段紅衛(wèi)

摘要：水輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性是電氣、機(jī)械、流體等多種原因引起的，因此為了保障水輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性，必須要對(duì)影響其穩(wěn)定性的原因?qū)Σ哌M(jìn)行分析，從而保障水電站的安全運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：水能動(dòng)力發(fā)電;水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性;措施;

前言：水能動(dòng)力發(fā)電中的水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性是電氣、機(jī)械、流體等多種原因引起的，為了保障水能動(dòng)力發(fā)電的安全運(yùn)行，需要分析影響其穩(wěn)定性的主要因素，采取相應(yīng)的策略，從而提高水輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性。

一、水輪機(jī)穩(wěn)定性及其必要性分析

衡量水輪機(jī)的好壞最重要的三個(gè)指標(biāo)是能量、空化以及穩(wěn)定性。能量和空化指標(biāo)評(píng)判直觀，且經(jīng)過(guò)充分挖掘可以在一定程度上降低電站投資和增加發(fā)電收益，因此以往對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)的關(guān)注度和研究程度亦非常深刻。穩(wěn)定性關(guān)系到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，由于以往研究對(duì)水輪機(jī)穩(wěn)定性不夠重視，而穩(wěn)定性問(wèn)題又比較復(fù)雜，涉及方面廣，對(duì)此的研究不如另外兩個(gè)指標(biāo)深入。水輪機(jī)穩(wěn)定性最重要的表現(xiàn)形式是運(yùn)行過(guò)程中的水力振動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)。當(dāng)水輪機(jī)不穩(wěn)定狀態(tài)達(dá)到一定程度，強(qiáng)烈的振動(dòng)不僅會(huì)使水輪機(jī)部件產(chǎn)生裂紋，甚至?xí)饛S房等水工建筑物共振進(jìn)而威脅整個(gè)電站的運(yùn)行安全。

二、水能動(dòng)力發(fā)電中水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性的影響因素及危害

1.水能動(dòng)力發(fā)電中水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性的影響因素。水力因素。水力不平衡引起的振動(dòng)。卡門(mén)渦列引起的振動(dòng)。尾水管渦帶引起的振動(dòng)。尾水管中空腔壓力脈動(dòng)。軸流式水輪機(jī)葉片振動(dòng)，導(dǎo)葉開(kāi)度的變化，當(dāng)開(kāi)度減小到一定程度，葉片表面脫流或空化引起葉片振動(dòng)和機(jī)組振動(dòng)，實(shí)際運(yùn)行中須考慮這一問(wèn)題。導(dǎo)葉數(shù)和轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)不匹配引起的壓力脈動(dòng)。機(jī)械因素。機(jī)組軸線(xiàn)不正或?qū)χ胁涣?轉(zhuǎn)動(dòng)部件質(zhì)量不平衡;導(dǎo)軸承缺陷;主軸密封調(diào)整不當(dāng);靜板不平或推力瓦不水平;推力頭松動(dòng);導(dǎo)軸瓦間隙調(diào)整不當(dāng);轉(zhuǎn)子振擺。

2.水輪發(fā)電機(jī)組不穩(wěn)定的危害。引起機(jī)組零部件金屬焊縫中疲勞破壞區(qū)的形成和擴(kuò)大，以至斷裂損壞而報(bào)廢。使機(jī)組各部位緊固連接部件松動(dòng)，導(dǎo)致這些緊固連接部件本身的斷裂，加劇被連接部分的振動(dòng)，促使它們迅速損壞。加速機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件的磨損，如大軸的劇烈的擺動(dòng)，使軸與軸瓦的溫度升高，使軸承或軸瓦燒毀;轉(zhuǎn)子振動(dòng)過(guò)大，增加滑環(huán)與碳刷的磨損，使碳刷跳火花。尾水管中水流脈動(dòng)壓力可使尾水管壁產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重的可使整塊鋼板剝落。共振引起的后果更嚴(yán)重。

三、影響水能動(dòng)力發(fā)電中水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性的原因及措施

1.空載帶勵(lì)?？蛰d帶勵(lì)主要表現(xiàn)為振動(dòng)強(qiáng)度隨勵(lì)磁電流增加而增大;逐漸降低定子端電壓，振動(dòng)強(qiáng)度也隨之減小;在轉(zhuǎn)子回路中自動(dòng)滅磁，振動(dòng)突然消失。其原因主要有：（1）轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈短路;（2）定子與轉(zhuǎn)子的氣隙有很大不對(duì)稱(chēng)或定子變形;（3）轉(zhuǎn)子中心與主軸中心偏心。針對(duì)以上原因，可以采取以下措施：（1）用示波器測(cè)出線(xiàn)圈短路位置并進(jìn)行處理;（2）停機(jī)調(diào)整氣隙間隙。氣隙的最大值或最小值與平均值之差不應(yīng)超過(guò)±8%;（3）如偏心很大時(shí)，需用調(diào)整定子與轉(zhuǎn)子中心的方法予以消除等手段予以處理。

2.空載無(wú)勵(lì)。主要表現(xiàn)為振動(dòng)強(qiáng)度隨轉(zhuǎn)速增高而增大;在低速時(shí)也有振動(dòng)，其可能原因主要有以下幾方面：（1）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子或水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪動(dòng)不平衡;（2）軸線(xiàn)不直;中心不對(duì);推力軸承軸瓦調(diào)整不當(dāng);主軸聯(lián)接法蘭連接不緊;（3）與發(fā)電機(jī)同軸的勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子中心未調(diào)好;（4）水斗式水輪機(jī)噴咀射流與水斗的組合關(guān)系不當(dāng);（5）轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)與導(dǎo)葉數(shù)組合不當(dāng)。針對(duì)以上原因，應(yīng)該采取以下措施：（1）動(dòng)平衡試驗(yàn)，加平衡塊，消除不平衡;（2）調(diào)整軸線(xiàn)和中心，調(diào)整推力軸瓦;（3）調(diào)整勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子中心;（4）改善組合關(guān)系;（5）改善組合關(guān)系。

3.空載或帶負(fù)荷。其表現(xiàn)為主軸擺度或振動(dòng)與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，當(dāng)負(fù)荷增加后，擺度或振動(dòng)有所降低。這主要是由于機(jī)組主軸軸線(xiàn)不正;推力軸承軸瓦不平整，處理方式是調(diào)整軸線(xiàn);校正軸瓦。此外是振動(dòng)強(qiáng)度隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷增加成正比增大，其原因往往是多方面的，如轉(zhuǎn)輪輪緣上突出部件布置不對(duì)稱(chēng)。針對(duì)以上原因，應(yīng)該采取以下措施：（1）刮去突出部件或用蓋板遮蓋，使其平滑過(guò)渡;（2）清除堵塞物;（3）調(diào)整修理止漏環(huán);（4）加固支承結(jié)構(gòu)等等。最后還有一種振動(dòng)特征是在所有工況下主軸擺度都大，這通常是由于瓦隙過(guò)大，或主軸折曲，或機(jī)架松動(dòng)，可以采取在開(kāi)停機(jī)過(guò)程中越過(guò)此振動(dòng)區(qū);改變結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率。

四、增強(qiáng)水能動(dòng)力發(fā)電中水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性的策略

1.改善水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)。水輪機(jī)空化和空蝕的主要類(lèi)型是翼型的空化和空蝕，而翼型的空化和空蝕與很多因素有關(guān)，諸如翼型本身的參數(shù)、組成轉(zhuǎn)輪翼柵的參數(shù)等等。就翼型設(shè)計(jì)而言，要設(shè)計(jì)和試驗(yàn)空化性能良好的轉(zhuǎn)輪。一般考慮兩個(gè)途徑：一種是使葉片背面壓力的最低值分布在葉片出口邊，從而使汽泡的潰滅發(fā)生在葉片以外的區(qū)域，可避免葉片發(fā)生空化和空蝕破壞。若改變轉(zhuǎn)輪的葉型設(shè)計(jì)，就可使汽泡潰滅和水流連續(xù)性的恢復(fù)發(fā)生在葉片尾部之后，這樣就可避免對(duì)葉片的嚴(yán)重破壞。實(shí)踐證明，葉型設(shè)計(jì)得比較合理時(shí)，可避免或減輕空化和空蝕。因此在水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)時(shí)，要合理確定水輪機(jī)的吸出高度，水輪機(jī)的比轉(zhuǎn)速，空化系數(shù)。

2.改善運(yùn)行條件。翼型設(shè)計(jì)時(shí)只能保證在設(shè)計(jì)工況附近不發(fā)生嚴(yán)重空化，在這種情況下，通常不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的空蝕現(xiàn)象。但在偏離設(shè)計(jì)工況較多時(shí)，翼型的繞流條件、轉(zhuǎn)輪的出流條件等將發(fā)生較大的改變，并在不同程度上加劇翼型空化和空腔空化。因此，合理擬定水電廠的運(yùn)行方式，要盡量保持機(jī)組在最優(yōu)工況區(qū)運(yùn)行，以避免發(fā)生空化和空蝕。對(duì)于空化嚴(yán)重的運(yùn)行工況區(qū)域應(yīng)盡量避開(kāi)，以保證水輪機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)，可采用在轉(zhuǎn)輪下部補(bǔ)氣的方法，對(duì)破壞空腔空化空蝕，減輕空化空蝕振動(dòng)有一定作用。

結(jié)束語(yǔ)：水能動(dòng)力發(fā)電是一種可再生、無(wú)污染的清潔能源，水能資源是利用水的的勢(shì)能、江河的水流量和落差獲得電能，而且運(yùn)行成本低，對(duì)提升經(jīng)濟(jì)效益以及社會(huì)效益都有較高的利用價(jià)值。因此為了保障水能動(dòng)力發(fā)電站的運(yùn)行，必須加強(qiáng)水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性的分析。

參考文獻(xiàn)

[1]李進(jìn)博.密封間隙對(duì)混流式水輪機(jī)穩(wěn)定性影響的數(shù)值模擬[D];西安理工大學(xué);2019