水輪發電機組穩定性研究

張會明

黃河上游水電開發有限責任公司隴電分公司鹽鍋峽運行分部

近年來，水力發電領域進入了新的突破時期。隨著三峽等大型工程的投入使用，水電占電力生產的比重逐漸加大。然而實際生產過程中，由于許多電站使用了超大型水輪發電機，尺寸的增大也帶來了許多問題：盡管在設計之初，已經使用了現代流體當面的模擬仿真方法進行計算、制造過程也嚴格把關了材料的質量，加工過程嚴格而精確，但過大的體積必然導致不穩定工況的增多，振動加大、壓力脈沖難控都是典型問題，有些設備甚至使用不久便出現裂紋。尤其是設備采用高水頭設計時，水輪機組的振動更為劇烈。本文試圖通過對造成水輪機不穩定的原因進行探討，從而對提高其穩定性提供合理的思路。

保障水輪發電機組穩定性的意義

相比起煤等發電等途徑，水在環保、重復利用率方面優勢巨大。然而我國水力發電占總量依然不到20%，對水力資源的利用率依然很低。故而水電依然處于可大力發展的成長期。

水輪發電機可以把水運動時具有的勢能和動能經過電磁感應轉化為電能，為發整個工作得以實現的直接載體。作為關鍵設備，其工作是否穩定關系到整個廠區工作的效率與成敗。除單機工作穩定外，還需要對機組共同運行時的穩定性和葉片的裂紋問題進行分析，以減少隱患。

影響水輪發電機組穩定性的因素及要求

自20 世紀50 年代以來，對水輪機穩定性的探究基本集中在三點：

①電磁，主要是設計制造過程中電機轉磁場方面設計的參數誤差和不平衡所致。電機轉子的圓度誤差、所留間隙的具體大小都將直接影響到運行的穩定。

②制造安裝誤差，主要是在加工方面，由于大型設備通常采用分段制造運輸再在工作場地組裝的方式，標準的不統一、安裝的誤差等都有可能造成轉子重量等與設計參數存在偏差。不平衡的機構在運行時必然導致作用力不均而振動。對小型設備而言，整機整體制造可以大大減小安裝等方面的誤差，但制造精度難以保證。

③水力，是影響穩定的最主要因素，包括尾水的壓力脈動、水輪機轉輪的壓力脈動、尾渦的紊流、蝸殼鼻端與轉輪葉片相互作用引起的振動、流到的非對稱性引起的振動、軸流式機組的狹縫射流、氣蝕引起的振動、運行方式引起的振動等。由于水力條件的復雜性，其產生的不穩定因素種類也最多，最難以控制。故水力方面是否穩定是全部工作流程良好的關鍵。

在長期的實踐過程中，通過研究總結出了保證水輪機穩定的幾項要求：

壓力，尤其是尾水管的脈動，需要控制在合理范圍內，必須抑制高負荷壓力脈動的產生；①抑制渦流，特別是葉片和水分離處附近；②葉片進口邊負壓面初生空化線和正壓面初生空化線不能進入水輪機長期連續安全穩定運行范圍內。

對穩定性研究的方法

水輪機的工況受到制造加工、水力條件、電磁參數等多個領域的作用。目前，針對穩定性的考量，基本采用三個參數：振動，主要指水輪機整體和各部件相對位置發生的偏移程度；①擺度，通過考察機體軸線在往復運動中的振幅二得到②脈動，是衡量流經機器內流體壓力的指標。

在這三項指標里，振動為衡量穩定性的最重要考慮對象。它可以分為常見振動與異常振動，常見振動可以通過減小激振力和增加水輪機部件的剛度來減弱，異常振動是由于環境條件及偶然誤差造成的，可以通過調節來避免。

在現代理論水平上，對振動的研究通常使用有限元法，結合水輪機軸系振動的研究，分析軸系的振動參數，并根據各變量間關系來推算不同調節下的振動規律。

對水輪機振動的衡量，可以采用移和速度兩種方式。在實際運行中，水輪機的振動以轉速來分級分析，通常以300 轉/min 作為分界點，低于300 主要用位移考量，高于300 則采用速度分析。

設計制造時提高穩定性

水頭參數設計的合理性

在設計過程中，應使水頭保持在合理的范圍內，從而減小水輪機的振動的幅度，抑制裂紋的產生，達到提高整機穩定性的目的。此外，還應在確定葉片負荷合理的條件下，使其負荷區域在穩定數值范圍。總而言之，水頭要穩定。

水力方面的合理性

為了保證水輪機工作的穩定性，必須使機體在運行過程中的強度達標，除了材料的選擇外，比轉速也會對強度產生作用。正常條件下，不要選用過高比轉速。還需嚴格控制導葉的相對高度，不能過高。此外，流量過大也會使穩定性變差。

①抑制葉道渦，根據水頭的不同，選擇合理的水管中的壓力脈動來實現。

②合理選擇轉輪的形狀、參數，在剛度達標的前提下，盡量通過合理的形狀與尺寸來適應水頭、負荷的變化。

優化轉輪的設計

水輪機需要足夠的剛度和強度才能保證運行的可靠，轉輪部分更是有著更多限制條件。葉片部分受到的應力不能過大，出水邊由于受到的應力最大，應該采用加粗的方法。加工過程中，還應該注意止漏環和泄水錐與相關部件的配套。

此外，由于共振對機體的傷害最大，故而需要使各部件的固有頻率合理，還需進行水動力分析，得到水邊卡門渦的參數，使其頻率不與機體頻率相近。

工作過程中的控制

在傳統水電站運行管理中，由于難以對機組的振動進行實時監控分析，發生故障也難以迅速找到原因，故而定期檢修和停機成為常態。近年來，隨著電子技術、信號技術及建模能提的提升，對機組振動的實時監控成為可能。

除了進行檢測和故障識別外，還需進行穩定性分析和實驗。通過實驗明確該工作條件下機組的運行狀態及影響穩定性的主要成因，并估算工作可靠的時間范圍和故障可能發生的區域，提早做到預防工作；此外，還需把具體的運行狀態和設計的理想條件相對比，使設計更為有效。

總述

水輪發電機，其穩定性主要受到加工、電磁、水力三方面的影響，其中水力條件為關鍵。針對穩定性的分析主要采用有限元及建模的方式，主要考慮振動的影響。為提高穩定性，設計過程中應把握好各參數，運行過程中改善監控、調節的方式為重點。