黃漢云

（云南華電怒江水電開發(fā)有限公司，云南 昆明 650051）

混流式水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的主要水力因素淺析

黃漢云

（云南華電怒江水電開發(fā)有限公司，云南 昆明 650051）

針對(duì)混流式水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的主要水力因素進(jìn)行淺析，為電站的設(shè)計(jì)、制造安裝、生產(chǎn)運(yùn)行管理提供一定的參考。

水電站；混流式水輪機(jī)；穩(wěn)定運(yùn)行；水力因素

目前隨著水電機(jī)組容量和尺寸的不斷增大，轉(zhuǎn)速的相應(yīng)提高，相對(duì)剛度的減弱，機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性問題已成為電站設(shè)計(jì)、制造安裝和生產(chǎn)管理單位極為關(guān)注的問題。很多設(shè)計(jì)單位在對(duì)水輪機(jī)選型時(shí)對(duì)一些關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了合理化的選擇，如水頭、轉(zhuǎn)速、梳齒間隙高度、間隙道數(shù)等的選擇；制造安裝單位對(duì)施工工藝更進(jìn)一步的提高，如提高底環(huán)、頂蓋、轉(zhuǎn)輪的制造加工的精度和減小橢圓度的大小，調(diào)整安裝誤差的大小和機(jī)組整體的同心度的偏差大小以及主軸的擺度的大小等；生產(chǎn)運(yùn)行管理單位也從生產(chǎn)管理的角度加以考慮和改善。通過設(shè)計(jì)、制造安裝、生產(chǎn)運(yùn)行管理單位的共同努力，使大部分原本穩(wěn)定性運(yùn)行較差的機(jī)組得到了有效的改善，但穩(wěn)定性運(yùn)行的處理需要各方的物力、財(cái)力和人力。

1 部分運(yùn)行中的混流式水輪機(jī)的穩(wěn)定性情況

1.1 二灘水電站

機(jī)組由加拿大GE公司中標(biāo)，水輪機(jī)型號(hào)HLF497-LJ-625.7，額定出力561MW，額定水頭165m，電站最大水頭Hmax=189m，最小水頭Hmin=135m，Hmax/Hmin=1.4。機(jī)組投運(yùn)后存在較顯著的較寬的部分負(fù)荷水力振動(dòng)區(qū)，低頻尾水管壓力脈動(dòng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定影響明顯；同時(shí)存在較強(qiáng)的高頻水壓脈動(dòng)，頂蓋振動(dòng)大，廠房樓板也有明顯的高頻振動(dòng)和有強(qiáng)烈噪音；在大負(fù)荷區(qū)，水壓脈動(dòng)較小，機(jī)組相對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定。從1998年8月第1臺(tái)機(jī)組投運(yùn)以來，電站6臺(tái)轉(zhuǎn)輪葉片下環(huán)出現(xiàn)了不同程度的裂紋，截止到2003年3月，6臺(tái)轉(zhuǎn)輪共發(fā)現(xiàn)32條裂紋，其中葉片出水邊與上冠連接處4條，沒有重復(fù)出現(xiàn)的情況，葉片出水邊與下環(huán)連接處28條，8個(gè)轉(zhuǎn)輪葉片同一位置出現(xiàn)重復(fù)性的裂紋共計(jì)16條。

1.2 巖灘水電站

巖灘水電站裝機(jī)4臺(tái)，水輪機(jī)型號(hào)為HL286a-LJ-800，總?cè)萘?210MW，單機(jī)水輪機(jī)額定出力307.1MW，額定水頭54m，電站最大水頭Hmax=68.5m，最小水頭Hmin=37m，Hmax/Hmin=1.851。轉(zhuǎn)輪名義直徑D1=8.0m，轉(zhuǎn)輪共有13個(gè)葉片。機(jī)組投運(yùn)后，在高水頭區(qū)域運(yùn)行時(shí)，多個(gè)工況點(diǎn)出現(xiàn)強(qiáng)振動(dòng)現(xiàn)象。在強(qiáng)振作用下，尾水錐管里襯出現(xiàn)裂紋，廠房樓板出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，機(jī)組不得不避開振動(dòng)區(qū)運(yùn)行。2號(hào)機(jī)運(yùn)行400多天后發(fā)現(xiàn)8個(gè)葉片有裂紋，3號(hào)機(jī)運(yùn)行200多天后發(fā)現(xiàn)6個(gè)葉片有裂紋。

1.3 李家峽水電站

李家峽水電站裝機(jī)2000MW，單機(jī)水輪機(jī)額定出力408.2MW，額定水頭122.0m，最大水頭Hmax=135.6m，最小水頭 Hmin=114.5m，Hmax/Hmin=1.184。電站初期運(yùn)行水頭只有94～97m。1號(hào)機(jī)運(yùn)行500多天后發(fā)現(xiàn)13個(gè)葉片有16條裂紋；2號(hào)機(jī)運(yùn)行240多天后發(fā)現(xiàn)13個(gè)葉片有14條裂紋。3號(hào)機(jī)運(yùn)行90多天后也發(fā)現(xiàn)3條較小裂紋。

從上述三個(gè)大型水電站的實(shí)際運(yùn)行情況來看，混流式水輪機(jī)運(yùn)行存在的不穩(wěn)定性現(xiàn)象是其本身特有的現(xiàn)象，水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性主要表現(xiàn)為水輪機(jī)在偏離設(shè)計(jì)的工況運(yùn)行時(shí)，特別是在高水頭作用下產(chǎn)生壓力脈動(dòng)過大和有較大水頭變幅，水輪機(jī)可能落入了不穩(wěn)定區(qū)時(shí)，壓力脈動(dòng)作用于梳齒、高壓腔、外緣等轉(zhuǎn)輪所有徑向投影面上，使轉(zhuǎn)輪承受徑向不平衡作用力，引起水輪機(jī)周期性的振動(dòng)，就有可能造成葉片裂紋、尾水管錐段撕裂、振動(dòng)區(qū)較大、機(jī)組產(chǎn)生嚴(yán)重氣蝕、廠房樓板出現(xiàn)振動(dòng)等。其不穩(wěn)定性的程度與偏離的范圍有關(guān)，偏離范圍越大，破壞也越大。

2 混流式水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的主要振動(dòng)形式

2.1 水輪機(jī)水力振動(dòng)

水流流經(jīng)水輪機(jī)蝸殼、座環(huán)、固定導(dǎo)葉、活動(dòng)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪以及尾水管等過流部件時(shí)，由于這些過流部件在設(shè)計(jì)制造安裝的誤差，形成不對(duì)稱的水流作用力矩及水流脫流，同時(shí)當(dāng)轉(zhuǎn)輪遠(yuǎn)離無撞擊進(jìn)口和最優(yōu)水流出口運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部流動(dòng)狀況變壞，產(chǎn)生脫流和渦帶，形成壓力脈動(dòng)，引起水輪機(jī)本體甚至相鄰混凝土結(jié)構(gòu)振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件疲勞破壞。運(yùn)行工況變化時(shí)，葉片進(jìn)口水流的沖角、出口環(huán)量的大小和方向也隨之變化，誘發(fā)水輪機(jī)水力振動(dòng)。

2.2 高中低頻壓力脈動(dòng)

轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流沖角太大，導(dǎo)致葉片頭部脫流空化，形成葉道渦流，引起高頻或中頻壓力脈動(dòng)。葉片出口環(huán)量過大，尤其是在尾水管內(nèi)出現(xiàn)大渦帶后，渦帶以近乎固定的頻率在管內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，在尾水管內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦帶，引起低頻壓力脈動(dòng)。

2.3 尾水管壓力脈動(dòng)

由于轉(zhuǎn)輪出口處的旋轉(zhuǎn)水流以及脫流旋渦和空蝕等的影響；同時(shí)高水頭小流量工況時(shí)葉片頭部產(chǎn)生正沖角、低水頭大流量時(shí)葉片頭部產(chǎn)生負(fù)沖角，進(jìn)而導(dǎo)致了葉片吸入側(cè)或壓力側(cè)的脫流；另一方面由于非最優(yōu)工況的水流在轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量加劇了尾水管渦帶，導(dǎo)致尾水管壓力脈動(dòng)的產(chǎn)生。當(dāng)尾水管內(nèi)一旦發(fā)生壓力脈動(dòng)，就會(huì)激起尾水管壁、轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、蝸殼及壓力管道的振動(dòng)。

2.4 空腔氣蝕引起的振動(dòng)

水輪機(jī)的空腔破壞程度與運(yùn)行條件有著密切的關(guān)系。其中最明顯的有水輪機(jī)的吸出高度選擇不合理、水輪機(jī)的運(yùn)行時(shí)間的長短、水輪機(jī)運(yùn)行水頭及轉(zhuǎn)輪尺寸、水輪機(jī)功率和水頭變化等都有可能造成空腔氣蝕。空腔氣蝕引起的振動(dòng)，在其運(yùn)行區(qū)域內(nèi)將可能發(fā)生嚴(yán)重的空蝕，導(dǎo)致機(jī)組嚴(yán)重的振動(dòng)。

2.5 其它振動(dòng)

水輪機(jī)產(chǎn)生振動(dòng)在水力方面另一個(gè)重要的原因是機(jī)組部件的固有頻率與主要水力振源的頻率一致或相近而引起的共振。主要的水力振源有機(jī)組的轉(zhuǎn)頻、尾水管壓力脈動(dòng)頻率、固定導(dǎo)葉頻率、活動(dòng)導(dǎo)葉頻率、轉(zhuǎn)輪葉片頻率、卡門渦頻率，此外還有葉道渦、無葉區(qū)的高頻等。

3 混流式水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的水力因素

3.1 高水頭小開度或者小負(fù)荷區(qū)工況

在這種工況下，轉(zhuǎn)輪出口環(huán)量過大，將造成局部真空，形成復(fù)雜的旋渦運(yùn)動(dòng)，而出現(xiàn)渦帶的大幅度的振擺，引起低頻壓力脈動(dòng)，該渦帶在尾水管壁的作用下，形成一個(gè)激振源，可上、下反復(fù)傳遞，造成流道內(nèi)壓力變化以及水頭變化，破壞尾水管壁，并造成機(jī)組出力不穩(wěn)和噪音，從而引起尾水管壁及轉(zhuǎn)輪的劇烈振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)甚至可能造成引水管和廠房的共振。尾水管高度越小，壓力脈動(dòng)越大，危害也越嚴(yán)重。特別是在高水頭小開度工況葉片進(jìn)口沖角和出口環(huán)量均較大，兩種因素疊加，對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行是極為不利的。

3.2 低水頭大流量運(yùn)行工況

在這種工況下，受發(fā)電機(jī)容量的限制，為了發(fā)足容量，在水頭降低的狀況下，流量勢(shì)必增大，水流以負(fù)沖角繞流葉片，導(dǎo)致葉片頭部壓力側(cè)脫流，水流分離成片狀渦串，在上冠、下環(huán)和兩個(gè)葉片組成的流道之間流出。在此種工況下，由于負(fù)沖角很小，葉片頭部幾乎不可能造成空化脫流，即使造成空化脫流，除噪聲明顯增大外，潛在的破壞不大，一般通過向尾水管補(bǔ)氣后即可有立竿見影的功效。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)單位的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，當(dāng)最小水頭對(duì)應(yīng)的單位轉(zhuǎn)速與最優(yōu)單位轉(zhuǎn)速比值大于1.25倍時(shí)，將使葉片進(jìn)口負(fù)沖角加大，但由于出口環(huán)量不是很大，同時(shí)在低水頭情況下，電站吸出高度負(fù)值較大，對(duì)轉(zhuǎn)輪的空化影響較小，水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性比高水頭小開度工況要好。

3.3 運(yùn)行時(shí)負(fù)荷變化過大工況

當(dāng)水頭向高水頭方向移動(dòng)時(shí)，葉片進(jìn)口邊正壓面來流沖擊對(duì)水頭的變化極為敏感，甚至當(dāng)水頭超過設(shè)計(jì)水頭的1.1倍時(shí)，葉片進(jìn)口背面已經(jīng)開始出現(xiàn)脫流，因此機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性主要表現(xiàn)在高水頭段的運(yùn)行穩(wěn)定性。當(dāng)水頭從設(shè)計(jì)水頭向低水頭移動(dòng)時(shí)，葉片正面的脫流對(duì)水頭的變化不很敏感，在大流量區(qū)出現(xiàn)葉片進(jìn)口邊正面脫流空化渦帶和較強(qiáng)的尾水管渦帶一般在常規(guī)的水輪機(jī)輸出功率限制線以外。機(jī)組在高水頭段葉片進(jìn)口背面脫流主要是由于水頭高于額定水頭后，機(jī)組發(fā)出額定輸出功率所需的導(dǎo)葉開度變小，偏離最優(yōu)工況，水流與葉片產(chǎn)生撞擊。因此如果在高水頭段能夠保證導(dǎo)葉的開度在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，則可能控制機(jī)組高水頭液流對(duì)葉片進(jìn)口撞擊而產(chǎn)生的不利的影響。

3.4 設(shè)計(jì)時(shí)水輪機(jī)最大運(yùn)行水頭Hmax與額定水頭Hr比值過大

根據(jù)設(shè)計(jì)單位的經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)水輪機(jī)最大運(yùn)行水頭Hmax與額定水頭Hr比值大于或等于1.2時(shí)，水輪機(jī)運(yùn)行有可能落在不穩(wěn)定區(qū)，這是因?yàn)樵诟咚^遠(yuǎn)離最優(yōu)設(shè)計(jì)工況，導(dǎo)葉開度小，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流沖角較大，導(dǎo)致葉片頭部或背部負(fù)壓側(cè)脫流空化或局部真空，即形成渦流，由于流動(dòng)不均，自上而下沿葉片長度方向產(chǎn)生二次流，形成高強(qiáng)度的不穩(wěn)定渦流，嚴(yán)重時(shí)進(jìn)口空化將導(dǎo)致葉片頭部的嚴(yán)重破壞。這種不穩(wěn)定的渦流是動(dòng)態(tài)負(fù)荷的起因和激振源，有可能產(chǎn)生葉道渦流，引起高頻和中頻壓力脈動(dòng)。

4 預(yù)防和整治措施

混流式機(jī)組所有穩(wěn)定性運(yùn)行問題均會(huì)導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行出現(xiàn)不同程度的影響，有的甚至導(dǎo)致機(jī)組無法正常的運(yùn)行，給電站帶來重大的損失，所以采取必要的預(yù)防措施尤為關(guān)鍵；當(dāng)出現(xiàn)無法滿足穩(wěn)定性運(yùn)行時(shí)應(yīng)積極的尋找解決問題的關(guān)鍵。筆者認(rèn)為解決穩(wěn)定性運(yùn)行應(yīng)主要從電站參數(shù)設(shè)計(jì)合理化、提高制造安裝檢修工藝水平、加強(qiáng)設(shè)備的整治和改造以及選擇合理的運(yùn)行方式著手。

4.1 電站參數(shù)設(shè)計(jì)合理化

在電站設(shè)計(jì)階段應(yīng)合理地選擇各種水頭，這是水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行所做工作的第一步。機(jī)組能否穩(wěn)定運(yùn)行主要決定于水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)，也與機(jī)組固有頻率和電站輸水系統(tǒng)頻率、廠房振動(dòng)頻率等的設(shè)計(jì)匹配，以及水輪機(jī)特征水頭的選擇等密切相關(guān)，因此選擇合適的水輪機(jī)特征水頭，有利于水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)，同時(shí)要盡量避開各種頻率的共振區(qū)。

4.2 提高制造安裝檢修工藝水平

制造廠應(yīng)在合理的范圍內(nèi)盡量提高水輪機(jī)頂蓋、座環(huán)、主軸等主要部件的剛度、強(qiáng)度，同時(shí)應(yīng)該提高水輪機(jī)的相應(yīng)的配合尺寸的加工精度，例如提高粗糙度、橢圓度、同心度、水平度等的精度。安裝施工單位應(yīng)從組織措施、管理措施、技術(shù)措施上來滿足機(jī)組的安裝質(zhì)量在各種規(guī)程規(guī)范的質(zhì)量要求范圍之內(nèi)。檢修單位應(yīng)精心組織，對(duì)運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的問題有重點(diǎn)有針對(duì)地采用先進(jìn)的工藝開展大修工作，做到該修必修，修必修好，汛期不臨檢的原則，嚴(yán)格把握好大修質(zhì)量關(guān)。

4.3 加強(qiáng)設(shè)備的整治和改造

在加強(qiáng)設(shè)備運(yùn)行生產(chǎn)管理的同時(shí)，生產(chǎn)運(yùn)行管理單位應(yīng)積極開展設(shè)備的整治和改造的工作，把一些小問題或尚處于萌芽期的問題及早發(fā)現(xiàn)及早處理，避免事態(tài)進(jìn)一步擴(kuò)大；對(duì)存在的較大問題應(yīng)不回避、不忽視、積極主動(dòng)地與上級(jí)主管單位、設(shè)計(jì)方、專家學(xué)者、大專院校、檢修運(yùn)行工人溝通協(xié)商，尋找一些能真正解決問題的方法方式，通過整治和改造盡快使機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性合理，避免事情擴(kuò)大，造成更大的財(cái)力、物力、人力和毀滅性的損失。

4.4 選擇合理的運(yùn)行方式

作為生產(chǎn)運(yùn)行管理者應(yīng)該全面掌握電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立對(duì)機(jī)組狀態(tài)進(jìn)行長期運(yùn)行趨勢(shì)分析的機(jī)制，知道所管轄的機(jī)組的各種運(yùn)行工況下的穩(wěn)定性，制定出各種情況下的詳細(xì)運(yùn)行方式，如汛期、平水期、枯水期、大修期、限負(fù)荷期等的運(yùn)行方式，達(dá)到合理確定運(yùn)行范圍或運(yùn)行方式的目的。

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TK733+.1

A

1672-5387（2010）02-0012-03

2010-01-26

黃漢云（1975-），男，工程師，從事水電站設(shè)備管理工作。