湯　鴻

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

低水頭低負(fù)荷對水輪機影響分析

湯鴻

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

摘要：白市水電廠自投產(chǎn)以來，機組長期處于低水頭、低負(fù)荷下運行。通過對此工況下轉(zhuǎn)輪的過流分析，重點對水輪機轉(zhuǎn)輪的空蝕及振動進行了探討，并結(jié)合白市水電廠現(xiàn)場實際運行情況進行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：水輪機；低水頭；低負(fù)荷；分析

1　概述

白市水電廠裝機3臺型號為HL(PO55)-LJ-630混流式水輪發(fā)電機組，單機容量140MW，總裝機容量420MW，電站于2013年4月投產(chǎn)發(fā)電，水庫蓄水采用分期蓄水方案，第一期蓄水至291m，第二期由291 m蓄水至正常蓄水300 m。一期蓄水至291m后，因二期蓄水條件暫不具備，庫水位不能超過291m。截止2014年6月，機組運行的上游0水位區(qū)間保持在EL.289.5~291m以內(nèi)。

2　機組運行參數(shù)分析

2.1設(shè)計參數(shù)

正常蓄水位EL.300.0m

死水位EL.294.0m

機組導(dǎo)水機構(gòu)中心高程247.5m

2.2實際運行參數(shù)

蓄水水位EL.289.5m～291.0m

尾水允許最低水位EL.247.7m（主機廠家核算）

根據(jù)水輪機特性曲線，上游水庫在291m水位左右運行時，機組最大出力約為額定出力的90%。在此水頭條件下，白市電站枯水期長期保持30MW單機負(fù)荷運行，豐水期滿發(fā)3臺機組，單機約120MW左右運行。

機組長期在低水頭、低負(fù)荷的運行狀況下對電站的出力、發(fā)電量及運行費用等水利綜合利用效益產(chǎn)生重大影響，更嚴(yán)重的是可能危及到電站設(shè)備的安全。

3　低水頭、低負(fù)荷對水輪機的影響分析

水輪機轉(zhuǎn)輪是氣蝕發(fā)生的典型部件，因此，對轉(zhuǎn)輪葉片進口、出口邊的水流分析，具有代表意義。另外，混流式水輪機轉(zhuǎn)輪的空蝕主要集中在葉片背面，如轉(zhuǎn)輪葉片出口邊多發(fā)的翼型氣蝕等，葉片背面空蝕性能的好壞直接反映轉(zhuǎn)輪空蝕的總體水平。

3.1低水頭、低負(fù)荷工況下混流式水輪機的氣蝕分析

就混流式水輪機而言，水流在轉(zhuǎn)輪中的運動，一方面是水流相對于轉(zhuǎn)輪葉片流動，即相對運動，另一方面隨轉(zhuǎn)輪運動，即圓周運動或牽引運動。轉(zhuǎn)輪中的水流的絕對運動可看成是這兩種運動的合成（見圖1）。

圖1速度矢量三角形

當(dāng)水頭降低時，如果保持導(dǎo)葉開度不變（流量不變），轉(zhuǎn)輪出力減小，機組轉(zhuǎn)速不變，即1不變，絕對速度由1降到ν1。因此，水流相對速度由1變?yōu)?，水流和葉片間呈負(fù)沖角。如圖2所示。很明顯，此時1的方向角將比1的方向角減小，小于葉片的進口安放角，偏離了進口最優(yōu)工況條件。此工況下葉片正面頭部將發(fā)生脫流現(xiàn)象，從而產(chǎn)生局部氣蝕。出口三角形中，2不變，2減小，2減小。2方向角由直角變成銳角，則2的

圖2進、出口速度三角形

不管是設(shè)計水頭或者低水頭下，由于流量減小，葉片出口相對速度將減小，水流對葉片正面的撞擊力也將減小，在氣蝕系數(shù)相同的情況下，葉片氣蝕損壞總量（背面和正面氣蝕損壞量之和），在局部范圍內(nèi)是隨流量（負(fù)荷）減小而減小，即在局部范圍內(nèi)氣蝕損壞與葉片出口水流速度成正比。

因此，混流式機組在設(shè)計水頭或低水頭工況下，流速（負(fù)荷）減小轉(zhuǎn)輪的氣蝕將減輕；在導(dǎo)葉開度一定情況下，隨著水頭的降低，氣蝕情況也將減輕。

3.2低水頭、低負(fù)荷工況下混流式水輪機的振動分析

圖3　葉片出口邊水流分析

此時水輪機的運行工作穩(wěn)定性好，無力擺動，也沒有超出規(guī)范的振動、噪音和壓力脈動。在變工況尤其是低水頭、低負(fù)荷工況運行時，由于水流相對速度2方向不變，而數(shù)值減少為2，出口絕對速度出現(xiàn)較大的圓周分量U2。由于U2的存在，使水流在轉(zhuǎn)輪出口后產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)，順著尾水管排向下游；U2越大，水流所受的離心力越大，沿半徑方向，半徑大水流壓力大，尾水管中心壓最小。這種旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的偏心螺旋形渦帶，其主要危害是引起低頻水力振動，如圖4。

圖4　尾水管渦帶示意圖

混流式水輪機尾水管渦帶產(chǎn)生的壓力脈動，其壓力脈動頻率接近機組的旋轉(zhuǎn)頻率，而引起機組和壓力管道的共振。這種管渦帶產(chǎn)生的壓力脈動也是造成這類機組振動和出力擺動的主要根源。尾水管壓力脈動值的大小，直接影響機組的安全穩(wěn)定運行。尾水管內(nèi)壓力脈動強度大小通常用壓力脈動雙振幅值與水頭之比來衡量，其中，△為壓力脈動雙振幅值（峰-峰值），為運行水頭，該參量即為相對值Δ／。

3.3低水頭、低負(fù)荷工況對機組出力、效率影響

2013年，白市水電廠機組枯水期長期保持30MW左右單機生態(tài)放水運行，豐水期單機約120MW左右運行，機組出力在50%以下效率為86.10%~88.88%，明顯小于機組額定工況下的效率；機組在80%負(fù)荷情況下，39m水頭下機組效率比額定水頭下效率稍?。ū?）。

表1　水頭與效率關(guān)系表

低水頭、低負(fù)荷運行工況偏離設(shè)計工況較遠(yuǎn)，水流流經(jīng)葉片不再是“無撞擊進水，法向出流”流態(tài)，汽蝕破壞水流的連續(xù)性和流態(tài)水力損失增加，水輪機的出力和效率大為降低。

同一機組出力下，當(dāng)水頭降低時，機組流量增加，耗水率隨之增加，圖5所示為白市水電廠水輪機特性曲線。

圖5　白市水電廠水輪機特性曲線

3.4白市水電廠設(shè)備工況分析

白市水電廠自2013年4月以來，在低水頭、低負(fù)荷條件下，3臺機組經(jīng)歷了4次檢修，對轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)、葉片、及頂蓋、導(dǎo)水系統(tǒng)等做了詳細(xì)檢查，未見明顯金屬缺陷，泄水錐和葉片正、背面均未發(fā)現(xiàn)空蝕，部分紅丹漆尚存。

白市水電廠低水頭、低負(fù)荷運行的金屬探傷檢查結(jié)果，也進一步說明了混流式水輪機在低水頭、低負(fù)荷下運行，轉(zhuǎn)輪的空蝕并不嚴(yán)重。通過對機組實際振動擺度的記錄統(tǒng)計，水輪機處大軸擺度及頂蓋振動良好，遠(yuǎn)小于保證值。

但在此工況條件下，白市水電廠機組還是出現(xiàn)了如真空破壞閥損壞，主軸密封損壞，尾水管振動過大等缺陷。

3.4.1白市水電廠機組現(xiàn)場振動擺度統(tǒng)計

白市水電廠水輪機頂蓋振動值和水導(dǎo)軸承處大軸相對擺度及絕對擺度保證不大于表2數(shù)值。

表2　水輪機頂蓋振動及大軸擺度保證值

低水頭、低負(fù)荷運行工況下，白市水電廠水輪機處實際振動及擺度值測量見表3，由表3可見，低水頭、低負(fù)荷運行工況下，白市水電廠水輪機振動及大軸擺度均小于保證值，機組振動擺度情況良好。

表3　白市水電廠實際運行水輪機振動擺度記錄

3.4.2尾水管振動

前面分析的結(jié)果說明，由于機組在低水頭、低負(fù)荷下運行，偏離了額定工況，在尾水管內(nèi)旋轉(zhuǎn)水流產(chǎn)生了周期性偏心的低壓水管壁面，導(dǎo)致了周期性的水力振動的產(chǎn)生。人孔門處觀測到尾水管有明顯振感及響聲。

3.4.3真空破壞閥損壞

在低水頭、低負(fù)荷運行工況下，白市水電廠真空破壞閥動作更為頻繁，3號機2013年9月，真空破壞閥閥瓣固定螺栓斷裂掉落，已進行更換。其余2臺機組出現(xiàn)真空破壞閥閥瓣密封件損壞情況。

混流式機組在低水頭、低負(fù)荷運行工況下，應(yīng)重點加強振動監(jiān)測，在威脅到機組安全穩(wěn)定時，通過科學(xué)認(rèn)證，可在尾水管直錐段設(shè)置導(dǎo)流柵,分割真空渦

帶,減輕空腔汽蝕的破壞。并針對真空破壞閥損壞，尤其針對閥瓣密封損壞，除適當(dāng)調(diào)整真空破壞閥彈簧動作壓力外，更換閥瓣密封材質(zhì)，更換成耐磨、耐沖擊的帆布橡膠，以減少真空破壞閥損壞及漏水風(fēng)險。

4　結(jié)語

就混流式機組而言，在低水頭、低負(fù)荷的工況下，結(jié)合白市水電廠的金屬監(jiān)督檢驗結(jié)果，表明轉(zhuǎn)輪的氣蝕情況是較輕的，參照現(xiàn)場實測振動數(shù)據(jù)，在低水頭的工況下，機組運行振動擺度等數(shù)據(jù)良好，但在此工況下應(yīng)重點對尾水管直錐段、真空破壞閥的動作監(jiān)測。

不管是新建電站或已建電站，由于自身發(fā)電條件的影響或外加網(wǎng)荷的限制，水電站低水頭、低負(fù)荷的運行工況是較普遍的。因此，針對此工況下混流式機組的安全、穩(wěn)定、效率等綜合因素，有必要作進一步深化研究。

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中圖分類號：TK730.7

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）08-0001-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.001

收稿日期：2015-05-04

作者簡介：湯鴻（1987－），男，工程師，從事水電廠維護工作。