低水頭低負荷對水輪機影響分析

湯　鴻

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

低水頭低負荷對水輪機影響分析

湯鴻

（湖南五凌電力工程有限公司，湖南 長沙 410004）

摘要：白市水電廠自投產以來，機組長期處于低水頭、低負荷下運行。通過對此工況下轉輪的過流分析，重點對水輪機轉輪的空蝕及振動進行了探討，并結合白市水電廠現場實際運行情況進行了總結。

關鍵詞：水輪機；低水頭；低負荷；分析

1　概述

白市水電廠裝機3臺型號為HL(PO55)-LJ-630混流式水輪發電機組，單機容量140MW，總裝機容量420MW，電站于2013年4月投產發電，水庫蓄水采用分期蓄水方案，第一期蓄水至291m，第二期由291 m蓄水至正常蓄水300 m。一期蓄水至291m后，因二期蓄水條件暫不具備，庫水位不能超過291m。截止2014年6月，機組運行的上游0水位區間保持在EL.289.5~291m以內。

2　機組運行參數分析

2.1設計參數

正常蓄水位EL.300.0m

死水位EL.294.0m

機組導水機構中心高程247.5m

2.2實際運行參數

蓄水水位EL.289.5m～291.0m

尾水允許最低水位EL.247.7m（主機廠家核算）

根據水輪機特性曲線，上游水庫在291m水位左右運行時，機組最大出力約為額定出力的90%。在此水頭條件下，白市電站枯水期長期保持30MW單機負荷運行，豐水期滿發3臺機組，單機約120MW左右運行。

機組長期在低水頭、低負荷的運行狀況下對電站的出力、發電量及運行費用等水利綜合利用效益產生重大影響，更嚴重的是可能危及到電站設備的安全。

3　低水頭、低負荷對水輪機的影響分析

水輪機轉輪是氣蝕發生的典型部件，因此，對轉輪葉片進口、出口邊的水流分析，具有代表意義。另外，混流式水輪機轉輪的空蝕主要集中在葉片背面，如轉輪葉片出口邊多發的翼型氣蝕等，葉片背面空蝕性能的好壞直接反映轉輪空蝕的總體水平。

3.1低水頭、低負荷工況下混流式水輪機的氣蝕分析

就混流式水輪機而言，水流在轉輪中的運動，一方面是水流相對于轉輪葉片流動，即相對運動，另一方面隨轉輪運動，即圓周運動或牽引運動。轉輪中的水流的絕對運動可看成是這兩種運動的合成（見圖1）。

圖1速度矢量三角形

當水頭降低時，如果保持導葉開度不變（流量不變），轉輪出力減小，機組轉速不變，即1不變，絕對速度由1降到ν1。因此，水流相對速度由1變為1，水流和葉片間呈負沖角。如圖2所示。很明顯，此時1的方向角將比1的方向角減小，小于葉片的進口安放角，偏離了進口最優工況條件。此工況下葉片正面頭部將發生脫流現象，從而產生局部氣蝕。出口三角形中，2不變，2減小，2減小。2方向角由直角變成銳角，則2的

圖2進、出口速度三角形

不管是設計水頭或者低水頭下，由于流量減小，葉片出口相對速度將減小，水流對葉片正面的撞擊力也將減小，在氣蝕系數相同的情況下，葉片氣蝕損壞總量（背面和正面氣蝕損壞量之和），在局部范圍內是隨流量（負荷）減小而減小，即在局部范圍內氣蝕損壞與葉片出口水流速度成正比。

因此，混流式機組在設計水頭或低水頭工況下，流速（負荷）減小轉輪的氣蝕將減輕；在導葉開度一定情況下，隨著水頭的降低，氣蝕情況也將減輕。

3.2低水頭、低負荷工況下混流式水輪機的振動分析

圖3　葉片出口邊水流分析

此時水輪機的運行工作穩定性好，無力擺動，也沒有超出規范的振動、噪音和壓力脈動。在變工況尤其是低水頭、低負荷工況運行時，由于水流相對速度2方向不變，而數值減少為2，出口絕對速度出現較大的圓周分量U2。由于U2的存在，使水流在轉輪出口后產生旋轉，順著尾水管排向下游；U2越大，水流所受的離心力越大，沿半徑方向，半徑大水流壓力大，尾水管中心壓最小。這種旋轉產生的偏心螺旋形渦帶，其主要危害是引起低頻水力振動，如圖4。

圖4　尾水管渦帶示意圖

混流式水輪機尾水管渦帶產生的壓力脈動，其壓力脈動頻率接近機組的旋轉頻率，而引起機組和壓力管道的共振。這種管渦帶產生的壓力脈動也是造成這類機組振動和出力擺動的主要根源。尾水管壓力脈動值的大小，直接影響機組的安全穩定運行。尾水管內壓力脈動強度大小通常用壓力脈動雙振幅值與水頭之比來衡量，其中，△為壓力脈動雙振幅值（峰-峰值），為運行水頭，該參量即為相對值Δ／。

3.3低水頭、低負荷工況對機組出力、效率影響

2013年，白市水電廠機組枯水期長期保持30MW左右單機生態放水運行，豐水期單機約120MW左右運行，機組出力在50%以下效率為86.10%~88.88%，明顯小于機組額定工況下的效率；機組在80%負荷情況下，39m水頭下機組效率比額定水頭下效率稍小（表1）。

表1　水頭與效率關系表

低水頭、低負荷運行工況偏離設計工況較遠，水流流經葉片不再是“無撞擊進水，法向出流”流態，汽蝕破壞水流的連續性和流態水力損失增加，水輪機的出力和效率大為降低。

同一機組出力下，當水頭降低時，機組流量增加，耗水率隨之增加，圖5所示為白市水電廠水輪機特性曲線。

圖5　白市水電廠水輪機特性曲線

3.4白市水電廠設備工況分析

白市水電廠自2013年4月以來，在低水頭、低負荷條件下，3臺機組經歷了4次檢修，對轉輪上冠、下環、葉片、及頂蓋、導水系統等做了詳細檢查，未見明顯金屬缺陷，泄水錐和葉片正、背面均未發現空蝕，部分紅丹漆尚存。

白市水電廠低水頭、低負荷運行的金屬探傷檢查結果，也進一步說明了混流式水輪機在低水頭、低負荷下運行，轉輪的空蝕并不嚴重。通過對機組實際振動擺度的記錄統計，水輪機處大軸擺度及頂蓋振動良好，遠小于保證值。

但在此工況條件下，白市水電廠機組還是出現了如真空破壞閥損壞，主軸密封損壞，尾水管振動過大等缺陷。

3.4.1白市水電廠機組現場振動擺度統計

白市水電廠水輪機頂蓋振動值和水導軸承處大軸相對擺度及絕對擺度保證不大于表2數值。

表2　水輪機頂蓋振動及大軸擺度保證值

低水頭、低負荷運行工況下，白市水電廠水輪機處實際振動及擺度值測量見表3，由表3可見，低水頭、低負荷運行工況下，白市水電廠水輪機振動及大軸擺度均小于保證值，機組振動擺度情況良好。

表3　白市水電廠實際運行水輪機振動擺度記錄

3.4.2尾水管振動

前面分析的結果說明，由于機組在低水頭、低負荷下運行，偏離了額定工況，在尾水管內旋轉水流產生了周期性偏心的低壓水管壁面，導致了周期性的水力振動的產生。人孔門處觀測到尾水管有明顯振感及響聲。

3.4.3真空破壞閥損壞

在低水頭、低負荷運行工況下，白市水電廠真空破壞閥動作更為頻繁，3號機2013年9月，真空破壞閥閥瓣固定螺栓斷裂掉落，已進行更換。其余2臺機組出現真空破壞閥閥瓣密封件損壞情況。

混流式機組在低水頭、低負荷運行工況下，應重點加強振動監測，在威脅到機組安全穩定時，通過科學認證，可在尾水管直錐段設置導流柵,分割真空渦

帶,減輕空腔汽蝕的破壞。并針對真空破壞閥損壞，尤其針對閥瓣密封損壞，除適當調整真空破壞閥彈簧動作壓力外，更換閥瓣密封材質，更換成耐磨、耐沖擊的帆布橡膠，以減少真空破壞閥損壞及漏水風險。

4　結語

就混流式機組而言，在低水頭、低負荷的工況下，結合白市水電廠的金屬監督檢驗結果，表明轉輪的氣蝕情況是較輕的，參照現場實測振動數據，在低水頭的工況下，機組運行振動擺度等數據良好，但在此工況下應重點對尾水管直錐段、真空破壞閥的動作監測。

不管是新建電站或已建電站，由于自身發電條件的影響或外加網荷的限制，水電站低水頭、低負荷的運行工況是較普遍的。因此，針對此工況下混流式機組的安全、穩定、效率等綜合因素，有必要作進一步深化研究。

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中圖分類號：TK730.7

文獻標識碼：A

文章編號：1672-5387（2015）08-0001-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.001

收稿日期：2015-05-04

作者簡介：湯鴻（1987－），男，工程師，從事水電廠維護工作。