探討水力發(fā)電機(jī)組如何安全穩(wěn)定運(yùn)行

梁運(yùn)

（重慶大唐國際彭水水電開發(fā)有限公司，重慶 400000）

0 引言

做好水電資源的開發(fā)與利用對于提升資源利用率、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會的可持續(xù)發(fā)展有著重要意義。抽水蓄能是水電的重要構(gòu)成之一，可以有效改善電力供應(yīng)水平，同時還能保證電網(wǎng)安全。改革開放以來，國內(nèi)常規(guī)水電站與抽水蓄能電站的建設(shè)速度不斷加快[1]。當(dāng)前，水電和抽水蓄能技術(shù)的應(yīng)用，既能提升電網(wǎng)系統(tǒng)負(fù)荷發(fā)展平衡效果，同時還能有效解決清潔能源利用效率等方面的問題，這對于促進(jìn)我國電力系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行有著極為重要的作用。

1 機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性評價標(biāo)準(zhǔn)

1.1 水輪機(jī)尾水管壓力脈動

需要指出的是，即便是在渦帶壓力脈動幅值相同的情況下，對于機(jī)組的穩(wěn)定性有著不同的影響。在相同的ΔH 值的條件下，如果采用低水頭運(yùn)行的方式，在效果上要比高水頭的穩(wěn)定性好。此外，在危害性方面，高頻壓力脈動比低頻要大。由此可以看出，僅僅使用渦帶壓力脈動幅值ΔH/H 或使用ΔH 進(jìn)行水輪機(jī)穩(wěn)定性的評價有失偏頗，也是不全面的。除此之外，其他一些因素也可能導(dǎo)致壓力脈動問題、機(jī)組振動以及部件變形等相關(guān)問題[2]。

1.2 機(jī)組振動

在進(jìn)行水輪發(fā)電機(jī)組振動評價時，當(dāng)前所用的指標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)，主要以機(jī)組動態(tài)穩(wěn)定性為主。對于這一指標(biāo)，也是進(jìn)行機(jī)組動態(tài)監(jiān)測的內(nèi)容與依據(jù)。它是機(jī)組運(yùn)行安全的重要指標(biāo)，通過該指標(biāo)也可以及時發(fā)現(xiàn)機(jī)組故障、防止由于振動而出現(xiàn)重大事故。對于高轉(zhuǎn)速火電機(jī)組，在開展評價時，所采用的標(biāo)準(zhǔn)為軸振。就水電機(jī)組而言，評價工作中要將軸承振動作為一項(xiàng)重要的指標(biāo)。如果軸振測量響應(yīng)快，并且靈敏度高，那么就說明轉(zhuǎn)軸有著良好的振動狀況。通過改善評價環(huán)節(jié)的精度，能夠及早的發(fā)現(xiàn)運(yùn)行期間存在的隱患。在進(jìn)行大、巨型水輪發(fā)電機(jī)組的檢測工作時，要對軸振動、軸承振動進(jìn)行同時檢測，并且要使用不同標(biāo)準(zhǔn)做出評價。對于水輪發(fā)電機(jī)組來說，在其振動評價標(biāo)準(zhǔn)中，振動評價的特征值主要有兩種：速度、位移。①振動速度大多應(yīng)用在含有高頻振動的相關(guān)測量工作中。②振動位移讀數(shù)更加直觀，在水電機(jī)組的長期運(yùn)行過程中，便于工作人員依據(jù)經(jīng)驗(yàn)做出判斷。實(shí)際運(yùn)行期間，可以將機(jī)組額定轉(zhuǎn)速作為依據(jù)。例如，若轉(zhuǎn)速超過了300r/min，那么可以采用振動速度進(jìn)行機(jī)組的評價。但是，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于300r/min，此類情況可以采用振動位移做出評價。需要注意的是，由于機(jī)組在容量、轉(zhuǎn)速方面存在較大的差異，如果沿用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，那么就無法全面的對所有的機(jī)組開展較為科學(xué)、全面的評價。除此之外，在進(jìn)行機(jī)組評價時，沒有對機(jī)組尺寸做出深入的研究，沒有考慮到它對振動評價標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)影響，上述問題都需要做出改進(jìn)、補(bǔ)充與優(yōu)化。

2 水力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行問題及預(yù)防措施

2.1 機(jī)組電氣方面

2.1.1 靜態(tài)氣隙不均勻

一方面，導(dǎo)致氣隙不均勻問題的原因很多，如定子、轉(zhuǎn)子存在不圓、不同心等問題。當(dāng)最小氣隙位置相對固定時，若出現(xiàn)氣隙不均勻現(xiàn)象，就屬于靜態(tài)氣隙不均勻，易造成氣隙磁場不能保持均勻的問題。同時，定子、轉(zhuǎn)子上將出現(xiàn)一定的磁拉力，嚴(yán)重時可導(dǎo)致發(fā)電機(jī)劇烈振動。另一方面，為有效預(yù)防上述問題，技術(shù)人員可定期對轉(zhuǎn)子圓度做出測量，必要時可以在磁軛和磁極之間利用墊片進(jìn)行調(diào)整。同時，還要確保上機(jī)架徑向支撐有著足夠的剛度，在機(jī)組制造、安裝期間也要保證準(zhǔn)確度[3]。

2.1.2 動態(tài)氣隙不均勻

運(yùn)行期間轉(zhuǎn)子出現(xiàn)松動現(xiàn)象，或由于其他原因造成運(yùn)行狀態(tài)下氣隙不均勻，都屬于動態(tài)氣隙不均勻的問題。相比較而言，在問題原因方面，動、靜氣隙不均勻問題存在著一定的差異。但是就其影響效果來說，都可能造成機(jī)組產(chǎn)生較為嚴(yán)重的振動問題，甚至影響到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為此，首先在機(jī)組設(shè)計(jì)、制造、安裝方面，要確保機(jī)組的合理性與安裝質(zhì)量。此外，要避免轉(zhuǎn)子磁極運(yùn)行期間出現(xiàn)松動，防止氣隙不均勻問題的發(fā)生。

2.1.3 分?jǐn)?shù)槽次諧波

圖1 為分?jǐn)?shù)槽繞組，其磁勢既包括主波也包括次諧波。當(dāng)它與主極磁場發(fā)生相互作用之后，會產(chǎn)生行波進(jìn)而造成發(fā)電機(jī)出現(xiàn)振動，二者的振動頻率不同。但是，如果振動頻率與設(shè)備固有頻率的數(shù)值出現(xiàn)了接近的情況，就會導(dǎo)致鐵心振動，威脅到機(jī)組的運(yùn)行情況。為預(yù)防此類問題的出現(xiàn)，一方面技術(shù)人員要定期開展次諧波預(yù)測與分析，對可能造成的機(jī)組振動、噪音問題做出深入研究，制定可行、合理的處理方案。另一方面，要對定子接線做出優(yōu)化，盡可能減小次諧波量級。

圖1 分?jǐn)?shù)槽繞組

2.1.4 三相負(fù)荷不對稱

該問題是發(fā)電機(jī)運(yùn)行期間不可避免的問題，一旦發(fā)電機(jī)定子在其運(yùn)行期間發(fā)生單向接地問題，或者是出現(xiàn)了兩相間短路的情況，也將導(dǎo)致定子三相負(fù)荷不對稱運(yùn)行。在此情況下，就可能出現(xiàn)負(fù)序電流的問題。一旦負(fù)序磁場與發(fā)電機(jī)縱軸之間是正對的關(guān)系，那么即便是在氣隙較小的情況下，也將導(dǎo)致定、轉(zhuǎn)子間的作用力成指數(shù)級增大。如此一來，就會出現(xiàn)定、轉(zhuǎn)子間的作用大小不一，最終引發(fā)定子機(jī)座與轉(zhuǎn)子的振動問題。對于上述問題而言，首先可以結(jié)合機(jī)組的實(shí)際情況，合理進(jìn)行阻尼繞組方式的設(shè)計(jì)，進(jìn)而降低負(fù)序電流。此外，還可對電力系統(tǒng)做出相應(yīng)的改進(jìn)，降低負(fù)序電流。

2.2 機(jī)組機(jī)械方面

2.2.1 軸線不正和對中不良

通常情況下，軸線不正、對中不良問題主要表現(xiàn)在以下方面：①上端軸和設(shè)備的轉(zhuǎn)子中心體之間未能處于同心狀態(tài)。②軸線與設(shè)備的轉(zhuǎn)子中心體之間未能處于同心狀態(tài)。③水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)二者的軸線，未能處在同一條直線上。④機(jī)組轉(zhuǎn)軸發(fā)生偏心、彎曲等問題。⑤定子、轉(zhuǎn)子未能同心。針對該問題，主要出現(xiàn)在設(shè)備的生產(chǎn)制造與安裝過程。因而，要加強(qiáng)對生產(chǎn)制造工藝與生產(chǎn)質(zhì)量的管控。同時，要嚴(yán)把設(shè)備安裝質(zhì)量關(guān)，避免此類問題的發(fā)生。總之，造成該問題的因素較多，需要結(jié)合實(shí)際問題并采取針對性措施加以解決。

2.2.2 轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不平衡

機(jī)組振動問題的出現(xiàn)，與轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量無法達(dá)到平衡有著密切的關(guān)系。一方面，機(jī)組開始運(yùn)行之后，或者是機(jī)組持續(xù)運(yùn)行一段時間之后，由于機(jī)組存在振動的問題，可能引發(fā)一些零部件出現(xiàn)位移、松動的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)質(zhì)量無法維持在平衡狀態(tài)。例如，磁軛緊量相對較小，具體運(yùn)行過程中可能引發(fā)徑向外移的問題，最終導(dǎo)致平衡效果降低。另一方面，若機(jī)組的轉(zhuǎn)速過大，并且轉(zhuǎn)子的長度也比較大，將產(chǎn)生不平衡力偶。此類問題的預(yù)防，主要通過生產(chǎn)、安裝環(huán)節(jié)進(jìn)行控制。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行狀況，嚴(yán)格控制設(shè)備的生產(chǎn)，并做好設(shè)備安裝質(zhì)量的把控。除此之外，還可采取相關(guān)技術(shù)措施，防止磁軛在運(yùn)行期間出現(xiàn)外移。最后，還可通過加裝檢測裝置等方式解決上述問題。

2.2.3 支撐、軸系剛度需加強(qiáng)

支撐部分在設(shè)計(jì)、制造過程中，如果存在剛度過小的問題，在受到外力作用的影響下，極有可能發(fā)生變形等相關(guān)問題。隨著動態(tài)剛度的降低，在受到力矩的持續(xù)作用下，也將產(chǎn)生嚴(yán)重的振動問題。為此，可以通過提升支撐、軸系剛度的方式予以解決，防止安全事故的發(fā)生。此外，在進(jìn)行支撐、軸系設(shè)計(jì)工作時，可對其結(jié)構(gòu)做出優(yōu)化，保證機(jī)組運(yùn)行期間的安全性、穩(wěn)定性效果[4]。

2.2.4 補(bǔ)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題

該問題主要針對的是水斗式機(jī)組，在轉(zhuǎn)輪周圍空氣脫空的情況下，轉(zhuǎn)輪室將處于真空狀態(tài)，進(jìn)而造成尾水倒流，使得機(jī)組振動加劇。針對此類問題，可以在機(jī)殼內(nèi)側(cè)或者是噴管兩側(cè)位置，設(shè)計(jì)一定數(shù)量的補(bǔ)氣孔，保證大氣可以順利的補(bǔ)入，避免轉(zhuǎn)輪室出現(xiàn)真空問題。

2.3 機(jī)組水力方面

2.3.1 葉道渦

為改善機(jī)組運(yùn)行期間的性能狀況，在開展轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)時，設(shè)計(jì)人員可以適當(dāng)?shù)脑龃笕~片包角。葉道渦（圖2）初生線主要指的是發(fā)生點(diǎn)連線，對于葉道渦發(fā)展線而言，主要指的是發(fā)展點(diǎn)連線。為確保運(yùn)行期間的安全效果，發(fā)展線和運(yùn)行作業(yè)區(qū)之間要有著足夠的安全距離，對于初生線亦是如此。實(shí)際生產(chǎn)工作中，可以對葉片頂部的葉型、上冠線形做出優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外，還可將機(jī)組模型特性作為依據(jù)，避免產(chǎn)生高水頭葉道渦，適當(dāng)?shù)奶岣咴O(shè)計(jì)水頭。另外，可以在頂蓋位置處預(yù)留合理數(shù)量的補(bǔ)氣孔。

圖2 葉道渦

2.3.2 卡門渦

流體在流經(jīng)其他物體周圍時，在尾流的兩側(cè)位置將產(chǎn)生對稱式渦漩，這就是卡門渦（圖3）。水流在流經(jīng)葉片周圍的過程中，出現(xiàn)卡門渦在所難免。在此期間，如果渦漩的尺度較為適宜，同時吸附了一定的空氣，那么就屬于可見渦；相反，那么就屬于不可見渦。不管是可見渦亦或是不可見渦，在固有頻率方面，如果和機(jī)組部件的參數(shù)有著較大的差異，那么不會引發(fā)共振。相反，就會引發(fā)共振問題，進(jìn)而可能導(dǎo)致繞流部件損壞，并產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲。為避免此類問題的發(fā)生，首先可以通過減薄葉片等方式進(jìn)行處置，進(jìn)而提高渦頻率，并避免共振問題的發(fā)生。其次，為防止該問題的發(fā)生，可以進(jìn)行繞流部件的調(diào)整與改進(jìn)，確保其固有頻率和渦頻率之間有著一定的錯開度。

圖3 卡門渦

2.3.3 尾水管渦帶

相關(guān)學(xué)者針對尾水管渦帶等問題，開展了大量的研究工作。現(xiàn)有研究證明，對于機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行狀況而言，與最優(yōu)工況之間存在著較為嚴(yán)重的偏離問題。機(jī)組運(yùn)行期間，由于運(yùn)行工況范圍較大，從一定水頭下的40%最佳流量，一直到80%～90%，上述情況均可能出現(xiàn)。在流量相對較大的情況下，可能產(chǎn)生反向渦帶等各類問題。上述問題一旦發(fā)生，不僅會造成管中產(chǎn)生水壓脈動的問題，同時還可能引發(fā)機(jī)組的強(qiáng)烈振動問題，并伴隨著刺耳的噪聲。對于這一問題有著不同的預(yù)防措施：一方面，針對混流式轉(zhuǎn)輪來說，實(shí)際生產(chǎn)工作中可以選用負(fù)傾角翼等設(shè)備，并對其進(jìn)行優(yōu)化。另一方面，如果機(jī)組水頭相對較高，可以使用帶有副葉片的機(jī)組轉(zhuǎn)輪。同時，還要對葉片出口環(huán)量做出優(yōu)化，使其達(dá)到最佳分布。除了上述措施之外，還需要對渦帶運(yùn)行區(qū)進(jìn)行自然補(bǔ)氣，在必要情況下需要開展強(qiáng)制性補(bǔ)氣工作[5]。

2.3.4 壓力脈動

機(jī)組運(yùn)行期間，流道內(nèi)可能產(chǎn)生較為劇烈、復(fù)雜的失穩(wěn)問題，比如空化、脫流與漩渦，使得壓力脈動逐步增加，造成頻譜構(gòu)成變得復(fù)雜，并導(dǎo)致部件破損。為避免此類問題的發(fā)生，針對混流式機(jī)組來說，應(yīng)避免在小開度區(qū)運(yùn)行。此外，對于貫通式以及轉(zhuǎn)槳式機(jī)組而言，要結(jié)合實(shí)際情況加以限制。

2.3.5 水力自激振動

混流式水輪機(jī)運(yùn)行期間，如果轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)間隙出現(xiàn)嚴(yán)重的不均勻問題，在受到機(jī)械不平衡力的影響下，會引發(fā)水力自激振動現(xiàn)象。在我國的綠水河與漁子溪等電站中，均出現(xiàn)自激振動問題。上述問題的解決，首先需要均衡利害，適當(dāng)?shù)脑黾釉O(shè)計(jì)間隙。除此之外，還可通過提高設(shè)備制造與安裝質(zhì)量等方式來解決。

3 結(jié)語

近幾年來，國內(nèi)水力發(fā)電事業(yè)的迅猛發(fā)展，極大的促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)社會的進(jìn)步。在可預(yù)測的將來，勢必會有越來越多的機(jī)組被投入相應(yīng)的生產(chǎn)工作中。因而，確保機(jī)組運(yùn)行期間的安全性、穩(wěn)定性意義重大。為此，技術(shù)人員首先要對機(jī)組的類型、特點(diǎn)等因素做出分析，在此基礎(chǔ)上開展預(yù)測工作。同時，還要結(jié)合機(jī)組存在的問題，采取針對性的預(yù)防措施，確保各項(xiàng)生產(chǎn)工作的順利開展。