劉任改

（國電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川雅安625304）

1 電站概況

深溪溝電站為大渡河水電基地干流規(guī)劃的第18級電站，位于四川省雅安市漢源縣和涼山州甘洛縣接壤處，裝機容量4×16.5萬kW，水輪機型號ZZK40-LH-830，最大水頭40 m，最小水頭20.1 m，額定水頭30 m，額定流量611.24 m3/s，額定功率168 400 kW，額定轉速90.9 r/min，設計吸出高度-11.15 m，水輪機安裝高程608.6 m。發(fā)電機型號為SF165-66/13640，額定轉速90.9 r/min。2010年機組投入運行后保持穩(wěn)定運行，但在停機過程中出現(xiàn)過抬機現(xiàn)象，使機組轉速采集信號消失，測速裝置報齒盤測頻故障。鑒于此，本文對該抬機現(xiàn)象進行了理論分析，并提出了處理措施。

2 問題的發(fā)生

在2018年汛期大發(fā)電時期，運行人員發(fā)現(xiàn)深溪溝4臺機組在停機過程中偶爾報“測速裝置齒盤測頻故障”，調(diào)取歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，4臺機組在停機過程中均出現(xiàn)抬機現(xiàn)象。具體數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1 抬機量原始數(shù)據(jù)

從表1可以看出，2號機組出現(xiàn)的抬機量最大，達到15.49 mm，對2號機組進行詳細數(shù)據(jù)查詢，數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

表2 2號機組原始數(shù)據(jù)

分析表1、表2的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，尾水位在625.5 m以上的時候，機組基本上有抬機現(xiàn)象，而且隨著尾水位升高，抬機量增大，1F在尾水位627.3 m時抬機量達到了12.8 mm，2F在628.1 m時抬機量達到了15.49 mm。而2F在尾水位625.3 m的時候，抬機量只有5.57 mm。這說明抬機現(xiàn)象和尾水位是直接相關的。從數(shù)據(jù)中還可以發(fā)現(xiàn)，2F在尾水位624.1 m的情況下，而且當時還沒有泄洪，也出現(xiàn)了4.65 mm的抬機量。這就說明除了尾水位以外，還有其他因素引起抬機現(xiàn)象。

3 原因分析

水輪機在甩負荷過程中，尾水管內(nèi)出現(xiàn)真空，形成反水擊以及水輪機進入水泵工況，產(chǎn)生水泵升力，因而產(chǎn)生反向軸向力，只要反向軸向力大于機組轉動部分的總重量就會使機組轉動部分被抬起一定高度，此現(xiàn)象稱為水輪機的抬機[1]。造成抬機的原因有兩種：一是機組尾水管內(nèi)出現(xiàn)反水錘；二是水輪機進入水泵工況，產(chǎn)生了向上的軸向水推力[2-5]。

深溪溝水電站水輪機的安裝高程為-11.6 m，尾水位超過水機層高，抬機現(xiàn)象都是在導葉全關后發(fā)生的，抬起一定高度并維持數(shù)秒才落下，從這種現(xiàn)象來看應是反水錘和水泵升力共同作用所引起的。

3.1 反水錘抬機原理

機組停機后，反水錘引起轉輪室內(nèi)的真空度的最大值計算可由下式表示：

式中：Hmax為轉輪室或尾水管內(nèi)的最大真空度（m水柱）；Hs為水輪機吸出高度（m）；Vs=Q/Fs，為尾水管最小斷面上的流速（m/s），Q為停機時水輪機的流量（m3/s），F(xiàn)s為尾水管最小斷面的面積（m2）；δs為轉輪室或尾水管中的相對壓力變化；H0為水輪機工作水頭（m）。

從式中可以看出，抬機現(xiàn)象與導葉關閉時下游尾水位以及所引起的水錘有關，并與水輪發(fā)電機組轉動部分的重量有關。

3.2 抬機條件

水輪發(fā)電機組不發(fā)生抬機的條件：水輪發(fā)電機組轉動部分的重量大于水輪機轉輪受到的負壓力和反向水推力之和。即：

式中：G為水輪發(fā)電機轉動部分重量；P-m為水輪機轉輪上的負壓強；S為水輪機轉輪水平面投影面積，S=πD2/4，D為水輪機轉輪直徑；Fz為水輪機轉輪受到的反向水推力，一般可由經(jīng)驗公式計算得出。

4 處理措施

從上面的原因分析推斷，要解決水輪發(fā)電機組的抬機問題，可以從以下幾方面考慮：

（1）減少水輪機轉輪上的負壓力，可向負壓強的轉輪室補充空氣。深溪溝電站采用真空破壞閥補氣仍然不能消除抬機現(xiàn)象，原因可能是補氣不足，無法有效地對尾水的回流給予壓力，從而使尾水回流，形成了上抬力。補氣不足的原因：一是真空破壞閥補充的補氣量不足；二是真空破壞閥只有當負壓達到一定程度時才動作，而水的沖擊波速度快，因此緊急真空破壞閥防止抬機的效果不理想。想要通過此種方法解決抬機問題，需要對真空破壞閥進行重新選型改造。

（2）直接加大水輪發(fā)電機轉動部分重量，使水輪發(fā)電機轉動部分重量大于水輪機轉輪受到的反向水推力和水輪機轉輪受到的負壓力之和，從而徹底解決抬機問題。深溪溝電站已經(jīng)投運8年，在投運的前幾年并未出現(xiàn)過抬機現(xiàn)象，后期才出現(xiàn)，增大轉動部分的重量原理簡單，但操作復雜，需要驗證靜平衡、動平衡一系列試驗。

（3）調(diào)速器兩段關閉時間的調(diào)整。通過延長導葉的關閉時間或者是優(yōu)化導葉分段關閉規(guī)律，可降低真空度，從而減輕、消除機組的抬機現(xiàn)象。深溪溝電站活動導葉采用兩段關閉方式，根據(jù)調(diào)保計算，取第一段關閉時間為7 s，第二段關閉時間為11 s，導葉拐點為37%。通過調(diào)速器試驗發(fā)現(xiàn)，深溪溝1F～4F機組經(jīng)過長時間運行，分段關閉規(guī)律均有不同程度變化。1號機組導葉關閉時間整體偏短2 s，2號機組第二段關閉時間為12.3 s，偏長1.5 s，3號機組和4號機組導葉拐點位置向前漂移，導致第二段關閉時間變長。

（4）鑒于深溪溝電站抬機情況的特殊性，齒盤測速裝置頻報齒盤測頻故障，可以通過增加齒盤測頻的齒盤厚度以及改變脈沖探頭的位置，保證不論機組抬機與否都能采集到信號。

5 運行試驗

運行人員對電站調(diào)速器分段關閉時間進行重新整定，并且通過更換厚度更大的機組測頻齒盤，調(diào)整脈沖探頭初始位置對應齒盤厚度下半部分1/3位置，分別進行了事故停機、正常停機試驗，均未發(fā)生抬機、過速等缺陷，機組振動、擺度、瓦溫、線圈溫度等都在國標允許的范圍之內(nèi)。

6 結語

水輪機組在正常停機或者事故停機后出現(xiàn)抬機現(xiàn)象是不可避免的。本文通過對深溪溝水電站抬機問題的原因分析及處理，對于如何消除機組抬機現(xiàn)象有了更清晰的思路。在電站設計時，為了防止抬機現(xiàn)象的發(fā)生，要綜合考慮機組的機構，特別是補氣裝置的設計，以及機組的吸出高度、機組調(diào)保計算、導葉關閉規(guī)律的優(yōu)化等因素。同時，每臺機組需要具體問題具體分析，以采用不同的防治措施，從而最大限度地提高機組運行的安全、可靠性。