林道遠,林建興

（福建水口發(fā)電集團有限公司,福州 350004）

水輪機運行穩(wěn)定性的研究與展望

林道遠,林建興

（福建水口發(fā)電集團有限公司,福州 350004）

水輪機能否安全可靠的運行是保證水電站正常運轉(zhuǎn)的前提，對水輪機組運行穩(wěn)定性的研究有助于水電站安全生產(chǎn)和提高檢修的效率。本文針對當(dāng)前國內(nèi)外水輪機運行穩(wěn)定性研究狀況進行總結(jié)，并提出四點關(guān)于后續(xù)運行穩(wěn)定性研究的新思路。

水輪機；水電站；運行穩(wěn)定性

0 前言

隨著社會經(jīng)濟迅速發(fā)展，商業(yè)、工業(yè)以及生活等用電需求量不斷增長，導(dǎo)致我國供電緊張局面產(chǎn)生，并且傳統(tǒng)的火力發(fā)電存在高污染和高成本等缺點，急需發(fā)展新能源來替代傳統(tǒng)的發(fā)電形式[1]。而水利發(fā)電是傳統(tǒng)火力發(fā)電站之后最重要發(fā)電形式，水利發(fā)電成為緩解供電緊張和克服傳統(tǒng)火力發(fā)電缺點的重要手段。然而水輪機主要由轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、導(dǎo)水控制機構(gòu)、尾水管和蝸殼等基本部件組成，在發(fā)電運行中，各個部件能否正常工作又關(guān)系整個水輪機組的運行穩(wěn)定性，直接影響水電站的發(fā)電任務(wù)。因此，正確對水輪機運行穩(wěn)定的研究，有助于水輪機科學(xué)合理的維護和保障水輪機高效安全的運作，具有一定的實際工程和研究價值。

1 影響水輪機運行穩(wěn)定性因素分類研究

1.1 水輪機組運行振動穩(wěn)定性

在水輪機組正常的運維中，水輪機的異常振動是最為常見不穩(wěn)定性因素之一[2]。水輪機機組一旦出現(xiàn)異常振動現(xiàn)象，不僅會帶來嚴重的噪聲，還會帶來致命的安全事故造成無法估計的損失，如何有效解決水輪機振動問題成為保障水輪機組安全運行和高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。

依據(jù)當(dāng)前的研究狀況，影響水輪機組的振動因素可分為機械因素、水力因素以及電磁因素。機械因素引起的振動主要是導(dǎo)軸承出現(xiàn)松動剛性不足等缺陷導(dǎo)致導(dǎo)軸承瓦間隙過大引起水導(dǎo)處振動過大，水輪機壓力脈動頻率與上機架結(jié)構(gòu)固有頻率相接近引起水輪機組上機架振動產(chǎn)生等，目前通過增加對導(dǎo)軸承的實時監(jiān)測以及在頂蓋向轉(zhuǎn)輪內(nèi)補入高壓空氣有限減緩振動的產(chǎn)生。水力因素引起的振動主要是水頭時常發(fā)生變化導(dǎo)致運行處于非工況區(qū)域引起流道內(nèi)的壓力脈動產(chǎn)生振動，在無法徹底解決振動問題，可以適當(dāng)避開這些運行非工況振動區(qū)。電磁因素主要是電氣部分產(chǎn)生干擾電磁力導(dǎo)致運行磁拉力不均勻引起的振動現(xiàn)象，通過勵磁試驗給轉(zhuǎn)子磁極加上勵磁電流，有效排除磁拉力不均勻現(xiàn)象。由于水輪機組結(jié)構(gòu)的龐大性及工作狀態(tài)的復(fù)雜性，外界產(chǎn)生的各種干擾力都有可能是引起水輪機組振動的影響因素，有必要對其它引起因素進行進一步的研究。

1.2 水輪機葉片抗氣蝕穩(wěn)定性

當(dāng)前水輪機正在向大容量、高水頭、高比轉(zhuǎn)速方向發(fā)展，其氣蝕危害愈加明顯。氣蝕會破壞水輪機的過流部件，嚴重降低水輪機的出力和效率，甚至可能導(dǎo)致發(fā)電機組無法安全穩(wěn)定運行，氣蝕已經(jīng)成為影響水輪機運行穩(wěn)定性的一大障礙。由于氣蝕危害的嚴重性，各大水利發(fā)電研究機構(gòu)都作了大量的研究，總結(jié)一些有效的防止氣蝕措施。首先，從設(shè)計制造方面，對葉片翼型進行優(yōu)化設(shè)計使其運行受到水壓均勻和采用新的耐蝕、耐磨材料進行葉片制造。其次，從運行維護方面，在檢修期間，找出氣蝕最嚴重部位，對其部位進行重點修復(fù)以及特殊涂層處理。最后，從進水防護方面，在引水口設(shè)置防沙、沉沙及排沙設(shè)施。由于影響氣蝕產(chǎn)生的條件較為復(fù)雜，雖然目前找到較多的防止氣蝕的措施，但至今并沒有完善解決方法，因此有待進一步研究來提高水輪機葉片抗氣蝕的穩(wěn)定性。

1.3 水輪機的調(diào)速穩(wěn)定性

水輪機調(diào)速器作為水輪發(fā)電機組正常運行的另一關(guān)鍵部件，具備功能多樣，運行復(fù)雜以及操作力度強等特點。水輪機調(diào)速器是依據(jù)電腦傳達的指令肩負著調(diào)節(jié)水輪機轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)水流量以及自行調(diào)整機械運行狀況等功能，在實現(xiàn)這些功能的同時，必定引起一些故障的出現(xiàn)，導(dǎo)致水輪機運行的不穩(wěn)定性。水輪機調(diào)速器出現(xiàn)故障主要存在以下幾個方面：調(diào)速器運用了主用和備用兩套電氣設(shè)備系統(tǒng)進行控制，但備用電氣調(diào)速系統(tǒng)時常存在測頻，大大降低了電氣調(diào)速器的備用率；安裝在主配位置上的傳感器穩(wěn)定性不高，造成機組不能準確開啟導(dǎo)葉；外部供給工作電源出現(xiàn)波動造成調(diào)速器的失電，在某種程度上降低調(diào)速器的可靠性；受到電磁干擾導(dǎo)致控制模塊信號采樣出現(xiàn)異常，引起發(fā)出不必要的故障信號。

針對上述出現(xiàn)的情況，提出相對性的解決方案：通過增加檢測測速傳感與大軸之間間隙設(shè)備解決測頻故障；選擇結(jié)構(gòu)可靠的傳感器防止機組長期運行振動導(dǎo)致的主配傳感設(shè)備出現(xiàn)故障；在調(diào)速柜中增加設(shè)置更加穩(wěn)定的電源模塊；進行電磁干擾源分析，通過采用現(xiàn)場抑制干擾源措施和提高調(diào)速器本身的電磁兼容性增強抗擾度。但這些解決措施都是針對單一影響因素進行提出并無法保證調(diào)速器長期穩(wěn)定運行的要求，非常有必要對調(diào)速器穩(wěn)定性進行更加系統(tǒng)的研究。

2 水輪機運行穩(wěn)定性的研究方向展望

針對上述影響因素研究，盡管現(xiàn)在針對各大影響因素提出了針對性的解決方法，但每種方法都存在一定的缺陷或者需要進一步的提升，本文作者依據(jù)目前學(xué)術(shù)以及實際應(yīng)用中的最新理論，對水輪機運行穩(wěn)定性的研究方向提出了以下四點思路：

（1）對水輪機實際運行狀態(tài)進一步的剖析，融合最新智能傳感技術(shù)和智能分析診斷方法，提升對水輪機的整體監(jiān)測水平，以及提高水輪機整體運行穩(wěn)定性。

（2）針對于葉片空化空蝕現(xiàn)象，運用非線性有限元對各種引流狀態(tài)參數(shù)對水流沖擊葉片受力分析及磨損進行研究，找出最佳的參數(shù)（如葉片表面最適宜粗糙度、水流速度等），最大限度減少水力腐蝕，并且采用新型抗磨蝕材料，提高葉片的使用可靠性和壽命，縮短檢修時間創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益。

（3）從設(shè)計制造出發(fā)，運用一些國際上新型的水輪機機構(gòu)，降低水輪機組運行的振動不穩(wěn)定性。

3 總結(jié)

總之，水利發(fā)電機組運行是否穩(wěn)定性，不僅關(guān)系整個水電站的正常安全生產(chǎn)，而且影響水電站能否承擔(dān)調(diào)峰調(diào)頻的重大任務(wù)，因此，對水力發(fā)電機組運行穩(wěn)定性的探討具有現(xiàn)實的重大意義。本文闡述影響水輪發(fā)電機組運行穩(wěn)定性的三大方面，簡單論述這些不穩(wěn)定因素產(chǎn)生的原因，總結(jié)目前解決不穩(wěn)定因素的方法，并且分析這些方法存在的不足，根據(jù)目前國內(nèi)外學(xué)術(shù)以及實際應(yīng)用最新理論，提出幾點研究方向展望，希望可以為從事研究運行穩(wěn)定性的同行提供一些新的思路。

[1]鄭立新.淺談水電站水輪機的安裝方法[J].水利與環(huán)保,2014,5（下旬月）:415.

[2]唐聰.試論水輪機異?，F(xiàn)象的處理[J].機械與工藝,2014,5（上旬刊）:205.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.028