混流式水輪機穩定運行的主要水力因素淺析

黃漢云

（云南華電怒江水電開發有限公司，云南 昆明 650051）

混流式水輪機穩定運行的主要水力因素淺析

黃漢云

（云南華電怒江水電開發有限公司，云南 昆明 650051）

針對混流式水輪機穩定運行的主要水力因素進行淺析，為電站的設計、制造安裝、生產運行管理提供一定的參考。

水電站；混流式水輪機；穩定運行；水力因素

目前隨著水電機組容量和尺寸的不斷增大，轉速的相應提高，相對剛度的減弱，機組的運行穩定性問題已成為電站設計、制造安裝和生產管理單位極為關注的問題。很多設計單位在對水輪機選型時對一些關鍵的設計參數進行了合理化的選擇，如水頭、轉速、梳齒間隙高度、間隙道數等的選擇；制造安裝單位對施工工藝更進一步的提高，如提高底環、頂蓋、轉輪的制造加工的精度和減小橢圓度的大小，調整安裝誤差的大小和機組整體的同心度的偏差大小以及主軸的擺度的大小等；生產運行管理單位也從生產管理的角度加以考慮和改善。通過設計、制造安裝、生產運行管理單位的共同努力，使大部分原本穩定性運行較差的機組得到了有效的改善，但穩定性運行的處理需要各方的物力、財力和人力。

1 部分運行中的混流式水輪機的穩定性情況

1.1 二灘水電站

機組由加拿大GE公司中標，水輪機型號HLF497-LJ-625.7，額定出力561MW，額定水頭165m，電站最大水頭Hmax=189m，最小水頭Hmin=135m，Hmax/Hmin=1.4。機組投運后存在較顯著的較寬的部分負荷水力振動區，低頻尾水管壓力脈動對機組運行穩定影響明顯；同時存在較強的高頻水壓脈動，頂蓋振動大，廠房樓板也有明顯的高頻振動和有強烈噪音；在大負荷區，水壓脈動較小，機組相對運行穩定。從1998年8月第1臺機組投運以來，電站6臺轉輪葉片下環出現了不同程度的裂紋，截止到2003年3月，6臺轉輪共發現32條裂紋，其中葉片出水邊與上冠連接處4條，沒有重復出現的情況，葉片出水邊與下環連接處28條，8個轉輪葉片同一位置出現重復性的裂紋共計16條。

1.2 巖灘水電站

巖灘水電站裝機4臺，水輪機型號為HL286a-LJ-800，總容量1210MW，單機水輪機額定出力307.1MW，額定水頭54m，電站最大水頭Hmax=68.5m，最小水頭Hmin=37m，Hmax/Hmin=1.851。轉輪名義直徑D1=8.0m，轉輪共有13個葉片。機組投運后，在高水頭區域運行時，多個工況點出現強振動現象。在強振作用下，尾水錐管里襯出現裂紋，廠房樓板出現強烈振動，機組不得不避開振動區運行。2號機運行400多天后發現8個葉片有裂紋，3號機運行200多天后發現6個葉片有裂紋。

1.3 李家峽水電站

李家峽水電站裝機2000MW，單機水輪機額定出力408.2MW，額定水頭122.0m，最大水頭Hmax=135.6m，最小水頭 Hmin=114.5m，Hmax/Hmin=1.184。電站初期運行水頭只有94～97m。1號機運行500多天后發現13個葉片有16條裂紋；2號機運行240多天后發現13個葉片有14條裂紋。3號機運行90多天后也發現3條較小裂紋。

從上述三個大型水電站的實際運行情況來看，混流式水輪機運行存在的不穩定性現象是其本身特有的現象，水輪機運行穩定性主要表現為水輪機在偏離設計的工況運行時，特別是在高水頭作用下產生壓力脈動過大和有較大水頭變幅，水輪機可能落入了不穩定區時，壓力脈動作用于梳齒、高壓腔、外緣等轉輪所有徑向投影面上，使轉輪承受徑向不平衡作用力，引起水輪機周期性的振動，就有可能造成葉片裂紋、尾水管錐段撕裂、振動區較大、機組產生嚴重氣蝕、廠房樓板出現振動等。其不穩定性的程度與偏離的范圍有關，偏離范圍越大，破壞也越大。

2 混流式水輪機穩定運行的主要振動形式

2.1 水輪機水力振動

水流流經水輪機蝸殼、座環、固定導葉、活動導葉、轉輪以及尾水管等過流部件時，由于這些過流部件在設計制造安裝的誤差，形成不對稱的水流作用力矩及水流脫流，同時當轉輪遠離無撞擊進口和最優水流出口運行時，內部流動狀況變壞，產生脫流和渦帶，形成壓力脈動，引起水輪機本體甚至相鄰混凝土結構振動，嚴重時會導致構件疲勞破壞。運行工況變化時，葉片進口水流的沖角、出口環量的大小和方向也隨之變化，誘發水輪機水力振動。

2.2 高中低頻壓力脈動

轉輪進口水流沖角太大，導致葉片頭部脫流空化，形成葉道渦流，引起高頻或中頻壓力脈動。葉片出口環量過大，尤其是在尾水管內出現大渦帶后，渦帶以近乎固定的頻率在管內轉動，在尾水管內產生強烈的渦帶，引起低頻壓力脈動。

2.3 尾水管壓力脈動

由于轉輪出口處的旋轉水流以及脫流旋渦和空蝕等的影響；同時高水頭小流量工況時葉片頭部產生正沖角、低水頭大流量時葉片頭部產生負沖角，進而導致了葉片吸入側或壓力側的脫流；另一方面由于非最優工況的水流在轉輪出口環量加劇了尾水管渦帶，導致尾水管壓力脈動的產生。當尾水管內一旦發生壓力脈動，就會激起尾水管壁、轉輪、導水機構、蝸殼及壓力管道的振動。

2.4 空腔氣蝕引起的振動

水輪機的空腔破壞程度與運行條件有著密切的關系。其中最明顯的有水輪機的吸出高度選擇不合理、水輪機的運行時間的長短、水輪機運行水頭及轉輪尺寸、水輪機功率和水頭變化等都有可能造成空腔氣蝕。空腔氣蝕引起的振動，在其運行區域內將可能發生嚴重的空蝕，導致機組嚴重的振動。

2.5 其它振動

水輪機產生振動在水力方面另一個重要的原因是機組部件的固有頻率與主要水力振源的頻率一致或相近而引起的共振。主要的水力振源有機組的轉頻、尾水管壓力脈動頻率、固定導葉頻率、活動導葉頻率、轉輪葉片頻率、卡門渦頻率，此外還有葉道渦、無葉區的高頻等。

3 混流式水輪機穩定運行的水力因素

3.1 高水頭小開度或者小負荷區工況

在這種工況下，轉輪出口環量過大，將造成局部真空，形成復雜的旋渦運動，而出現渦帶的大幅度的振擺，引起低頻壓力脈動，該渦帶在尾水管壁的作用下，形成一個激振源，可上、下反復傳遞，造成流道內壓力變化以及水頭變化，破壞尾水管壁，并造成機組出力不穩和噪音，從而引起尾水管壁及轉輪的劇烈振動，嚴重時甚至可能造成引水管和廠房的共振。尾水管高度越小，壓力脈動越大，危害也越嚴重。特別是在高水頭小開度工況葉片進口沖角和出口環量均較大，兩種因素疊加，對穩定運行是極為不利的。

3.2 低水頭大流量運行工況

在這種工況下，受發電機容量的限制，為了發足容量，在水頭降低的狀況下，流量勢必增大，水流以負沖角繞流葉片，導致葉片頭部壓力側脫流，水流分離成片狀渦串，在上冠、下環和兩個葉片組成的流道之間流出。在此種工況下，由于負沖角很小，葉片頭部幾乎不可能造成空化脫流，即使造成空化脫流，除噪聲明顯增大外，潛在的破壞不大，一般通過向尾水管補氣后即可有立竿見影的功效。根據相關設計單位的經驗統計，當最小水頭對應的單位轉速與最優單位轉速比值大于1.25倍時，將使葉片進口負沖角加大，但由于出口環量不是很大，同時在低水頭情況下，電站吸出高度負值較大，對轉輪的空化影響較小，水輪機運行穩定性比高水頭小開度工況要好。

3.3 運行時負荷變化過大工況

當水頭向高水頭方向移動時，葉片進口邊正壓面來流沖擊對水頭的變化極為敏感，甚至當水頭超過設計水頭的1.1倍時，葉片進口背面已經開始出現脫流，因此機組運行的穩定性主要表現在高水頭段的運行穩定性。當水頭從設計水頭向低水頭移動時，葉片正面的脫流對水頭的變化不很敏感，在大流量區出現葉片進口邊正面脫流空化渦帶和較強的尾水管渦帶一般在常規的水輪機輸出功率限制線以外。機組在高水頭段葉片進口背面脫流主要是由于水頭高于額定水頭后，機組發出額定輸出功率所需的導葉開度變小，偏離最優工況，水流與葉片產生撞擊。因此如果在高水頭段能夠保證導葉的開度在適當的范圍內，則可能控制機組高水頭液流對葉片進口撞擊而產生的不利的影響。

3.4 設計時水輪機最大運行水頭Hmax與額定水頭Hr比值過大

根據設計單位的經驗，當水輪機最大運行水頭Hmax與額定水頭Hr比值大于或等于1.2時，水輪機運行有可能落在不穩定區，這是因為在高水頭遠離最優設計工況，導葉開度小，轉輪進口水流沖角較大，導致葉片頭部或背部負壓側脫流空化或局部真空，即形成渦流，由于流動不均，自上而下沿葉片長度方向產生二次流，形成高強度的不穩定渦流，嚴重時進口空化將導致葉片頭部的嚴重破壞。這種不穩定的渦流是動態負荷的起因和激振源，有可能產生葉道渦流，引起高頻和中頻壓力脈動。

4 預防和整治措施

混流式機組所有穩定性運行問題均會導致機組運行出現不同程度的影響，有的甚至導致機組無法正常的運行，給電站帶來重大的損失，所以采取必要的預防措施尤為關鍵；當出現無法滿足穩定性運行時應積極的尋找解決問題的關鍵。筆者認為解決穩定性運行應主要從電站參數設計合理化、提高制造安裝檢修工藝水平、加強設備的整治和改造以及選擇合理的運行方式著手。

4.1 電站參數設計合理化

在電站設計階段應合理地選擇各種水頭，這是水輪機穩定運行所做工作的第一步。機組能否穩定運行主要決定于水輪機的水力設計，也與機組固有頻率和電站輸水系統頻率、廠房振動頻率等的設計匹配，以及水輪機特征水頭的選擇等密切相關，因此選擇合適的水輪機特征水頭，有利于水輪機的水力設計，同時要盡量避開各種頻率的共振區。

4.2 提高制造安裝檢修工藝水平

制造廠應在合理的范圍內盡量提高水輪機頂蓋、座環、主軸等主要部件的剛度、強度，同時應該提高水輪機的相應的配合尺寸的加工精度，例如提高粗糙度、橢圓度、同心度、水平度等的精度。安裝施工單位應從組織措施、管理措施、技術措施上來滿足機組的安裝質量在各種規程規范的質量要求范圍之內。檢修單位應精心組織，對運行中發現的問題有重點有針對地采用先進的工藝開展大修工作，做到該修必修，修必修好，汛期不臨檢的原則，嚴格把握好大修質量關。

4.3 加強設備的整治和改造

在加強設備運行生產管理的同時，生產運行管理單位應積極開展設備的整治和改造的工作，把一些小問題或尚處于萌芽期的問題及早發現及早處理，避免事態進一步擴大；對存在的較大問題應不回避、不忽視、積極主動地與上級主管單位、設計方、專家學者、大專院校、檢修運行工人溝通協商，尋找一些能真正解決問題的方法方式，通過整治和改造盡快使機組運行穩定性合理，避免事情擴大，造成更大的財力、物力、人力和毀滅性的損失。

4.4 選擇合理的運行方式

作為生產運行管理者應該全面掌握電站的運行數據，建立對機組狀態進行長期運行趨勢分析的機制，知道所管轄的機組的各種運行工況下的穩定性，制定出各種情況下的詳細運行方式，如汛期、平水期、枯水期、大修期、限負荷期等的運行方式，達到合理確定運行范圍或運行方式的目的。

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A

1672-5387（2010）02-0012-03

2010-01-26

黃漢云（1975-），男，工程師，從事水電站設備管理工作。