黃源芳，劉 潔,2

(1. 中國長江三峽工程開發(fā)總公司，湖北 宜昌 443002；2. 華中科技大學，武漢 430074)

淺淡對原型水輪機的研究方法

黃源芳1，劉 潔1,2

(1. 中國長江三峽工程開發(fā)總公司，湖北 宜昌 443002；2. 華中科技大學，武漢 430074)

文章在介紹水力機械三大類研究方法后，著重闡述對已成為存在事實的原型水輪機研究方法。文章以較豐富的實例介紹了統(tǒng)計分析法、試驗分析法和綜合分析法的內(nèi)容和要點。最后，對水力機械領域在研究中存在的一些問題，及對研究應用這種研究方法提出了建議。

存在事實；水力機械；研究方法

1 水輪機研究方法概述

水力機械（Hydraulic Machinery）通常是水電設備中水輪機、水泵、水泵水輪機及其輔助設備的總稱。對水力機械的研究方法，大同小異，本文以水輪機為例予以研究。

水輪機是以水為工作介質的原動機，已有近一百八十多年的歷史。一百八十年來，對其研究方法歸納起來，大體可分為三大類：第一類是計算理論研究。從伯努里方程( Bernoulli equation )，到采用求解納維爾斯托克斯方程（Navier Stokes equation）、建立湍流模型進行CFD分析，其趨勢是在基礎理論研究的基礎上誕生新的應用理論和研究方法，或創(chuàng)造出新的水力機械，或不斷提出改進、優(yōu)化水輪機性能的方法和途徑?，F(xiàn)代CFD分析計算的發(fā)展，是使其計算條件和分析結果更貼近實際。第二類是模型試驗研究。無論是水力的、結構的問題，都可以通過建立水力模型、結構模型進行模型試驗、模態(tài)分析，其趨勢是使給定的模型試驗條件與原型實際運行條件更加接近，并在其模型試驗結果與原型運行的實際之間，找出一定的相應的因果（相似）關系（Scale effect），以便通過試驗驗證，改善和提高水輪機的性能和運行穩(wěn)定性，同時優(yōu)化結構部件設計。第三類是原型研究，即對事實上已存在的水輪機進行研究。通過對原型進行的各種試驗，了解其實際性能特性；或通過對已投入運行的水輪機現(xiàn)狀進行調(diào)查，分析產(chǎn)生各種異?，F(xiàn)象的因果關系，減緩或消除引起麻煩、導致異常的不利因素，并將新的認識反饋到新的水輪機的設計中，推動水輪機技術的進步與發(fā)展。

過去人們對水力機械的研究往往更多側重于利用數(shù)理知識、流體動力學的基礎進行計算和理論的研究，這種帶有基礎性的應用理論研究，目的是為了尋找和探求新的理論突破或開拓新的應用領域。同時由于過去我國試驗裝備、試驗技術相對落后，試驗研究和試驗結果的重要性和對相關理論的指導性沒有得到足夠的重視，試驗結果也往往只是一種參考，實際并未把其試驗的結果與原型運行的實際表現(xiàn)聯(lián)系起來。隨著改革開放，我們走出去看到了西方的先進試驗裝備，精確制作的模型，引進和接受隨工程項目逐步轉讓的技術及技術載體，人們更有信心把試驗、實驗研究成果直接用于設計。人們更加認真地通過仔細觀察模型試驗過程的各種表像，來預測原型的運行特性。即使對水電站原型運行中出現(xiàn)的各種異常，也還可通過還原試驗、比較研究找到原因，應用于改進新的原型設計、制造。這種研究方法的應用，找到了解決問題的辦法和途徑，并在實際工程上取得了預期的結果。

人們往往對第三種研究方法缺乏認識。即對“存在的事實”的研究，還不能引起有關部門、企業(yè)的足夠重視?；蛘呤菂T于缺乏經(jīng)費，或者是缺乏權威部門的組織，或者研究分析方法本身還存在某些不足?？上驳氖牵^去幾年對大型水電機組的運行穩(wěn)定性進行過較大規(guī)模的調(diào)查研究，對大型水電機組進行過現(xiàn)場性能測試和動應力測試，對受河流泥沙磨損影響嚴重的水輪機，進行全國范圍的問卷調(diào)查和重點調(diào)研。水力機械行業(yè)已逐漸認同這種看似簡單但卻十分實用的研究方法。因而有更多的投入試運行的新機組，有問題修復后重新投入運行的老機組，準備進行更新改造的機組都希望通過按規(guī)程規(guī)范或合同要求進行的現(xiàn)場試驗、原型實驗，達到或驗證設備，或找準問題，或弄清現(xiàn)狀，或改善性能，或協(xié)調(diào)電站與電網(wǎng)的調(diào)度關系的目的。

本文重點是研究第三種研究方法，即基于存在事實的水力機械研究方法。

2 水力機械研究中“基于存在的事實”

這種研究方法的特點就是“基于存在的事實”。何謂“存在的事實”呢？所謂事實，就是已實際存在的“水力機械”，就是那看得見、摸得著、算得出、量得到的水力機械的現(xiàn)象和數(shù)據(jù)。例如，迄今世界上尺寸最大的水輪機是中國葛洲壩水電站的 176MW 轉槳式水輪機。世界上單機容量最大的水輪發(fā)電機組是中國三峽水電站最大容量840MVA的機組。這就是已存在的事實。

美國大古力電站水輪機的轉輪是最早在電站工地組焊加工、靜平衡的 700MW 混流式水輪機轉輪。黃河小浪底電站6臺300MW水輪機、紅水河龍灘電站7臺700MW水輪機、黃河拉西瓦電站6臺700MW水輪機、三峽右岸電站12臺水輪機中的4臺700MW水輪機的轉輪都采用相同的方法，即在電站現(xiàn)場設機械加工車間，將若干散件組焊加工成整體轉輪的形式。有的已成為現(xiàn)實，如大古力、小浪底電站的水輪機。有的已形成“決策”（合同），如龍灘、拉西瓦、三峽，這從某種意義上說也已成為事實。

經(jīng)?？吹絿鴥?nèi)許多論證報告或技術刊物上的文章，特別是高水頭水輪機論證中通常引述的蘇聯(lián)的羅貢（有的文章稱為羅貢斯克）電站，“裝設有6臺轉輪直徑6.6m、圓筒閥直徑11.0m的300m水頭的600MW水電機組，1976年9月開工，1989年投入運行”。這是事實（工程計劃），也不是事實（實際未投入運行）。

據(jù)某設計院的論證資料，世界上裝設有圓筒閥的水輪機（含合同中已規(guī)定裝設）約有 100多臺，最多是在加拿大，其次是在中國，共有 6個國家（“蘇聯(lián)”按一個國家統(tǒng)計）的水輪機裝有圓筒閥。這基本上也是事實。

巴基斯坦塔貝拉電站水輪機、黃河小浪底電站水輪機在投入運行初期，水輪機葉片就出現(xiàn)裂紋。云南大朝山電站水輪機 72h運行時，葉片也出現(xiàn)裂紋。廣西巖灘電站4臺水輪機，每臺機（新轉輪更換前）幾乎每個葉片都有裂紋，多年累計裂紋總長度達200多米。以上這些也是人所共知的“存在的事實”。

三峽水輪機從招標文件編制開始，到左岸電站14臺機組全部投入運行，每走一步都是業(yè)內(nèi)人士關注的焦點。在合同執(zhí)行過程中，左岸有一臺頂蓋，在廠內(nèi)制造過程中被報廢了。有一臺轉輪的下環(huán)鑄件，探傷發(fā)現(xiàn)有900多條大小裂紋被拒收了。有一臺水輪機轉輪上冠毛坯，重180多噸的不銹鋼鑄件，檢測發(fā)現(xiàn)有一條長約1m的貫穿性裂紋，也被拒收了。三峽左岸的水輪機到安裝時才發(fā)現(xiàn)有一臺水輪機的座環(huán)連接板處的焊縫有較嚴重裂紋，現(xiàn)場處理合格后再進行下一道工序。三峽水輪機在投入運行后有2臺水輪機的蝸殼導流板被撕裂了。調(diào)速器在運行中也出現(xiàn)過問題。水冷的定子繞組的發(fā)電機的純水系統(tǒng)水泵也出現(xiàn)過問題。即使是三峽如此重要的項目，也不可避免會出一點問題。這些也都是“存在的事實”，當然這是存在的歷史事實。

研究“存在的事實”是為了某種特定的目的；或是找出事故原因，采取措施改正，避免錯誤重現(xiàn)；或是為改進提高運行效能，充分合理利用水力資源；或是延長水力機械設備壽命，降低運行成本。研究目的盡管不同，但影響研究成果最根本的因素都是需要對引證的事實進行核實分析，絕不能把“道聽途說”視為事實。有的貌似“存在的事實”，實際上可能反映的并“不是事實”。例如，某研究報告為了求證射流泵是一種適合某項大工程水輪機頂蓋排水和技術供水的可靠的設備，引證了二十多年前在東北白山、西北龍羊峽水電站就曾使用過射流泵的工程實例，還引證龍羊峽射流泵的應用還獲得過科技進步獎的事實。這些都有設計文件、當事人和科技進步獎證書為證。作為引證這種“存在的事實”說明射流泵在大型電站的應用是成功的，當然自有其道理，因為已運行了二十多年，并獲得過科技進步獎?！凹扔屑夹g進步，又有運行實踐”，似對射流泵應用于某項大型工程“很有說服力”。但是，這個曾經(jīng)是“存在的”事實，隨著時間的推移和運行實踐，情況卻發(fā)生了變化。事實上二十多年前裝設的這套射流泵裝置，因其運行噪聲大、振動大早已拆除了十多年，早已改用減壓閥供水了。射流泵在白山、龍羊峽電站的應用，已成為“歷史事實”，而不是“存在的事實”了。這樣，為求證某個大型項目適宜應用射流泵的依據(jù)就不再存在了。

研究“存在的事實”需要依據(jù)事實本身的特性為依歸。黃河小浪底電站的水輪機轉輪是制造廠將葉片、上冠、下環(huán)等散件運輸?shù)焦さ?，在現(xiàn)場加工廠內(nèi)組焊、加工成整體轉輪，經(jīng)靜平衡后交付給需方的。制造廠在現(xiàn)場組裝、焊接、加工形成的整體轉輪在小浪底是“存在的事實”。小浪底水輪機在運行初期，多個葉片曾出現(xiàn)裂紋，這是另一個“存在的事實”。在水輪機行業(yè)內(nèi)也曾有過這樣的一種看法，即把上述這兩個“存在的事實”作為“因果關系”聯(lián)系起來。認為制造廠在現(xiàn)場制作整體轉輪這個“事實”是導致葉片出現(xiàn)裂紋這個“事實”的“原因”。在當初探討小浪底水輪機葉片出現(xiàn)裂紋成因時，多種假設、逐個排除的方法是合適的。后來小浪底水輪機出現(xiàn)裂紋的原因己經(jīng)查明，即在機組啟動過程中，由于葉片上出現(xiàn)13Hz的低頻高幅振動與軸系一階扭振的也是接近13Hz的頻率發(fā)生共振，導致轉輪個個葉片都產(chǎn)生裂紋，采取相應措施后問題己得到基本解決。這實際上已明確排除了現(xiàn)場加工的轉輪的“制造質量”是導致葉片出現(xiàn)裂紋的因素。把這種實際上并不相關的“事實”生硬地扯在一起，就離開了“事實”本身的特性。人們當然不會同意這種看法。否則龍灘、拉西瓦電站的水輪機轉輪，三峽右岸12臺中的4臺水輪機轉輪就不會用現(xiàn)場組焊加工成整體轉輪的工藝方案了。這個方案被事實證明技術上是成熟的。當然，由制造廠商負責在現(xiàn)場加工中也會出現(xiàn)某些加工質量問題，就如同制造廠商在工廠車間加工也會出現(xiàn)某些加工質量問題一樣，則依具體情況分別處理就行了。這個現(xiàn)場加工方案的技術可行性和過去成功的經(jīng)驗并不影響研究葉片出現(xiàn)裂紋這個“存在的事實”。

某項大型水電工程水輪機在2003年7月投產(chǎn)前，國內(nèi)外許多專家十分關注這個設計難度大、零部件分散在世界各地制造的水輪機在投入運行后會不會出什么問題。這種擔心是可以理解的。專家們依據(jù)的“存在事實”是美國大古力第三電廠700MW水輪機出現(xiàn)過裂紋，委內(nèi)瑞拉古里電站 640MW 水輪機出現(xiàn)過裂紋，巴基斯坦塔貝拉電站440MW水輪機運行1000多小時出現(xiàn)過裂紋，黃河小浪底電站 306MW 水輪機在運行不到1000h出現(xiàn)裂紋，云南大朝山電站230MW水輪機72h試運行就出現(xiàn)裂紋。而提供這些出現(xiàn)過裂紋的水輪機的設計、制造者，竟不幸又是某大型水電工程左岸水輪機的供貨商。依據(jù)這些“存在的事實”進行推演評估：“三峽水輪機（該水輪機在投入運行時）不出裂紋才怪呢”。這類意見之所以受到重視則是：“寧可信其有，不可信其無”。“對于三峽（這項）巨型工程，怎么強調(diào)(困難)也不過分”。實際上，另一個“存在的事實”卻是：小浪底、大朝山葉片裂紋的成因找到了，采用合適的措施解決了。塔貝拉水輪機經(jīng)過修復后，沒有看到裂紋擴大、頻繁大修的報道。這里只引證“出了事”這個事實。如果不探究“解決了否”？更不研究如何解決？這樣就不能給人們提供全面準確的事實作為判據(jù)。

研究“存在的事實”，要分析成為事實的“依據(jù)”是否可靠。某刊物某篇文章論證高水頭混流式水輪機應用時，引證了許多電站水輪機的水頭范圍、性能參數(shù)，其中最醒目的是“羅貢電站”?！傲_貢電站”以世界最高的土石壩、世界最高的壩（335m）而聞名。在水力機械行業(yè)，則以高水頭（300m）容量最大（660MW）的水輪機引人注目。引證的“事實”是從某技術書刊和雜志的文章以及蘇聯(lián)解體前大量技術刊物的大量文章。我去過俄羅斯列寧格勒金屬工廠和莫斯科全蘇中央設計總院，蘇聯(lián)解體后還通過我國駐塔吉克大使館了解過羅貢電站情況。我曾接過一個電話詢問關于“羅貢電站水輪機”的情況。客觀的事實是，某篇文章引證的數(shù)據(jù)是羅貢電站設計的水輪機參數(shù)。由于蘇聯(lián)解體，原屬蘇聯(lián)的塔吉克境內(nèi)著名的大水電站，例如努列克電站和羅貢電站己為塔吉克共和國所擁有。努列克電站仍在運行，羅貢電站的施工現(xiàn)場，由于塔吉克內(nèi)戰(zhàn)而曾被損壞，迄今無力復工，當然就沒有投入運行。引證羅貢電站的直徑 6.6 m、水頭 300m的水輪機和直徑11m 的圓筒閥作為論據(jù)，在某種意義上是“事實”。但羅貢電站的這個“事實”并未成為“存在的”事實。由此可見，對“存在的事實”的研究、引證不能只從“文章”到文章，也需有可靠的旁門(“依據(jù)”)佐證。

3 基于“存在的事實”的研究方法

事實本身已能說明問題，現(xiàn)實存在的就應該是“合理”的，為什么還要討論研究方法呢？在技術領域，當兩個或多個技術方案比較時，特別是各方持不同意見激烈爭論時，往往認為最終確定為“實施”的方案就是合理的，反之則是不合理的。事實勝于雄辯。

對已成為“存在的事實”應該怎么對待，從“存在的事實”能導出什么樣的結論，能否從中得到“正確”的結論甚至可作為“普遍規(guī)律”來推而廣，研究方法之一是“統(tǒng)計分析法”。就是將“相同的”以及“相似的”諸多事實集合在一起進行分析，從而得出反映事實本質的規(guī)律性的東西。這是應用最普遍的對“存在事實”的研究方法。對水力機械研究來說，就是把水輪機這一大類放在一起研究，把水泵作為另一大類放在一起研究；細分起來，就是把混流式、軸流式、沖擊式水輪機各自單獨集合在一起進行研究。譬如，在通常的技術論證報告中，把諸多電站水輪機參數(shù)集合在“水頭 H～比轉速 ns”關系曲線上，各制造廠根據(jù)自身經(jīng)驗并參考其他工程實例得出的H～ns公式等見圖1。這種統(tǒng)計分析方法直觀、實用，有說服力，外行也能一目了然。應用這種研究方法得出的結論，一般來說應該是“毫無疑義”的。但有時也會招來更大爭論。究其原因，則是出在“根本”上。那就是把并不“相同”，并不“相似”，甚至并不“相關”的“存在事實”硬拼湊在一起，或者把因果關系顛倒的“存在事實”生搬硬湊到一起。其俗稱為“張冠李戴”。把并不“存在的事實”作為“存在的事實”與其他事實并列，這樣當然就得不到“毫無疑議”的結論了。最常見的是將水輪機比速系數(shù)K值的選擇“神秘化”，把K值的大小作為衡量水輪機參數(shù)合理與否的唯一有力例證。我讀過一篇文章，文中對眾多電站的最大水頭 Hmax/最小水頭 Hmin，最大水頭 Hmax/額定水頭Hr和最小水頭Hmin/額定水頭Hr的比值進行統(tǒng)計分析，眾多電站作為實例繪制在圖上，從而導出某工程水輪機的設計難度的結論。這種硏究方法是有一定道理的，但細究起來，還應對這些電站水輪機的制造年代（時間差異），水輪機制造廠商（技術差異），水輪機實際運行狀況（事實差異）進行分析。否則這種貌似有說服力的圖表，并不能得出正確的結論。

又如，假若我們把裝有圓筒閥的水輪機的最大運行水頭（m）與水輪機額定容量（MW）分別作為縱座標、橫座標，將裝有圓筒閥的電站的“點”點上去，會得出一定的相關曲線。若以此為依據(jù)，推導出在某個最大水頭某個額定容量的水輪機“必須”裝設圓筒閥的結論。這樣的統(tǒng)計分析方法恐怕就很難為大家所接受。

表1為裝設有 ALSTOM 制造的圓筒閥的主要電站。

圖1 福伊特西門子水電公司（VSH)生產(chǎn)的混流式水輪機Hr～ns統(tǒng)計圖

表1 裝有ALSTOM制造的筒閥的主要電站

又例如，某項工程為了評估其不同投標廠商提供的水輪機的穩(wěn)定性，采用統(tǒng)計分析法對其提供的壓力脈動值（△H/H）進行統(tǒng)計，采用同一尺度（△H/H=4%）衡量，壓力脈動值小于這個尺度者則不予統(tǒng)計，大于這個值則進行統(tǒng)計。最后靠統(tǒng)計“點數(shù)”來進行判斷，那個點數(shù)多就說明其穩(wěn)定性差。應該說這里采用的統(tǒng)計分析在方法上是正確的，問題是分析時應用的這個衡量標準（4%）是否科學。這是應用“統(tǒng)計分析法”研究“存在的事實”時應該慎重處理的例子。

方法之二是“試驗分析法”。事實已經(jīng)存在，水輪機正在運行，還要對其進行“試驗分析”。這是由于水輪機從模型試驗到原型運行的某些相似性（能量、空化）和某些不相似性（運行穩(wěn)定性）決定的。

“試驗分析法”就是對已“存在的事實”(正在運行的機組)，進行單項或多項的再試驗，并通過對試驗結果的分析，以便對已“存在的事實”有更深刻的把握。所謂“透過事實的表象，了解事實的本質”?；蛘咴谶@基礎上合理推斷出可應用于其他類似工程的結論。

前面提到的世界上尺寸最大的水輪機，即葛洲壩二江電廠176MW水輪機，曾經(jīng)成為上世紀70年代總體設計（當年稱“選型”）大辯論時的核心課題。焦點就是4個葉片的轉槳式水輪機，能否在最大水頭27m正常運行。按“統(tǒng)計分析法”查找已成為“存在的事實”的電站，我國水輪機型譜中應用水頭最高 22m，但該實例電站水輪機葉片的材料是碳鋼20SiMn。葛洲壩水輪機采用 4個葉片、采用不銹鋼材料能否安全運行到27m水頭，采用正常的設計方法計算分析，強度設計工程師得出的結論是可以的。但考慮到葉片在水中的疲勞影響，當時就沒有人能說得清楚。后來決定在湖北蒲圻陸水電站進行試驗。為此，專門做了一臺直徑3.3m的轉輪。直徑 3.3m的轉輪既是原型（對陸水電站）轉輪，又是模型機（對葛洲壩電站）轉輪。轉輪的 2個葉片用 15MnMoVCu材料、另 2個葉片用0Cr13Ni6Mo不銹鋼材料制成。實際試驗水頭為23.4～24.6m。從實測葉片最高應力推算到27m水頭時，合成主應力為88.69MPa，飛逸工況時為110～130 MPa，安全系數(shù)達3～4倍。后來又在水頭25～25.6m范圍內(nèi)滿負荷下連續(xù)運行4天，運行正常，無不穩(wěn)定現(xiàn)象。期間共運行12000h，最高運行水頭已達25.82m，運行穩(wěn)定。這說明，用不銹鋼材料制造的葛洲壩4葉片水輪機，完全可以應用到27m水頭運行。這種研究方法是合宜的，形成結論的依據(jù)是科學的。但這個意見當時并未為決策者所接受。也許是葛洲壩水輪機太重要了。不同意見者的依據(jù)很簡單：“那僅僅是一次性的試驗，就能說明長期運行沒問題嗎？”所以最終結論還是比較穩(wěn)妥：“葛洲壩4葉片水輪機運行最高水頭為23m，在27m運行時加強觀察”。20多年來，這兩臺176MW水輪機最高運行水頭實際曾達到26.5m，當然葉片也沒有出現(xiàn)任何強度問題。

當初人們聽說三峽左岸水輪機模型驗收，水輪機尾水管壓力脈動值沒有全面滿足合同保證值時，人們大吃一驚：三峽怎么會是一個這樣的水平？人們并不了解，這種情況在三峽以前已有不止一例。見表2，10個電站水輪機壓力脈動最大值與合同保證值比較。不同的是，三峽水輪機模型驗收是第一次公開這樣的結果，并要求合同方改進設計進行再試驗。人們更關心三峽水輪機高水頭運行時的穩(wěn)定性，為此除進行設計改進、重新進行試驗外，作為驗收試驗不滿足合同要求的附加條件，合同雙方還商定，在運行水頭與三峽電站最接近的湖南江埡水電站進行水輪機原型壓力脈動試驗。實際試驗水頭達106m，接近三峽水輪機最大水頭 113m。試驗時出力 70MW（70%額定容量），尾水管錐管壓力脈動為△H/H=6.43%。與1997年江埡水輪機模型驗收試驗時測得的結果：出力65～70MW時，尾水管壓力脈動最大值△H/H=6.2%比較，可見模型試驗結果與原型實測結果比較接近。江埡電站水輪機尾水管內(nèi)的最大壓力脈動為△H/H=9.9%，出現(xiàn)在出力為30MW(30%額定容量)時，見圖 2。江埡尾水管壓力脈動試驗結果。通過對已“存在的事實”江埡100MW水輪機的壓力脈動試驗，更深刻揭示X葉片水輪機在百米水頭段運行的特性。加拿大 GE水電公司據(jù)此試驗結果，并分析了三峽與江埡水輪機情況的異同，預計三峽水輪機在高水頭運行時是可以穩(wěn)定運行的。當然，現(xiàn)在三峽水輪機還未在100m水頭以上運行，我們可以不認同這個結論，因為兩者尺寸還是有很大的差異。但江埡水輪機試驗，畢竟是一次在中國水電界最大規(guī)模的由中外專家共同參與的，并由國外合格試驗公司主導進行的與目標電站運行條件最貼近的水輪機穩(wěn)定性試驗，由全國水輪機標準化技術委員會專家組進行全程目擊監(jiān)理。采用這種“試驗分析”法對“存在的事實”進行研究，從而導出對目標電站水輪機性能的預測，不失為一種更為貼近的試驗研究評估方法。

表2 十個電站水輪機壓力脈動最大值與保證值比較

對已“存在的事實”即原型進行試驗，現(xiàn)在已更多引起人們的重視。三峽左岸電站已投產(chǎn)機組都進行過不同項目的現(xiàn)場試驗，包括葉片動應力測試、壓力脈動測試和其他運行穩(wěn)定性試驗，以便不僅從同一模型試驗結果中了解水輪機性能的共性，而且能充分了解同一模型不同原型之間性能的差異，從而深刻了解水輪機性能的共性和把握各別機組的“個性”。因為影響水輪機穩(wěn)定運行的因素比水輪機模型試驗限定的運行條件要復雜得多，例如引水鋼管無法模擬。通過對每臺機組進行試驗，使其“個性”更加彰顯。黃河萬家寨電站水輪機經(jīng)過現(xiàn)場試驗后，提出改進機組運行的區(qū)域。在水輪機運轉特性圖上劃分為“穩(wěn)定運行區(qū)”、“過渡運行區(qū)”和“禁止運行區(qū)”，見圖3，并在此科學論證基礎上，與山西、內(nèi)蒙古電網(wǎng)磋商，“分區(qū)安全運行”獲得電網(wǎng)的大力支持，對解決電網(wǎng)運行調(diào)度與水輪機運行穩(wěn)定性的矛盾取得了滿意的結果。

采用這種“試驗分析方法”，通常出現(xiàn)的問題是試驗實施單位（公司）是否是合格的單位，是否具有相關試驗設備和實施經(jīng)驗，是否對試驗結果有一定的分析能力。某大型電站請所在省的試驗機構進行了多次現(xiàn)場試驗，試驗報告數(shù)千言，有數(shù)據(jù)，有分析，但在試驗報告后面的結論中最末一條，說明“本次所測得的數(shù)據(jù)普遍偏大，是否與傳感器的標定誤差有關，尚待今后證實”。

方法之三是綜合分析法。對于“存在的事實”，在進行“統(tǒng)計分析”，或/和在進行“試驗分析”的基礎上，已積累了豐富的第一手資料和相類似電站水輪機的資料。人們往往容易止步于這一階段，因為“綜合分析法”是最費力的一個階段或一種方法。

“綜合分析法”就是對搜集到的資料，或在分析時還必須補充進行收集的資料進行整理，梳理出分析對象即“存在的事實”也即原型水輪機的各個方面表征：其一為“性能表征”，即能量特性，空化特性等運行特性；其二為“歷史表征”，即模型試驗時的表征，投入商業(yè)運行時的表征，過去（運行若干萬小時后）檢修的表征；其三為“現(xiàn)狀表征”，指被研究對象此刻的表征，主要指“結構（或在某次檢修處理后）表征”，如結構尺寸、軸承間隙、葉片型線等變化，以及“性能表征”，即（檢修投入）運行時各項運行性能數(shù)據(jù)，如水頭、出力、溫升、振動、擺度、噪聲等。其四為“綜合評價表征”，即對“已存在的事實”，本例為已投入運行的目標水輪機，在對前述表征分析（列表、數(shù)據(jù)、曲線資料）前提下，對目標水輪機按“安全運行”和“性能特性”兩項評價，給出 A“優(yōu)”、B“好”、C“正?！?、D“不正?！钡乃膫€評級；并與同一電站內(nèi)運行的其他水輪機，與目標水輪機按前述兩項比較，做出“相當”、“較好”、“較差”的評價；還通過與已搜集到的同類似水輪機的性能做出“相當”、“較好”、“較差”的評價。通過對各方面表征的“綜合分析”，特別對“大型”水輪機而言，就能做到既把握“存在的事實”的全貌又能做到把握“存在的事實”的特質。在此基礎上，通過對上述特性的綜合分析，采用多個假定并逐項排除的方法，尋找導致差異或損壞（例如空蝕或磨損）的原因，確定應采取的措施以求設備性能或設備壽命得到改善。

圖2 GE江埡電站水輪機模型和原型尾水管壓力脈動最大值比較

圖3 萬家寨電站水輪機運行分區(qū)圖

當前，在水力機械行業(yè)里，比較缺乏的就是對“存在事實”的綜合分析研究，比較困難的是供綜合分析的基礎資料的不確定性和資料綜合的難度。通常我們在運行調(diào)查時發(fā)現(xiàn)有以下幾種情況：

（1）對應該較真實記錄水輪機運行參數(shù)的“運行日志”，不少記錄不全，或列出的運行參數(shù)沒有全部填寫，或沒有責任人署名；

（2）對比較真實反映水輪機大修前后狀況的“檢修記錄”或“檢修小結”，抽象的描述多，具體的數(shù)據(jù)少，記錄不夠詳盡；

（3）日積月累的每天的值班記錄、“運行日志”、“檢修記錄”這些珍貴史料記錄過后被束之高閣，無人問津，缺乏定期系統(tǒng)的整理，資料綜合十分困難。

（4）缺乏電站水輪機運行（生產(chǎn)）的信息管理系統(tǒng)即ePMS，或有了這樣的信息系統(tǒng)而缺乏數(shù)據(jù)及時輸入，缺乏日常維護和階段小結，缺乏系統(tǒng)及時升級，不能保證系統(tǒng)正常運行。

（5）這些“運行”、“試驗”、“檢修”史料屬“保密”范圍，一般只供“內(nèi)部”使用，有個別的不愿與同行分享，更不太愿意公開提供。

（6）就“運行”論運行，就“檢修”論檢修，就“試驗”論試驗。由于日常電力生產(chǎn)、檢修工作壓力太大，或由于人手不夠或技術力量不足，或認為這種工作沒有產(chǎn)生什么經(jīng)濟效益，所以難以充分利用這些“史實”進行“綜合分析”，也缺乏一定的機制和體制打破這種“對外封閉”的狀態(tài)。

（7）在這些“史料”（“存在的事實”）中，有些體制上的因素或個人認知能力的不同而影響史料的真實性。在肯定電力勞動競賽或運行獎懲規(guī)定的正面作用時，往往也同時出現(xiàn)一些負面的因素。某些電廠規(guī)定，在一個運行時段內(nèi)出現(xiàn)多少次“非正常停機”事故，就得在一定范圍內(nèi)（個人、班組、全廠）在一定時間內(nèi)（本月或全年）扣發(fā)獎金。為了避免“城門失火，殃及池魚”，有時對“非正常停機”原因的分析往往容易采取“往外推”。 本是“調(diào)整不當”，或“運行不當”，或“操作不當”造成的事故，推到制造質量或安裝不良上，或推到設計不當所造成。只從這樣記錄事故的“史料”進行綜合分析，就很難查找到事故的“真兇”。

在對這些“史料”（存在的事實）分析做結論時，一些現(xiàn)實因素必須考慮。例如，目前實行的廠、網(wǎng)分開競價上網(wǎng)的體制；水輪機在“正常運行區(qū)域”以外區(qū)域運行遭受的損壞；為了電網(wǎng)安全的“熱備用”使機組在極低負荷運行甚至空載運行的時間；為了電網(wǎng)安全而實際擔任“主力調(diào)頻電站”的機組在滿負荷和低負荷之間快速調(diào)整對水輪機的損壞；這些現(xiàn)實的與經(jīng)濟效益休戚相關的因素，使得電廠甚至不敢與電網(wǎng)協(xié)商機組運行區(qū)域的劃分和改進運行區(qū)域的問題。甚至錯誤認為，這是絕對“得罪不起（電網(wǎng)）的”。在這種思想支配下，對水輪機運行在正?！斑\行范圍”以外的工況、參數(shù)、現(xiàn)象，往往缺少收集、整理和系統(tǒng)分析。

在對這些“史料”（存在的事實）分析時，往往容易走向兩個極端：一個極端是“簡單化絕對化”。例如，人們往往視水輪機的比速系數(shù) K值為分析一切“史料”，診斷疑難雜癥的首位依據(jù)。清江隔河巖 310MW水輪機K值為2349，與三峽左岸水輪機相同，中國第一、世界第二。曾有人預言，如此的“高參數(shù)”的水輪機，必然運行不正常，損傷破壞必然嚴重，肯定不會有什么好結果。當然，經(jīng)過10年運行，隔河巖水輪機也出現(xiàn)過這樣那樣的問題。但在對10個水電站已運行的 44臺混流式水輪機運行狀況和相關史實調(diào)研比較后，卻發(fā)現(xiàn)隔河巖水輪機的總評，卻能位居“三甲”之列。在2005年12月再次回訪時，盡管運行在劃定的正常運行區(qū)域以外的時間較長，過流部件在12年運行后基本正常。又例如，廣西巖灘4臺308.7MW水輪機，比速系數(shù)K值為1942，是地地道道的“低參數(shù)”水輪機。從1992年9月第一臺投入運行起到2002年5月，在水庫水質與設計沒有什么變化的情況下，52個葉片中卻有51個葉片都產(chǎn)生裂紋，并且多為重復在同一部位或不同部位出現(xiàn)裂紋。沒有出現(xiàn)裂紋的是2#機轉輪的4#葉片。怎樣解釋這個4#葉片從未出現(xiàn)過裂紋，我們迄今沒有找到答案。常常遇到同一電站同一廠商供貨的設計參數(shù)和結構尺寸相同的水輪機，為何表現(xiàn)出的運行特性有所不同甚至有時還“大相徑庭”，所有這些說明事物是比較復雜的，影響因素是多方面的。簡單化是最省力的，但并不能找出有說服力的依據(jù)。在水力機械行業(yè)里，有許多是“看得見”、“摸得著”、“算得出”和“測得到”的事實，還有一些是內(nèi)部存在的尚未被揭示的矛盾，需要我們細細觀察，認真研究，多方假定，最后證實肯定無疑時再下結論，才予以“充分肯定”，這樣才比較妥當。

另一個極端是“不可知論者”或“多疑論”者。過多的夸大水輪機運行的復雜性和我們對水輪機認知的“無能為力”，對出現(xiàn)的“事故”缺乏客觀全面的了解，甚至對水輪機行業(yè)的前途缺乏信心。看到巖灘4臺水輪機葉片幾乎片片都裂，焊補后又裂，但就是看不到另一個“存在的事實”，即每臺水輪機在投入運行后10多年間，一直能在年運行小數(shù)較高的狀況下運行，而電站的實際年發(fā)電量，卻并未因反復檢修水輪機而減少的事實（見表3，巖灘電站歷年發(fā)電量統(tǒng)計）。這當然得感謝巖灘電廠運行檢修有道。我們都知道，混流式水輪機已有近200年的歷史，是各類水輪機中技術最成熟、應用最廣泛的一種水輪機型式?；炝魇剿啓C的結構經(jīng)過漫長的考驗，已經(jīng)形成傳統(tǒng)的成熟的結構形式。我們當代人肯定有能力解決一些新的難題，但也不是我們當代人就能把所有未知的問題“都解決掉”。

表3 廣西巖灘水電廠歷年發(fā)電量統(tǒng)計

4 結束語

中國（大陸）最早的水電站，是1912年建成的云南石龍壩電站，裝設2臺單機容量240kW水輪發(fā)電機組，由德國西門子和德國福依特供貨，其發(fā)電機現(xiàn)在還在運行。世界上尺寸最大的水輪機（葛洲壩二江電廠2臺176MW），恐怕我們難以看到會有那項工程能超過它。目前世界上最大容量的水輪發(fā)電機組是三峽840MVA機組，我們過去也研究過在三峽電站采用1000MW 水輪發(fā)電機組。現(xiàn)在我們是否有必要為中國人豎立更大容量1000MW水輪發(fā)電機組的里程碑呢，我國在黃河上的萬家寨電站，裝有6臺由兩個國際知名廠家設計制造的水輪發(fā)電機組，到目前為止，其中葉片未做任何防護（泥沙磨損）就投入運行的水輪機，運行狀況（泥沙磨損程度）還比加以防護的要好。三峽左岸水輪機在合同執(zhí)行中出現(xiàn)過“拒收”、“報廢”正在加工制作的部件或鑄件。這些“存在的事實”留給我們很大的思考空間，給我們研究分析提供了一個又一個的依據(jù)研究基于“存在事實”的水力機械研究方法，研究“存在的事實”，即正在運行的水輪機及其相關的運行條件，這種研究方法正在更多為國際電工委員會水輪機技術委員會(IEC/TC4)所采用。2005年5月成立的為制訂河流泥沙對水輪機影響導則而成立的 29工作組，正在全世界范圍內(nèi)對水電站水輪機受泥沙磨損的狀況進行調(diào)查?？梢韵嘈牛诖嬖谑聦嵉乃C械研究方法必將得到更廣泛的應用。并在對其研究中遵循“客觀、理性”的原則，定能把水力機械的技術進步推向新的階段，促進當今我國水電事業(yè)的大發(fā)展。

[1] 陸佑楣. 我國水電開發(fā)與可持續(xù)發(fā)展[J]. 水力發(fā)電, 2005(2): 1-4.

[2] 法國 Alstom. 金沙江向家壩、溪洛渡水電機組技術交流資料. 2005.

[3] 德國Voith Siemens Hydro. 金沙江向家壩、溪洛渡水電機組技術交流資料. 2005.

[4] 加拿大GE Hydro. Final Report: Jiangya Pressure Fluctuation Test(Unit No.2). 2001.

[5] 廣西巖灘電廠. 巖灘電廠歷年發(fā)電量統(tǒng)計. 2005.

[6] 三峽總公司技委會. 大型混流式水輪機運行狀況調(diào)查報告[R]. 2002.

[7] 黃源芳. 美國大古力第三電廠考察報告[J]. 人民長江, 1994, 25(6): 38-43.

[8] 趙純厚等. 世界江河與大壩[M]. 北京：中國水利水電出版社, 2002.

[9] 樊世英. 混流式水輪機轉輪裂紋原因分析及預防措施[J]. 水力發(fā)電. 2002 (5): 40-43.

[10] 沈克昌, 鐘梓輝主編. 葛洲壩工程叢書 水輪發(fā)電機組[M]. 北京: 中國水利水電出版社, 1991.

[11] 黃源芳, 胡偉明, 等. 塔貝拉水電機組的啟示[J].中國三峽建設. 1996(1): 33-34, 51.

[12] 亞才, 王家兵. 萬家寨水電站轉輪裂紋原因分析[J]. 水力發(fā)電. 2005(12): 62-63, 67.

[13] 長江水利委員會. 射流泵運行狀況調(diào)查報告[R].2001.

[14] 薛福文, 萬鵬, 熊浩, 王海, 鄭莉緩. 三峽水電站 Alstom機組低水頭運行穩(wěn)定性分析[J].2005(4): 79-81.

[15] 三峽水電站機電設計技術小組. 赴美、巴、委三國考察報告[R]. 1987.

Discussion of Research Methodology for Prototype Turbine

HUANG Yuan-fang1, LIU Jie1,2
（1. China Three Gorges Project Corporation, Yichang 443002, China;2. Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China）

This paper firstly introduces 3 general classes of research methodology of hydraulic machinery. It mainly emphasizes the study method for the prototype turbine that became existed fact.Through illustration of abounding instances, this paper presents the contents and outline of statistical analysis method, test analysis method and synthesis analysis method. In conclusion, the paper provides useful suggestion on the application of these methods due to some existing problems in research field of hydraulic machinery.

existed fact; hydraulic machinery; research methodology

TK730.1

A

1000-3983(2011)05-0035-09

2010-03-31

黃源芳（1939-），1962年畢業(yè)于華中科技大學水力機械制造專業(yè)，中國長江三峽工程開發(fā)總公司科學技術委員會委員，教授級高級工程師，博士后科研工作站導師，長期從事水電站機電設計與技術管理工作。