水電站水輪機穩定運行技術措施分析

周國洪

（浙江省磐安縣五丈巖水庫管理處 浙江 磐安 322312）

1 水電站運行概況

臨江二級水電站位于云南省，距市區約15km。該水電站以發電為主，同時具有灌溉等綜合功能，水庫總庫容量為0.9億m3，是低水頭的河床式水電站。其設計裝機容量為10MW，多年的平均發電量為6000萬kW·h。設計年利用小時數為4880 h(實際為5000 h～6000 h)。表1為水電站的主要參數。

2 水電站運行過程中存在的主要技術故障

2.1 磨蝕故障

該水電站處于臨江上游，在實際的運行過程中，水輪機磨蝕故障問題難以避免，容易導致包括轉輪、導水機構在內的流道部件破壞，在機組檢修過程中主要對該類問題予以解決。該水電站在汛期河流中的含沙量較大、水頭變幅明顯，所以在機組設計、水輪機制造、正常運行過程中，應該通過合理選擇水輪機參數、優化水力設計、采用抗磨蝕材料等方式最大限度的減少磨蝕影響，形成一整套行之有效的抗磨蝕運行技術。

2.2 轉輪葉片出現裂紋

運行時，水輪機的轉輪上出現了問題，就是出水邊接近上冠處出現了裂紋，長約100mm～400mm。而且裂紋絕大部分在整個端面上，貫穿著整個端面。這些裂紋的形狀均有相似之處，裂縫的起點都是從葉片負壓側和出水端的交線處開始，和上冠的距離大約在50mm。而且起始端和葉片的出水邊相垂直，之后按照不規則的拋物線形式朝著葉片中心延伸，同時還在其尾部逐漸擴展為樹枝形狀。

圖1 葉片出水邊裂紋

2.3 水輪機調速故障

該水輪機組采用Y WT型調速器進行調速。整個調速系統單獨設置1面控制柜，其中配備了主用和備用兩套電氣調速器系統進行控制。通常，在水輪機組運行過程中，主要由調速系統調節及控制整個機組，一旦主用系統存在故障，就能夠自動切換至備用調速系統。在實際運作之時，所用的電器調速系統同樣也具備手動控制功能。并且，主用調速系統使用了電氣P T的測頻方式，備用的系統在測速上使用了齒盤測速的方式。水電站的水輪機組在十多年的運行過程中發生的故障問題，主要包括下面幾種：

表1 水電站相關參數

(1)在剛剛開始投產運行時，機組的調速柜上調速系統中外部開關就發出指令，這個指令是由計算機監控系統中L C U單元來實現的，但監控系統中L C U單元上的電源消失后，其開機指令回路就會撤消自保護狀態，造成調速系統上的開機指令失掉，而關閉了機組導葉，就會出現機組溜負荷的問題。

(2)當調速系統的電調速柜在投入運行初期，其主要電氣調節器的工作電源是由外部的A C 220 V電源供給的，而備用的電氣調節器及其對應的控制回路則是由外部的D C 220 V電源供電。一般運行中調速電氣柜運行在電氣的調節器上，一旦外部所提供交流電出現了波動，必然會造成失電，就會自動轉換到備用調節器上去，在一定程度上降低了調速器的可靠性。

(3)備用電氣調速系統存在測頻故障問題，降低了電氣調速器備用率。由于調速設備采用齒盤測頻的方式進行測頻。在齒盤測速傳感設備與大軸齒的間隙發生變化、測速傳感設備被污染、測速傳感設備出現故障時，都將導致備用電氣調速設備出現事故，使其不能正常工作，不能發揮備用作用，備用可靠性下降。

(4)在實際運行過程中，另一個主要故障就是主配位置上所安裝的傳感器發生故障，具體表現為：傳感器的反饋超出量程，使得主用以及備用調速設備出現主事故，造成機組不能正常開導葉。

3 水電站水輪機穩定運行技術措施

3.1 提高水輪機組的抗磨蝕運行技術

3.1.1 合理進行水力設計，提高機組水力性能

對于軸流式水輪機組，水輪機組的導葉出口到轉輪葉片的進口，屬于一段水流相對復雜的區域。導葉出口處，水流在出口下端與底環之間構成的楔形區域存在脫流現象。另外，在導葉出口邊的水流還存在相對紊亂的脫流漩渦。同時，水流在這些部位還需要轉彎，若轉輪的底環型線設計不合理，將會在其上環形成脫流漩渦，導致在該部位出現空蝕破壞問題。因此，在水力設計過程中，經過計算，將導葉的分布圓直徑增加至1.2 D1，同時對流道進行優化設計，將水輪機的蝸殼包角增加至225°。

在設計過程中，可以采用有限元方法進行分析計算，將轉輪輪轂比調至0.43，其對應的空蝕系數也調整至0.465，使得水輪機轉輪室的空蝕裕量明顯增加。同時，在水力設計過程中，通過對固定、活動導葉，雙排葉柵損失等進行計算，葉片局部修型等方式，對過流部件、轉輪等進行合理優化，最大限度的降低了水力磨蝕，使得空蝕發生概率下降，最終達到優化機組水利設計、保證機組運行穩定的目的。

3.1.2 優化水輪機結構，優選抗磨蝕材料

為了有效提高水輪機的抗磨蝕能力，在結構設計過程中有必要采取對應的抗磨蝕措施，以達到延長水輪機抗磨蝕壽命的目的。

圖2 抗磨板環形凸臺

（1）導水結構的優化。在底環以及頂蓋的過流面設置抗磨板，對于活動導葉上下斷面、進出水邊等采用不銹鋼型材進行加工。其中，選擇45號鋼作為頂蓋的抗磨板。由于底環表面在運行過程中更容易磨損，因此選擇抗磨性能良好的高分子聚乙烯作為抗磨板，使其抗磨性能較不銹鋼材料提高了9倍左右。同時，該材料還具有很強的韌性，硬度低，加工性能良好。在使用該種材料之后，導葉端面密封時，可以采用直接在抗磨平面上加工凸臺的方式進行，結構簡單、有效。

（2）連接結構的優化。水輪機在運行過程中要經常檢修，而部分連接部位的螺栓頭部在運行過程中容易出現磨蝕問題，導致其難以拆卸。因此在水力設計過程中，為了提高抗磨板部位連接螺栓頭部的抗磨蝕性能，避免由于磨蝕導致的拆卸困難，可以采A、B兩種形式的螺栓頭蓋帽。其中，A型蓋帽用于六角螺栓，空間面積較大；而B型蓋帽則適合于圓柱頭、內六角螺釘，空間占用較小。在安裝過程中，可以在蓋帽螺絲上涂抹膠水，提高連接的緊固程度，如圖3所示。

圖3 抗磨板的連接安裝

3.2 調速故障處理措施

3.2.1 對電氣調速柜的外部開機令予以改造

在改造過程中，將開機令的自保持回路從之前的計算機監控調整為在電氣調速柜內自保持的方式。完成改造后，一旦計算機上的監控系統發出了脈沖指令繼電器動作，電氣調速柜中的R 0開機令回路將由其常開點實施自保持。在這種環境下，就是L C U單元出現了失電，也不可能影響到R 0開機令回路復位。在實際運行中，一旦改造后，就不會出現由于調速設備故障導致的導葉全關故障。其中，電氣調速柜調節設備電氣結構圖，如圖4所示。

圖4 電氣調速柜系統開機令回路改造前后電氣圖示

3.2.2 調速電源模塊改造

為了提高調速電氣系統工作的可靠性，可以在調速柜中增加設置一套電源模塊，將外部輸入的A C 220 V、D C 220 V電源作為調速柜的輸入，然后輸出一路A C 220 V電源作為主用電氣調速系統的工作電源。

3.2.3 電氣調速系統測頻設備的運行技術措施

針對機組運行過程中的測頻故障問題，可以通過檢測測速傳感設備與大軸齒之間的間隙、清理測速傳感設備等方式來解決。由于該故障在整個水電站工作之時較為多發，所以日常檢修中，必須要對安裝齒盤測速傳感器的可靠性、大軸齒與傳感設備的間隙變化等進行檢查，提高電氣調速設備運行的可靠性。

3.2.4 合理選擇反饋傳感器

水電站調速系統的主配運行反饋傳感器通常是位移傳感器，在運行過程中容易出現反饋電流值超出上下限，造成電氣調速設備出現主事故，導致主配停止、導葉不開的問題。分析其原因，可能是在機組的日常啟動運行過程中，現場存在較大振動，導致主配傳感設備出現故障。因此，在反饋傳感器選型以及更換過程中，應該選擇結構可靠的傳感器。

4 結語

水輪機組是水電站的關鍵設備，由于其制造精密、運行水力環境復雜等原因，在日常運行過程中，必須采用對應的措施保證其處于穩定高效的運行狀態。磨蝕和調速故障是運行過程中的兩個主要故障，在運行過程中應該予以重點關注。

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