佳； 葉片出口外緣厚度較薄有尖點(diǎn)，工作時(shí)發(fā)生顫動(dòng)。 通常在水輪機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)合理的參數(shù)選擇和對(duì)過(guò)流部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)來(lái)消除水力不平衡對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的影響。

5.卡門渦

流體流過(guò)一圓柱體或翼型(包括一般不良繞流體)時(shí)，雷諾數(shù)大于40，在物體尾部會(huì)產(chǎn)生一系列規(guī)則的、交叉排列的、方向不同的漩渦列，這些從物體尾部脫流出來(lái)的交替漩渦稱為卡門渦。 當(dāng)水輪機(jī)的導(dǎo)葉和槳葉具有鈍尾時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)卡門渦，卡門渦的頻率與某些過(guò)流部件的固有頻率接近時(shí)，會(huì)引起過(guò)流部件的共振。

大藤峽水利樞紐通過(guò)合理選擇水輪機(jī)性能參數(shù)和優(yōu)化機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)， 保證水輪機(jī)在正常連續(xù)運(yùn)行區(qū)域內(nèi)無(wú)有害的卡門渦， 機(jī)組可穩(wěn)定運(yùn)行。

三、水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定保證措施

影響水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的因素是多方面的， 運(yùn)行不穩(wěn)定的根本原因還沒有可靠的理論依據(jù)。 就目前來(lái)看，在改善機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性方面，可以采取以下措施：

1.選擇合理的性能參數(shù)

合理選擇水輪機(jī)性能參數(shù)是保證水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的前提， 在選型設(shè)計(jì)過(guò)程中， 大藤峽公司注重水輪機(jī)各參數(shù)間的最佳匹配，不片面追求高效率和高比轉(zhuǎn)速，把穩(wěn)定性放在首位。 結(jié)合大藤峽工程實(shí)際和水力因素條件，通過(guò)多種水力計(jì)算和仿真模擬，對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)、葉片形狀、導(dǎo)葉高度及蝸殼尾水管等進(jìn)行協(xié)調(diào)組合，選擇最適合的水輪機(jī)參數(shù)，確保盡可能減小壓力脈動(dòng)、 有害卡門渦和不平衡受力，為水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行打下良好基礎(chǔ)。

2.改善水輪機(jī)設(shè)計(jì)

合理的轉(zhuǎn)輪選型設(shè)計(jì)能夠有效改善轉(zhuǎn)輪內(nèi)的流態(tài)。 大藤峽公司通過(guò)優(yōu)化轉(zhuǎn)輪葉片、活動(dòng)導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉的設(shè)計(jì)，使轉(zhuǎn)輪葉片、活動(dòng)導(dǎo)葉和固定導(dǎo)葉的自振頻率避開機(jī)組激振頻率，確保不會(huì)發(fā)生共振。 同時(shí)采用現(xiàn)代的優(yōu)化理論對(duì)水輪機(jī)葉片的表面線型進(jìn)行改型設(shè)計(jì), 可提高水輪機(jī)的水力性能。例如,在葉片輪緣處加抗空化裙邊,提高機(jī)組的抗空蝕性能，并在保證強(qiáng)度的條件下對(duì)出水邊進(jìn)行修型,降低葉片出水邊卡門渦產(chǎn)生概率,提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。 為了防止轉(zhuǎn)輪裂紋的產(chǎn)生，大藤峽水輪機(jī)在選型設(shè)計(jì)中還分析了轉(zhuǎn)輪在每個(gè)工況下的受力特征、轉(zhuǎn)輪在水中的動(dòng)力特征及其機(jī)械性能等，對(duì)水輪機(jī)各個(gè)部件進(jìn)行詳細(xì)的剛度、強(qiáng)度分析，保證剛度、強(qiáng)度滿足要求。 同時(shí)，為了保證水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)和制造最佳，轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)制造過(guò)程中采用性能預(yù)估技術(shù)和動(dòng)態(tài)特性分析技術(shù)，在設(shè)計(jì)階段全方位掌握所設(shè)計(jì)水輪機(jī)的水力性能和動(dòng)態(tài)特性,及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)作出修改和調(diào)整。

3.優(yōu)化機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了減小或避免機(jī)組在啟動(dòng)、運(yùn)行、 變負(fù)荷情況下的有害壓力脈動(dòng)、振動(dòng)或共振，大藤峽公司對(duì)機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)機(jī)組進(jìn)行專門的抗振設(shè)計(jì)。 通過(guò)在真機(jī)協(xié)聯(lián)工況對(duì)應(yīng)的模型工況下進(jìn)行模型試驗(yàn)，計(jì)算得出真機(jī)所有協(xié)聯(lián)運(yùn)行區(qū)域的蝸殼進(jìn)口、頂蓋、尾水管錐管段、尾水管肘管段和尾水管擴(kuò)散段進(jìn)口雙振幅的壓力脈動(dòng)和頻譜，找出水流通道中可能出現(xiàn)的激振頻率，通過(guò)優(yōu)化機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使機(jī)組部件固有頻率與水力激振頻率錯(cuò)開，避免共振。 提高部件的結(jié)構(gòu)剛度，減小變形和振動(dòng)。

4.合理安排機(jī)組運(yùn)行方式

機(jī)組在性能優(yōu)良的運(yùn)行區(qū)域中運(yùn)行，有利于機(jī)組和電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)。 目前各電站都在不斷努力，力圖通過(guò)運(yùn)行實(shí)踐，縮小禁運(yùn)區(qū)，擴(kuò)大穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)， 更準(zhǔn)確劃分運(yùn)行區(qū)域。大藤峽公司在機(jī)組調(diào)試及投產(chǎn)初期，將對(duì)整個(gè)機(jī)組運(yùn)行特性曲線進(jìn)行修正，精確機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)，并在實(shí)際運(yùn)行中合理調(diào)度，讓機(jī)組避開不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域， 盡量在高效率區(qū)運(yùn)行，確保機(jī)組安全且又經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

5.設(shè)置有效的補(bǔ)氣措施

機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，為防止飛逸事故發(fā)生，損壞內(nèi)部結(jié)構(gòu),需快速關(guān)閉導(dǎo)葉，但水流并不能隨之快速降壓，會(huì)根據(jù)慣性繼續(xù)高速流動(dòng)， 使尾水管內(nèi)形成真空。由于尾水管周圍結(jié)構(gòu)內(nèi)壓強(qiáng)減小，在大氣壓的強(qiáng)烈作用下，已經(jīng)流向下游的水會(huì)急速回涌， 反向撞擊轉(zhuǎn)輪和導(dǎo)葉，產(chǎn)生向上的沖擊力，形成反水錘。 反水錘壓力極大， 會(huì)使機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)位置抬起，就是所謂的抬機(jī)。尾水管內(nèi)反向水擊導(dǎo)致的抬機(jī)現(xiàn)象，對(duì)水輪機(jī)機(jī)組危害是沖擊性的。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)和安裝時(shí)水輪機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)都基本固定，為保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，防止抬機(jī)現(xiàn)象產(chǎn)生，大藤峽結(jié)合軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組特點(diǎn)，在水輪機(jī)支持蓋上安裝多個(gè)真空破壞閥,在導(dǎo)葉迅速關(guān)閉時(shí),自動(dòng)開啟補(bǔ)氣，增加尾水管內(nèi)壓力，消除或降低尾水回流能量從而避免抬機(jī)。 另外，分別在頂蓋和尾水管錐管段預(yù)留一定數(shù)量的壓縮空氣補(bǔ)氣孔和短管補(bǔ)氣管,在機(jī)組投運(yùn)后進(jìn)行補(bǔ)氣，改善水力狀況，保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。

6.優(yōu)化水輪機(jī)流道

水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)中, 結(jié)構(gòu)及流道理論上是對(duì)稱的。 但由于實(shí)際加工制造及安裝等多方面存在誤差； 轉(zhuǎn)輪密封結(jié)構(gòu)和流道形狀等不可能完全對(duì)稱。 如果誤差達(dá)到一定程度，就會(huì)產(chǎn)生不平衡力矩及水力不平衡,進(jìn)而引發(fā)轉(zhuǎn)輪及軸的橫向振動(dòng)、縱向振動(dòng)及水壓脈動(dòng),影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。 合理確定流通部件尺寸對(duì)于保證水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性、提高水輪機(jī)效率具有重要意義，同時(shí)優(yōu)化流道尺寸能夠減小廠房尺寸，節(jié)省土建工程投資。 T 形蝸殼在可以保證較高效率的同時(shí)，提高大流量、 高負(fù)荷工況下的水力效率。 大藤峽水輪機(jī)采用T 形蝸殼，并在滿足機(jī)組控制尺寸條件下，對(duì)蝸殼進(jìn)行了優(yōu)化，采用227°包角，提高沿圓周方向水流的均勻性，同時(shí)采用橢圓斷面彎肘形金屬尾水管，擴(kuò)散段帶雙支墩，保留大流量性能的同時(shí)提高轉(zhuǎn)輪的最優(yōu)效率和運(yùn)行穩(wěn)定要求。

7.提高制作、加工精度

大藤峽電廠對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片采用數(shù)控加工，減少葉片制造、加工中的型線誤差，保證機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件的加工精度，達(dá)到減小運(yùn)行時(shí)的水力不平衡引起的振動(dòng)，降低轉(zhuǎn)輪和轉(zhuǎn)子靜平衡的殘余不平衡力矩的作用。

四、結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)合理選擇水輪機(jī)性能參數(shù)，優(yōu)化水輪機(jī)結(jié)構(gòu)及流道設(shè)計(jì)，設(shè)置有效的補(bǔ)氣措施，提高水輪機(jī)制作、加工精度，并合理安排機(jī)組運(yùn)行方式等措施, 是保證機(jī)組能安全穩(wěn)定投產(chǎn)運(yùn)行的有效預(yù)防措施。 ■