李 鋒，何繼全，陳 瑞，趙 強(qiáng)

（1.貴州北盤江電力股份有限公司董箐發(fā)電廠，貴州省貞豐縣 562200；2.北京中元瑞訊科技有限公司，北京市 100085；3.國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161）

1 前言

隨著水電事業(yè)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性也越來越得到了大家的關(guān)注，特別是機(jī)組非設(shè)計(jì)工況下（系指機(jī)組在低水頭、低負(fù)荷、超水頭、超負(fù)荷等工況運(yùn)行下）的穩(wěn)定性問題，至今都是運(yùn)行部門需要解決的棘手問題。對(duì)于水力發(fā)電廠，在汛期的尾期或是枯水期，由于水位的降低，機(jī)組逐漸遠(yuǎn)離最優(yōu)工況運(yùn)行，進(jìn)入低水頭運(yùn)行，此時(shí)如果機(jī)組穩(wěn)定性出現(xiàn)問題，無法正常發(fā)電，那么就會(huì)嚴(yán)重影響電廠的經(jīng)濟(jì)效益，也會(huì)影響電網(wǎng)的安全產(chǎn)生影響，因此從經(jīng)濟(jì)效益的角度看，關(guān)注低水頭大負(fù)荷或超負(fù)荷機(jī)組的運(yùn)行的穩(wěn)定性也是非常有價(jià)值的。

2 水頭對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性的重要性

效率、空化和穩(wěn)定性是現(xiàn)代水輪機(jī)的三大指標(biāo)。機(jī)組穩(wěn)定性是一切指標(biāo)的前提，因此當(dāng)今很多混流式機(jī)組水輪機(jī)在選型時(shí)都把穩(wěn)定性放在首位。

轉(zhuǎn)輪的水力設(shè)計(jì)是水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定的關(guān)鍵。水頭作為轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，對(duì)于水輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性有著重要的影響[1][3]?；炝魇剿啓C(jī)有兩個(gè)特征水頭與它的水力穩(wěn)定性密切相關(guān)，分別為設(shè)計(jì)水頭和額定水頭[1]。

設(shè)計(jì)水頭下的水輪機(jī)性能為一個(gè)型號(hào)水輪機(jī)的代表性性能和最優(yōu)性能。水輪機(jī)其他水頭下的性能及其變化都以設(shè)計(jì)水頭下的性能作參照，水輪機(jī)的水力穩(wěn)定性也是如此。渦帶壓力脈動(dòng)的基本幅值和特性就取決于水輪機(jī)的設(shè)計(jì)水頭，當(dāng)水輪機(jī)的運(yùn)行水頭偏離設(shè)計(jì)水頭較遠(yuǎn)時(shí)，渦帶壓力脈動(dòng)的最大幅值也會(huì)隨之發(fā)生變化，因此在低水頭運(yùn)行時(shí)就會(huì)容易產(chǎn)生穩(wěn)定性的問題[1][2]。

水輪機(jī)額定水頭是人為確定的，他決定了水輪機(jī)導(dǎo)葉的最大開度（100%，可能留有裕量），因而決定了各個(gè)水頭下水輪機(jī)出力與導(dǎo)葉開度的關(guān)系，由此決定了轉(zhuǎn)輪和尾水管中水流的流態(tài)。水流流態(tài)的變化在相當(dāng)程度上決定了異常壓力脈動(dòng)出現(xiàn)的條件，因此對(duì)于機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行也有著重要的影響[1]。

3 低水頭運(yùn)行對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性的影響

水電機(jī)組穩(wěn)定性是隨水電機(jī)組運(yùn)行工況而變化的，即隨水電機(jī)組的運(yùn)行水頭、流量和運(yùn)行負(fù)荷的變化而變化。當(dāng)水電機(jī)組的運(yùn)行水頭一定時(shí)，水力穩(wěn)定性是隨著水電機(jī)組流量和負(fù)荷而變化的；在同樣的負(fù)荷下，水力穩(wěn)定性將因工作水頭不同而變化，因此，受運(yùn)行工況的影響較大[1]。

機(jī)組在低水頭滿負(fù)荷或超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于工作水頭的降低，導(dǎo)致流過機(jī)組過流部件的流速降低，因此往往機(jī)組最大開度或接近最大開度運(yùn)行，即機(jī)組運(yùn)行在5%出力限制線附近，由于水流特性的不穩(wěn)定性和復(fù)雜性，出現(xiàn)運(yùn)行異常影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的幾率也就增大很多。在超過最優(yōu)工況后，隨開度的繼續(xù)增大，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流具有越來越大的負(fù)沖角。當(dāng)負(fù)沖角超過一定值時(shí)，就會(huì)在葉片進(jìn)口邊的背面產(chǎn)生水流沖擊，在葉片進(jìn)口邊的正面產(chǎn)生脫流、空化，繼而產(chǎn)生次生水沖擊，對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重影響[1][2]。

模型試驗(yàn)是獲取水輪機(jī)運(yùn)行特性的主要方法，通過模型試驗(yàn)通常會(huì)給出水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的邊界條件，但由于在實(shí)際的加工安裝過程中，以及實(shí)際的水力條件均與試驗(yàn)條件存在或多或少的偏差，因此從模型試驗(yàn)獲得的邊界與機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的邊界條件就會(huì)產(chǎn)生一定的差異，對(duì)于機(jī)組在低水頭運(yùn)行的穩(wěn)定性問題，由于就是運(yùn)行在邊界條件附近，因此需要從以下幾點(diǎn)給予足夠的重視：

（1）加工、制造、安裝過程中產(chǎn)生的差異會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的邊界條件出現(xiàn)細(xì)小的差別，這就會(huì)出現(xiàn)同一電廠，同一型號(hào)的轉(zhuǎn)輪，同時(shí)在低水頭運(yùn)行時(shí)，不同的機(jī)組表現(xiàn)出來的穩(wěn)定性存在不同。隨著水電技術(shù)的發(fā)展，加工制造過程的誤差控制已經(jīng)基本可以滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的使用，因此安裝過程中產(chǎn)生的誤差成為目前產(chǎn)生低水頭運(yùn)行不穩(wěn)定的主要因素之一。安裝過程中轉(zhuǎn)動(dòng)部分與固定部分的不同心，梳齒密封、主軸密封等間隙的不均勻都會(huì)對(duì)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生影響，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)產(chǎn)生機(jī)組的自激振動(dòng)。

（2）機(jī)組多年運(yùn)行后，由于受到流沙磨損、水體腐蝕、空蝕等影響，會(huì)導(dǎo)致水輪機(jī)水流特性發(fā)生變化，也會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)定性運(yùn)行邊界條件發(fā)生變化，就會(huì)出現(xiàn)低水頭運(yùn)行穩(wěn)定性問題。這種問題在水質(zhì)較差的現(xiàn)場(chǎng)，如黃河流域，由于水流中泥沙含量較大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪磨損嚴(yán)重，這種問題會(huì)更為突出些[1]。

（3）周邊水力環(huán)境的變化，導(dǎo)致電站上下游水位發(fā)生變化，因此機(jī)組穩(wěn)定性運(yùn)行邊界條件發(fā)生變化，就會(huì)容易出現(xiàn)低水頭運(yùn)行穩(wěn)定性問題。這種現(xiàn)象在實(shí)際情況中又有兩種表象，一種是由于自身水質(zhì)導(dǎo)致的，如黃河流域的電站，由于下游側(cè)泥沙堆積，很容易導(dǎo)致機(jī)組尾水位的變化，改變機(jī)組吸出高程，產(chǎn)生機(jī)組低水頭運(yùn)行的穩(wěn)定性問題，為此需要定期對(duì)尾水的泥沙進(jìn)行清理，但這種情況僅局限少數(shù)流域；另一種可能更具代表性的現(xiàn)象是流域梯級(jí)電站的建立，導(dǎo)致流域電站間的水位間產(chǎn)生影響，下一級(jí)電站的上庫(kù)水位對(duì)上一級(jí)電站的下游水位產(chǎn)生影響。隨著我國(guó)水電事業(yè)的快速發(fā)展，梯級(jí)電站的規(guī)劃已成為常態(tài)，因此由于這種梯級(jí)電站引起的水力特性變化導(dǎo)致的機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定問題也就凸顯了出來。

4 實(shí)際案例分析

董箐發(fā)電廠為北盤江干流規(guī)劃梯級(jí)的第三級(jí)電站，裝機(jī)容量880MW（4×220MW），大壩正常蓄水位為490m，死水位為483m，水輪機(jī)由ALSTOM設(shè)計(jì)，型號(hào)為HLF195A1-LJ-455，額定水頭108m，最高水頭124.5m，最低水頭106m。在2017年9月，機(jī)組在低水頭運(yùn)行出現(xiàn)了穩(wěn)定性異常狀況，具體情況如下：

由于下游梯級(jí)電站龍灘水電站開始蓄水，導(dǎo)致電站下游水位達(dá)到了歷史同期的最高點(diǎn)，達(dá)到374.8m，較歷史同期高出將近1m，而同時(shí)由于上游來水量減少，上庫(kù)水位降到了同期最低，為485.4m，較歷史同期低了1m左右，導(dǎo)致機(jī)組實(shí)際運(yùn)行水頭是歷史最低，在這種水力條件下，4臺(tái)機(jī)組同時(shí)滿發(fā)運(yùn)行時(shí)，2、4號(hào)機(jī)組同時(shí)出現(xiàn)了運(yùn)行穩(wěn)定性問題，由北京中元瑞訊科技有限公司提供的GMH550在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)頻繁輸出頂蓋垂直振動(dòng)和下機(jī)架垂直振動(dòng)報(bào)警信號(hào)。

圖1 振擺/壓力脈動(dòng)幅值隨負(fù)荷變化圖Fig.1 Correlogram of displacement/pressure fluctuation and unit load

從圖1可以看出機(jī)組在負(fù)荷超過218MW運(yùn)行后，機(jī)組的頂蓋垂直振動(dòng)，下機(jī)架垂直振動(dòng)和導(dǎo)葉出口壓力脈動(dòng)幅值急劇增大，增幅達(dá)到10倍以上（2、4號(hào)機(jī)組情況相似，這里僅以2號(hào)機(jī)組數(shù)據(jù)為示例說明）。

從圖2和圖3可以看出，引起機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定的頻率是0.5625X的低頻信號(hào)，而這個(gè)頻率力來源于導(dǎo)葉出水邊至轉(zhuǎn)輪進(jìn)水邊的巨大的壓力脈動(dòng)，其幅值高達(dá)215kPa。產(chǎn)生此現(xiàn)象的原因正是由于機(jī)組在低水頭運(yùn)行時(shí)，由于機(jī)組遠(yuǎn)離最優(yōu)工況，隨著導(dǎo)葉開度的增加，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流具有越來越大的負(fù)沖角，在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，水流在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處產(chǎn)生的巨大的反沖，由此在導(dǎo)葉出水邊至轉(zhuǎn)輪進(jìn)水邊產(chǎn)生巨大的壓力脈動(dòng)，在此壓力脈動(dòng)作用下，機(jī)組受到了明顯軸向的水力沖擊，因此造成了頂蓋垂直振動(dòng)和下機(jī)架垂直振動(dòng)幅值的突增。

圖2 振擺/壓力脈動(dòng)時(shí)域波形圖Fig.2 Displacement/pressure fluctuation waveform

圖3 振擺/壓力脈動(dòng)階次比圖Fig.3 Displacement/pressure fluctuation order spectrum

同樣的轉(zhuǎn)輪型號(hào)，同樣的水力工況，在相同的負(fù)荷下運(yùn)行時(shí)，2、4號(hào)機(jī)組出現(xiàn)了明顯的穩(wěn)定性異?，F(xiàn)象，但1、3號(hào)機(jī)組卻并未出現(xiàn)此情況，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因就是因?yàn)榧庸?、制造、安裝過程中的差異，導(dǎo)致水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的邊界有差別，因此在低水頭大負(fù)荷穩(wěn)定性邊界運(yùn)行時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生了同種型號(hào)機(jī)組穩(wěn)定性運(yùn)行出現(xiàn)差異的情況了。

5 結(jié)束語

低水頭、大負(fù)荷是機(jī)組在穩(wěn)定性邊界運(yùn)行的一種特殊工況，其運(yùn)行的穩(wěn)定性關(guān)乎電廠的經(jīng)濟(jì)效益。由于水力特性的不確定性和變化性，其穩(wěn)定運(yùn)行的條件也是變化的，密切關(guān)注水力環(huán)境的變化，掌握機(jī)組運(yùn)行規(guī)律，合理規(guī)劃?rùn)C(jī)組運(yùn)行工況，才能做到在確保機(jī)組在穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，實(shí)現(xiàn)機(jī)組運(yùn)營(yíng)效益的最大化。