雷江逵，李建衛(wèi)

（1.甘肅電投九甸峽水電開發(fā)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050；2.國投甘肅小三峽水電發(fā)電有限公司，甘肅 蘭州 730050）

水輪機(jī)防止抬機(jī)和減輕反水錘問題的實(shí)踐與探討

雷江逵1，李建衛(wèi)2

（1.甘肅電投九甸峽水電開發(fā)有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730050；2.國投甘肅小三峽水電發(fā)電有限公司，甘肅 蘭州 730050）

反水錘是發(fā)生在反擊式水輪發(fā)電機(jī)尾水管流道中的一種特殊水錘現(xiàn)象，在軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組中時(shí)有發(fā)生，主要表現(xiàn)是在機(jī)組事故停機(jī)、甩負(fù)荷、空載或空轉(zhuǎn)停機(jī)過程中發(fā)生的抬機(jī)現(xiàn)象，更為甚者發(fā)生肢解轉(zhuǎn)輪葉片、破壞水輪機(jī)頂蓋的嚴(yán)重事故。以甘肅洮河峽城水電站機(jī)組試驗(yàn)為例，對(duì)反水錘的成因進(jìn)行了探討，并對(duì)取得的成果進(jìn)行了說明。

水輪機(jī)；防止抬機(jī)和減輕反水錘；探討

1 水輪機(jī)抬機(jī)原因

水輪機(jī)抬機(jī)，是指水輪機(jī)在甩負(fù)荷過程中，尾水管內(nèi)出現(xiàn)真空，形成反水擊以及水輪機(jī)進(jìn)入水泵工況，產(chǎn)生的水泵升力因而產(chǎn)生反向軸向力，只要反向軸向力大于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的總重量就會(huì)使機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分被抬起一定高度，此現(xiàn)象稱為水輪機(jī)的抬機(jī)。

造成抬機(jī)的原因可能有兩種：一是機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)，尾水管內(nèi)出現(xiàn)反水錘引起的。導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)，由于水流的慣性作用，會(huì)在轉(zhuǎn)輪室中產(chǎn)生一段真空，同時(shí)水流在下游水壓力作用下減速停止并反向運(yùn)動(dòng)，撞擊轉(zhuǎn)輪葉片，引起向上的水力沖擊，即所謂的反水錘。二是水輪機(jī)進(jìn)入水泵工況，產(chǎn)生了向上的軸向水推力。負(fù)吸出高程的軸流式水輪機(jī)，即便導(dǎo)葉關(guān)閉，切斷了上游來水，轉(zhuǎn)輪室仍充滿水，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的慣性使轉(zhuǎn)輪在水中仍然旋轉(zhuǎn)，就象一個(gè)螺旋推進(jìn)器，將水流向下推動(dòng)，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)向上的軸向水推力，也叫水泵升力，這就是水輪機(jī)的水泵工況，當(dāng)水泵升力大于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量時(shí)，就會(huì)造成抬機(jī)。

機(jī)組在設(shè)備制造、設(shè)備改造中采用了防抬機(jī)裝置予以防范；有的電站在電站設(shè)計(jì)時(shí)為了防止抬機(jī)事故的發(fā)生，對(duì)機(jī)組尾水管的結(jié)構(gòu)尺寸、機(jī)組的吸出高度、機(jī)組的效率、空化系數(shù)、機(jī)組的剛度強(qiáng)度進(jìn)行了綜合優(yōu)化，從而最大限度地降低了抬機(jī)量。對(duì)于已經(jīng)有抬機(jī)現(xiàn)象的機(jī)組，應(yīng)該設(shè)法予以解決。

利用調(diào)速器功能的拓展解決水輪機(jī)抬機(jī)不失為一種有效的手段。計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用使調(diào)速器的調(diào)節(jié)控制功能有了很大的提高，調(diào)速器機(jī)械液壓系統(tǒng)的隨動(dòng)性和準(zhǔn)確性也有了很大的提高。實(shí)踐證明利用調(diào)速器的調(diào)節(jié)控制功能及調(diào)節(jié)參數(shù)的調(diào)整改善機(jī)組的抬機(jī)現(xiàn)象非常有效。

2 峽城水電站機(jī)組結(jié)構(gòu)形式

甘肅洮河峽城水電站水輪機(jī)型號(hào)LH-ZZ550-360，水輪機(jī)額定功率13 MW，額定水頭16.2 m，額定流量88.4 m3/s，額定轉(zhuǎn)速166.7 r/min，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑3.6 m，吸出高度≤-5.02 m，尾水管長度15 820 mm，尾水管上翹角15.4°，水輪機(jī)設(shè)計(jì)抬機(jī)間隙為20 mm，調(diào)保計(jì)算導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律：第一段關(guān)閉時(shí)間4.2 s，第二段關(guān)閉時(shí)間7 s，拐點(diǎn)為40%導(dǎo)葉開度。

3 現(xiàn)場(chǎng)反水錘試驗(yàn)

3.1 峽城水電站機(jī)組試驗(yàn)基本條件

按照調(diào)節(jié)保證計(jì)算結(jié)果對(duì)調(diào)速器進(jìn)行兩段關(guān)閉規(guī)律進(jìn)行調(diào)整試驗(yàn)，兩段關(guān)閉動(dòng)作正確；蝸殼、機(jī)組頂蓋、尾水管壓力測(cè)量裝置測(cè)試正確；試驗(yàn)人員組織到位，進(jìn)行機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)基本現(xiàn)象及結(jié)果

（1）甩負(fù)荷試驗(yàn)主要數(shù)據(jù)（表1）

（2）甩負(fù)荷時(shí)主要現(xiàn)象

1）機(jī)組甩負(fù)荷后，轉(zhuǎn)速隨即上升，導(dǎo)葉在第一段關(guān)閉時(shí)，機(jī)組轉(zhuǎn)速上升不是最大值，蝸殼水壓上升出現(xiàn)最大值。

2）抬機(jī)現(xiàn)象沒有發(fā)生在機(jī)組轉(zhuǎn)速最大時(shí)，也不是機(jī)組頂蓋壓力最小時(shí)。

3）抬機(jī)現(xiàn)象主要發(fā)生在機(jī)組轉(zhuǎn)速開始下降的初期。

4）抬機(jī)高度和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪槳葉的角度有關(guān)，槳葉開度越小，抬機(jī)量越大；槳葉開度大，抬機(jī)量相對(duì)較小，但頂蓋壓力會(huì)急劇上升。

（5）補(bǔ)氣閥的補(bǔ)氣情況和抬機(jī)量對(duì)比：機(jī)組補(bǔ)氣閥不動(dòng)作，抬機(jī)現(xiàn)象明顯嚴(yán)重；補(bǔ)氣充分，抬機(jī)現(xiàn)象明顯減輕。

（6）水輪機(jī)支持蓋處防抬機(jī)塊有明顯碰撞痕跡。

3.3 試驗(yàn)現(xiàn)象分析

從以上試驗(yàn)現(xiàn)象可以分析出：在機(jī)組導(dǎo)葉緊急關(guān)閉時(shí)，由于水流的慣性作用，轉(zhuǎn)輪室壓力突然降低，在轉(zhuǎn)輪室中產(chǎn)生一段真空，同時(shí)水流在下游水壓力作用下減速并反向運(yùn)動(dòng)，撞擊轉(zhuǎn)輪葉片，引起向上的水力沖擊，尾水管中的反向水流流向轉(zhuǎn)輪受阻而形成反水錘。在這個(gè)過程中，反水錘的形成應(yīng)該有兩個(gè)前提：轉(zhuǎn)輪室中產(chǎn)生一段真空，尾水管的反向水流受阻。

但在甘肅洮河峽城水電站投產(chǎn)試驗(yàn)中，盡管沒有出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪室真空，抬機(jī)現(xiàn)象依然發(fā)生。分析主要原因是和電站尾水管的結(jié)構(gòu)尺寸有關(guān)，設(shè)計(jì)尾水管較長，頂板上翹較大，甩負(fù)荷時(shí)尾水水流迅速回流。由于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量已定，電站水工建筑物的結(jié)構(gòu)已經(jīng)定型，這兩部分沒有調(diào)整的余度，但反水錘的危害性應(yīng)設(shè)法減輕或消除。

4 利用調(diào)速器的功能重新調(diào)整調(diào)節(jié)規(guī)律

對(duì)于低水頭電站，可能會(huì)出現(xiàn)過高的反水錘壓力，但一般工程在進(jìn)行調(diào)節(jié)保證計(jì)算時(shí)較少用反水錘壓力來確定機(jī)組導(dǎo)葉的關(guān)閉時(shí)間。

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)水輪機(jī)軸向水推力的分析和計(jì)算，并結(jié)合具體的水輪機(jī)，由于轉(zhuǎn)輪、流道都已固定，軸向水推力Pz和轉(zhuǎn)速n、流量Q可用下式加以描述：

式中k1和k2均為常量。

不難看出，只要控制好流量Q使其和轉(zhuǎn)速n保持一定的關(guān)系，就可保證軸向水推力Pz之值不會(huì)大于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量G，從而避免抬機(jī)。

機(jī)組甩負(fù)荷時(shí)調(diào)速器的基本要求是：機(jī)組甩100%負(fù)荷時(shí)蝸殼水壓上升率及機(jī)組轉(zhuǎn)速上升率均不應(yīng)超過設(shè)計(jì)值；要觀察勵(lì)磁系統(tǒng)的穩(wěn)定性，甩100%負(fù)荷時(shí)，發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓超調(diào)量不大于15%，調(diào)節(jié)時(shí)間不大于5 s，電壓擺動(dòng)次數(shù)不超過3次；甩100%負(fù)荷時(shí)，超過穩(wěn)定轉(zhuǎn)速3%以上的波峰不超過2次，機(jī)組導(dǎo)葉第一次向開啟方向移動(dòng)起到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速擺動(dòng)值不超過±0.5%為止,調(diào)節(jié)時(shí)間不應(yīng)大于40s。從微機(jī)調(diào)速器應(yīng)用實(shí)踐情況表明，微機(jī)調(diào)速器有可靠、準(zhǔn)確、靈活的調(diào)節(jié)控制功能，現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展機(jī)械液壓系統(tǒng)的隨動(dòng)性也越來越好，調(diào)速器電氣部分和機(jī)械液壓系統(tǒng)的配合越來越靈活。大量的甩負(fù)荷情況表明，由于調(diào)速器微機(jī)調(diào)節(jié)器具有PID調(diào)節(jié)功能，甩100%負(fù)荷時(shí)，超過穩(wěn)定轉(zhuǎn)速3%以上的波峰過程都只有1次。根據(jù)以上情況可以適當(dāng)重新調(diào)整機(jī)組的關(guān)閉規(guī)律，設(shè)法避免機(jī)組在甩負(fù)荷時(shí)發(fā)生水輪機(jī)抬機(jī)量較大的現(xiàn)象。

將導(dǎo)葉分兩段關(guān)閉改為分三段關(guān)閉，機(jī)組的轉(zhuǎn)速上升率適當(dāng)上調(diào)3%～5%，保證蝸殼水壓不變。由于低水頭電站機(jī)組轉(zhuǎn)速一般較低，設(shè)計(jì)所定的轉(zhuǎn)速上升值一般定在140%左右，適當(dāng)調(diào)整轉(zhuǎn)速上升值不會(huì)對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分造成危害。

調(diào)節(jié)基本思路是，為了控制蝸殼水壓，調(diào)整導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律和時(shí)間，機(jī)組在甩負(fù)荷時(shí)導(dǎo)葉第一段快關(guān)時(shí)間不變，對(duì)導(dǎo)葉第二段關(guān)閉進(jìn)行調(diào)整，在第二段關(guān)閉導(dǎo)葉時(shí)將導(dǎo)葉不關(guān)到零位，預(yù)留5～6%的導(dǎo)開度。這樣做的好處是蝸殼水壓仍可以得到有效地控制，機(jī)組緊急停機(jī)過程尾水管不脫流，或者說盡可能避免轉(zhuǎn)輪室真空現(xiàn)象發(fā)生。不足之處是，甩100%負(fù)荷時(shí)，超過穩(wěn)定轉(zhuǎn)速3%以上的波峰會(huì)出現(xiàn)2次，但機(jī)組導(dǎo)葉第一次向開啟方向移動(dòng)起到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速擺動(dòng)值不超過±0.5%。調(diào)節(jié)時(shí)間相對(duì)于兩段關(guān)閉要略長，但不會(huì)超過40 s。

經(jīng)過調(diào)整導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律后，甩負(fù)荷試驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)滿足了設(shè)計(jì)要求，轉(zhuǎn)動(dòng)部分抬機(jī)量也有所降低。

主要試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2：

5 防止抬機(jī)和減輕反水錘的有效方法探討

綜合上述各種情況表明，以下幾種措施可以防止抬機(jī)和減輕反水錘事故。

（1）合理選擇導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間

在水電站設(shè)計(jì)中，導(dǎo)葉的關(guān)閉時(shí)間通常是以蝸殼水壓或壓力水管的要求按調(diào)節(jié)保證計(jì)算來確定的。但是，對(duì)于低水頭電站，由于可能出現(xiàn)過高的反水錘壓力，因此調(diào)節(jié)保證計(jì)算應(yīng)考慮防止反水錘事故的發(fā)生來確定導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間。

（2）合理選擇調(diào)節(jié)規(guī)律

當(dāng)用調(diào)節(jié)保證計(jì)算無法解決反水錘與轉(zhuǎn)速升高的矛盾時(shí)，可改變導(dǎo)葉的關(guān)閉規(guī)律，工程中采用分段關(guān)閉導(dǎo)葉的方法非常有效，必要時(shí)采用三段關(guān)閉導(dǎo)葉，能理想地解決好這一問題。

（3）設(shè)備制造時(shí)可以適當(dāng)加大補(bǔ)氣閥的尺寸，調(diào)整補(bǔ)氣閥的動(dòng)作值，保證可靠補(bǔ)氣。

（4）在電站設(shè)計(jì)中，合理選擇尾水管結(jié)構(gòu)尺寸，以降低尾水管反向水流的流速。

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TK730

B

1672-5387（2010）04-0011-03

2010-04-19

雷江逵，男，高級(jí)工程師，從事大型水電站建設(shè)管理工作。