淺析水輪機(jī)運行工況與磨蝕

景國強(qiáng)，柴生文

(劉家浪水電有限責(zé)任公司，甘肅 岷縣 748400)

1 概 述

劉家浪水電站位于甘肅省岷縣境內(nèi)，是在洮河干流上建成的1座低壩、明渠引水式電站。始建于1978年，1984年10月1、2號機(jī)組發(fā)電運行，1991年竣工，裝機(jī)容量4×2 000 kW；2002年5月并入電網(wǎng)運行，之前長期處于孤網(wǎng)發(fā)電。不穩(wěn)定運行因素給電站的各類設(shè)備帶來非常大的安全隱患，也加大了運行和檢修困難，給企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益帶來不可估量的損失。為此， 水電站從2002年開始分期對4臺水輪發(fā)電機(jī)組、調(diào)速系統(tǒng)、勵磁裝置、計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了全面技術(shù)改造，裝機(jī)容量由8 000 kW增至10 500 kW；改善了機(jī)組運行穩(wěn)定性、安全性、經(jīng)濟(jì)性，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

運行工況的不斷變化和調(diào)整是每座水電站發(fā)電運行過程中最常見的現(xiàn)象，也是根據(jù)水流量變化、機(jī)組運行狀態(tài)、電網(wǎng)調(diào)度內(nèi)外因素導(dǎo)致不斷由主動變被動運行的一種實際運行狀態(tài)；所以水電站運行人員要根據(jù)實際情況在不同運行狀態(tài)下進(jìn)行運行作業(yè)，要不斷總結(jié)各種運行工況下對水輪發(fā)電機(jī)組最有利的發(fā)電運行模式，也就是最優(yōu)運行工況；以最大努力降低各種空蝕磨損、過流部件的損壞和磨損，保證設(shè)備的安全運行時效，提高設(shè)備安全運行壽命，真正做到盡可能的節(jié)能降耗、科技創(chuàng)新的新型運行理念。

2 運行工況不良帶來的影響

2.1 水頭利用率不足

水頭是水電站運行的一個重要指標(biāo)，也是設(shè)備安全運行的前提，高水頭運行不但可在同等條件下(導(dǎo)葉開度70%，流量17.42 m3/s，額定水頭17 m)提高設(shè)備出力，也是對過流部件進(jìn)行無壓差、無真空(無差壓、無真空指的是進(jìn)水壓力前池攔污柵無堵塞，壓力前池水位不低于設(shè)計水位，尾水水位不高于設(shè)計水位)的保護(hù)性運行的重要保障。反之，長期低水頭運行或因水流量不足形成帶差壓強(qiáng)制性運行，會給過流部件帶來損壞、磨蝕、振動等十分不利的影響。最為明顯的是非過流部件真空破壞閥長期動作，轉(zhuǎn)輪室?guī)哼\行引起水力不平衡振動；同時產(chǎn)生大量真空未能及時消除，進(jìn)而形成空蝕破壞，加大了過流設(shè)備表面的磨蝕破壞，從而形成以弱制弱的惡性循環(huán)。另外，導(dǎo)水葉軸套常年磨損，導(dǎo)致導(dǎo)水葉之間開度不均勻，未能形成最佳水力環(huán)量，致使工作部件(轉(zhuǎn)輪)表面受力大小不一。同時，泄水形成非?？膳碌恼婵掌茐暮蜋C(jī)組異常響聲，也給運行人員在工作上帶來非常大的技術(shù)壓力和思想壓力。

2.2 水輪機(jī)運行過程中正確調(diào)節(jié)也是一種保護(hù)

在設(shè)備運行過程中，水輪機(jī)調(diào)節(jié)器(調(diào)速器)無論是在自動或手動工況時，均要根據(jù)水頭、水流量、載荷、設(shè)備的性能等參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行合理調(diào)整，尤其在泥沙含量過大的情況下更要做到合理調(diào)度，不得已時才進(jìn)行人為停機(jī)保護(hù)。因此，在正常運行過程中合理調(diào)節(jié)運行工況也是對整個設(shè)備進(jìn)行保護(hù)的重要舉措。

圖1是劉家浪水電站在不良工況下運行給水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪造成的空蝕破壞現(xiàn)象(見圖1)。更為嚴(yán)重的是長期不良運行在轉(zhuǎn)輪室產(chǎn)生空蝕進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)動部件與過流部件的質(zhì)量損失，形成不平衡運行狀態(tài)。這樣，不但給機(jī)組造成嚴(yán)重的水力振動，還會損失大量水原動力，出現(xiàn)機(jī)組出力下降、振動過大、機(jī)部件損壞等不良現(xiàn)象。最后，迫使整個機(jī)組停機(jī)，擴(kuò)大檢修內(nèi)容，給企業(yè)帶來不可估量的損失。

圖1 不良運行工況和磨蝕給設(shè)備造成的破壞

過去劉家浪水電站由于長期孤網(wǎng)運行，對設(shè)備的運行工況了解不太全面，再加上磨蝕的影響，導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)組運行過程中設(shè)備缺陷頻發(fā)；如水輪發(fā)電機(jī)組軸線嚴(yán)重傾斜，主軸密封損壞加速，水導(dǎo)軸承淹水，轉(zhuǎn)輪葉片邊緣侵蝕加速引起水輪機(jī)振動、出力下降等。1999年3月，不良運行工況和磨蝕給設(shè)備造成的破壞導(dǎo)致1號機(jī)組發(fā)生水輪機(jī)主軸軸頸斷裂的惡性事故，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全運行，給電站造成重大損失。

2.3 泥沙含量過大帶來的設(shè)備損壞和造成的影響

在我國西部，許多河流泥沙含量較大，在這種河流上修建的水電站，泥沙磨損對水電站的安全運行造成了較大危害，高含沙水流對水輪機(jī)的磨蝕十分嚴(yán)重，尤其是在空蝕和泥沙磨損雙重破壞作用下特別明顯：增加了機(jī)組檢修周期，水輪機(jī)的運行效率下降，水輪機(jī)的可靠性降低，機(jī)組壽命下降，嚴(yán)重影響電站的安全運行和經(jīng)濟(jì)效益，水電站在檢修過程中備品備件增多，增加運行成本。圖2是甘肅省隴南市白鶴橋水電站導(dǎo)水結(jié)構(gòu)過流面磨蝕斷面(見圖2)。

圖2 導(dǎo)水結(jié)構(gòu)過流面磨蝕斷面

3 應(yīng)對運行工況不良的幾點建議

3.1 合理利用水力資源，盡量做到高水頭運行

每條河流的水流量大小不同，每座電站的水頭高低不同，設(shè)備出力不盡相同，因而在設(shè)計電站時的理念就不能一概而論；這就要求在設(shè)計時經(jīng)濟(jì)容量、設(shè)備選型、機(jī)組分布、運行工況等都要嚴(yán)格按實際情況認(rèn)真分析，做到因材而用，切不可盲目的不切實際開工。但水頭是每座電站的一項重要指標(biāo)，萬變不離其宗，水頭、流量是決定設(shè)備容量大小的關(guān)鍵參數(shù)，兩者是相輔相成的，缺一不可；最佳水頭也是電站運行工況及電站標(biāo)志性的參數(shù)，是保證設(shè)備安全運行、出力工況最優(yōu)、主副設(shè)備處在合理技術(shù)范圍的安全基本要素。故而合理利用水力資源和正常水頭運行是保證設(shè)備安全運行的有力保障。另外，高水頭也可將一部分漂浮物、雜質(zhì)、冰塊排至溢流道，防止過流部件的卡阻和磨損。

3.2 合理調(diào)度，擇機(jī)運行

水電站在密切配合電網(wǎng)調(diào)度的前提下，要根據(jù)自身實際情況進(jìn)行負(fù)荷分配和開停機(jī)時下達(dá)的運行指令；如水情變化、季節(jié)差別、設(shè)備檢修、汛期運行、冰凌期運行、意外解網(wǎng)運行等，都要因勢利導(dǎo)，以最大限度地確保設(shè)備在安全情況下做到“多發(fā)電，發(fā)好電”的水電傳統(tǒng)。

下面以甘肅省岷縣古城水電站在發(fā)生重大自然災(zāi)害時的合理調(diào)度為例進(jìn)行介紹。當(dāng)時岷縣發(fā)生重大泥石流自然災(zāi)害，大量泥石流進(jìn)入庫區(qū)，為了保護(hù)設(shè)備的安全且不發(fā)生重大事故以及造成過流部件不可預(yù)想的損壞，將其運行設(shè)備全部停止運行，利用備用電源下泄流量。在不傷及當(dāng)?shù)乩习傩丈敭a(chǎn)安全的前提下，電站所有人員在當(dāng)?shù)卣块T全力配合下及時排泄庫區(qū)泥石流及大量雜物，不但保護(hù)了設(shè)備的安全，也給當(dāng)?shù)氐睦习傩樟粝铝肆己玫目诒Ｓ捎诩皶r泄洪，降低了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的各類損失，為當(dāng)?shù)卣疁p輕了自然災(zāi)害的壓力，受到縣市的一致好評。

3.3 保證檢修質(zhì)量，改善水輪機(jī)運行工況

在設(shè)備檢修安裝過程中對于高程、水平、中心以及軸線擺度等質(zhì)量要求是非常嚴(yán)格的，無論哪個方面出現(xiàn)問題或達(dá)不到檢修質(zhì)量要求，都會影響到整個機(jī)組的安全運行，對水輪機(jī)運行工況產(chǎn)生不良影響；更有甚者會出現(xiàn)重大事故， 給電站帶來不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。水輪機(jī)在不良工況下運行，將會加大設(shè)備的損壞程度，出現(xiàn)一系列不正常現(xiàn)象，如振動過大，出力不足，磨蝕嚴(yán)重，異常響聲，軸承溫度偏高，轉(zhuǎn)動部件碰撞、卡阻等情況。因此，檢修質(zhì)量的好壞對水輪機(jī)運行工況有重要影響，例如，止漏環(huán)間隙調(diào)整不當(dāng)會對水輪機(jī)運行工況產(chǎn)生較大影響，會加大機(jī)組振動。

3.4 減少磨蝕，盡可能做到最優(yōu)工況運行

水輪機(jī)在檢修時，有時會發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片出水邊表面(通常是背面)、軸流式水輪機(jī)室，甚至尾水管進(jìn)水口內(nèi)壁，有一些麻點甚至蜂窩狀的孔洞，這是磨蝕造成的不良后果。磨蝕嚴(yán)重時水輪機(jī)在運行過程中會形成振動和發(fā)出撞擊響聲，同時引起效率下降；如不及時處理，將會導(dǎo)致葉片破壞，效率急劇下降。因此，在運行過程中應(yīng)盡量減少磨蝕對運行工況的不良影響。

此外，為了有效地利用水頭，提高水輪機(jī)的運行效率，應(yīng)使水輪機(jī)在最優(yōu)工況下運行；因此水流在進(jìn)入轉(zhuǎn)輪時應(yīng)盡量無撞擊，即切向進(jìn)口；水流在離開轉(zhuǎn)輪時應(yīng)絕對速度的圓周分量盡量小，即法向出口。切向進(jìn)口和法向出口是保證水輪機(jī)最優(yōu)工況運行的條件。

4 結(jié) 語

“合理調(diào)度，擇機(jī)運行”是每位水電工作者面對的重要課題。眾所周知，運行工況優(yōu)良時給電站帶來良好經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，反之則會造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失以及設(shè)備損壞，尤其是長期不良工況運行會造成過流部件和固定部件的磨蝕，給電站的檢修工作帶來很大困難；同時也造成了經(jīng)濟(jì)上的重大損失。因此，應(yīng)根據(jù)電站特點，制定合理的運行方法，這樣才能取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。