影響水輪發電機運行的因素分析

摘 要：水輪發電機對于我國的水力發電至關重要，在實際運行中，水輪發電機的運行會受到多種干擾因素的影響。為了我國電力生產的安全進行和確保供電安全，我們必須對影響水輪發電機安全運行的因素進行分析，探索如何對我國的水輪發電機進行保護。文章基于我國水力發電的現狀，對影響水輪發電機運行的因素進行分析，探討如何對水輪發電機進行保護，確保我國的供電安全。

關鍵詞：水輪發電機；安全運行；影響因素；保護措施

前言

我國的水力資源豐富，天然具有水力發電的條件。三峽大壩的建成，標志著我國的水力發電進入了一個新的階段。水輪發電機是指以水輪機為原動機，利用水能的機械能，帶動水輪機的轉軸，進而使發電機的轉子進行機械運動，從而產生電能的一種機械。在實際運用中，由于受到泥沙、水生物等多方面的影響，會發生一些故障，這需要我們對這些影響因素進行深入的分析，保障發電機的安全運轉。

1 水輪發電機的運行特點

目前，我國的水輪發電機發展趨勢是大容量、高比速，結構越來越復雜，運行的安全變量也就相對增加。水輪發電機的運行狀態主要分為穩定運行狀態和過渡過程運行狀態兩種。過渡過程運行狀態是指發電機沒有在最佳工作狀態下運行，是開機、負荷調節、停機、調相等一系列工作轉化中必不可少和不可避免的過渡階段。這一時期，調速器會控制導葉開合的大小，以保障水輪發電機迅速脫離這種運行狀態，達到最佳的工作狀態；穩定運行狀態是指水輪發電機的各項運行參數盡在極小幅度下進行擺動，安全平穩地進行發電工作。在這一階段，參數的變化會對水輪發電機造成很大的影響，當水輪發電機的不穩定狀態到達了一定的程度，就會引起水輪機的部件產生裂紋，或者是發生斷裂現象，不僅影響發電廠的發電工作，也會給國家造成重大的損失[1]。

2 水輪發電機運行的影響因素

水輪發電機的安全運行主要受到以下幾個方面的影響：設計安裝、機械振動、水力振動、人員操作失誤等。

2.1 設計方面的問題

在設計方面，水輪發電機主要進行水力設計。在水輪發電機處于穩定運行狀態的時候，轉輪出口的水流應近法向流出，這種狀態會造成轉輪出水口的水流不能旋轉。當水輪發電機處于過渡過程運行階段，轉輪的出水口就會在水管尾部形成環流，促使水管產生低頻的壓力脈動，引起水輪發電機的振動和功率前后擺動[2]。由于水流變化復雜，很難對各種工況進行預測，當水輪發電機的運行脫離了設計工況的時候，轉輪葉片的進口和出口就會形成脫流，對機器造成一定程度的損害。最嚴重的水利設計問題是繞流翼型尾部就會產生卡門漩渦，這會引起輪葉的強制振動，當強迫振動到達一定的程度就會引起葉片的裂紋，甚至發生斷裂的事故。

2.2 機械振動方面的影響

水輪發電機振動的類型是多種多樣的。當水輪發電機處于空載、低負荷或者是超負荷、大流量的運行狀態時，既要承受水流的壓力影響，又要承受壓力脈動和擾動引起的動態荷載，在這種情況下，水輪發電機就會產生強烈的振動；還有一種情況是水輪機運行參數發生變化時，轉輪出口水流就會形成旋轉圓周分速度，轉輪下方靠近尾部軸線的區域就會出現比較大的真空區域，當真空區域到達一定的程度就會產生空腔氣蝕造成漩渦帶的形成，漩渦圍繞尾管軸線進行不規則的旋轉，就會引起水輪發電機的振動，造成機械的破壞；水力不平衡也會造成壓力脈動。流入轉輪的水流經常會失去軸對稱力，就會產生不平衡的橫向力，轉輪旋轉就會受到影響，導葉與轉輪間的流動就會互相干擾，導葉開度不均，引起轉輪的壓力分布不均，造成了轉輪的振動。

2.3 安裝方面的影響

在設備的安裝方面，材料的質量、機械參數的標準、安裝的工藝水平都會對水輪發電機的安全運行造成影響[3]。這方面的問題，有一些經過測驗當場就能發現出來，而有一些在經過一段時間的運行才會有所顯現。比如，水輪機在運行過程中經常發生的轉動部分與固定部分間隙不均勻而產生的壓力脈動就是因為在安裝過程中迷宮環間隙不均勻所造成的。在開始階段，出現不均勻的間隙，在運行和過程中，小間隙就會產生側向推力，造成機組或者是軸承的振動，這種振動會進一步造成間隙的擴大，并損害水輪發電機。當這種振動與機組的軸系零部件本身的振動頻率相結合的時候，就會發生共振，激發出超過正常側向力3-5倍的水動力。水動力可以引起軸以振幅為半徑的弓狀回旋，轉變輪的幾何中心與旋轉中心不能重合，就會產生物理離心力，進一步擴大振幅，導致水輪發電機的劇烈震動，被迫停機。

3 如何保證水輪發電機的安全運行

首先，在水輪發電機的設計方面，我們要總結以往的經驗，進行大量的流體動力學計算分析和模型試驗，對導葉、轉輪和泄水錐進行優化設計，避免發生卡門漩渦，減少尾水管的軸偏心漩渦，把尾水管的壓力脈動控制在一定范圍之內；其次，我們要對所選機械和零部件進行嚴格的質量把關，安裝過程中對工藝進行嚴格的管理與監控，落實責任制。在日常的維護中也要有所注意，如果導葉和轉輪因為氣蝕和磨蝕導致一定程度的損害，要及時地進行修復，補焊的時候還要注意是否發生了變形，型線是否與樣板重合，如果不重合需要進行修磨；最后，對于人員的管理也是維持水輪發電機良好運行的重要手段。因為人員問題導致水輪發電機損害的事例不在少數[4]。首先，應確保水輪發電機在設計負荷下運行，一旦超負荷就需要人員進行及時的調整。這一點需要我們制定良好的規章制度和績效考察制度來實現。

4 結束語

水力發電作為一種綠色能源越來越受到國家的重視，提高水輪發電機安全運行是我國水電站在今后的一項重要工作。解決這一問題的根本方法還是在于科技的進步，研制更好的機械材料和制作工藝。我們應該在平時工作中加大這一方面的研究力度，促進我國水利發電的發展。

參考文獻

[1]郭長光.雙饋水輪發電機通風槽鋼對電機內流體流動的影響研究[D].哈爾濱理工大學，2014.

[2]張侃君.特大型水輪發電機保護系統及其動模試驗新技術[D].華中科技大學，2008.

[3]閻宗國.基于動載荷識別和數值計算的水輪發電機組穩定性研究[D].中國農業大學，2013.

[4]范鎮南.基于電磁場與溫度場計算的貫流式水輪發電機阻尼系統損耗發熱研究[D].重慶大學，2007.