淺析水輪機的運行過程

摘要：隨著電力系統容量的不斷增大，水電機組尺寸和容量在不斷增大，轉速得到了提高，這就使得機組的運行穩定性成為電站機組設計、制造、安裝和運行中極為關注的問題。文章介紹了水輪機運行過程中可能影響到機組運行穩定性的過渡過程，水力機組在運行中的空蝕破壞、泥沙磨損問題和相應的解決措施及能夠有效提高水輪機運行性能的認識。

關鍵詞：水輪機；運行穩定性；過渡過程；空蝕破壞；泥沙磨損 文獻標識碼：A

中圖分類號：TK733 文章編號：1009-2374（2016）18-0124-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.061

水能是目前公認最經濟的一次能源，而水力發電則被認為是電能轉換方式中最為經濟的一種。水電具有獨特的優越性，與火電相比，水電的運行成本低；與核電相比，水電的安全性高且發電投資省。同時，水力機組的高速動性、運轉靈活性、在偏離設計工況運行時也能具有較高的運行效率等，使它成為電力系統最可靠的事故備用、負荷備用、承擔調峰填谷任務等的不二之選。因此，水力發電在參與電力系統運行時，占據一個十分獨特的地位，并且隨著電力系統容量的不斷增大，這種獨特優勢會越來越顯著。

水輪機是水電站不可或缺的動力設備之一，是用來生產電能的水利原動機。水流在經過水輪機后將自身所蘊藏的能量轉換成旋轉的機械能，然后旋轉的機械能通過電動機后將轉換為電能，之后送至電網供給給用戶。由此可見，水輪機的運行性能好壞，直接關系到水電站發出的電能的質量，甚至影響到整個電力系統運行的技術經濟水平。要提高水輪機的運行性能，就要先了解水力機組的各種過渡過程，進而知道在這各種過渡過程中水輪機內部水流特性和外部機械特性的變化規律以及對水輪機工作性能的影響。再以此為基礎，讓這些過程得到合理的控制，來保證水輪機可能出現的不穩定工作狀態的安全，繼而改善過渡過程中水輪機及其零部件的工作條件，提高機組的運行質量。

水輪機過渡過程是一種瞬變過程，它是指水輪機由一種工作狀態轉向另一種工作狀態但兩者的工況性質完全不同的過程。當水電站的運行工況改變時，水力過渡過程就會發生。大致分為機組啟動過渡過程，機組增、減負荷過渡過程，機組甩負荷過渡過程和機組脫離飛逸過渡過程四類。

機組啟動過渡過程就是指在機組停止后從停機狀態開始轉動，繼而同步和并入電網的過程。研究這個過渡過程，是為了改善推力軸承的工作條件、縮短啟動時間并且為發電機的并網創造良好的同步條件。

以轉槳式水輪機啟動過渡過程為例，在給出機組啟動脈沖后，隨著導葉開度的逐漸增大，水輪機轉輪的輸功率矩也逐漸增大，當該力矩超過摩擦力矩時，水輪機就開始轉動。軸向水推力的變化特點與水輪機力矩的變化相同，在導葉開度不斷變大的過程中也在不斷增大。但兩者的最大值不同，水輪機力矩的最大值是在導葉處于啟動開度點時，而軸向水推力的最大值出現在水輪機的開始轉動點和導葉啟動開度點之間。若機組繼續增加轉速，則水輪機力矩和軸向水推力都會相應地減小。除此之外，隨導葉開度和流量而變化的還有包括水錘和水力損失在內的作用水頭的偏差值，當導葉開度增加，水輪機水頭降低，作用水頭的偏差值就成為負值。

水電機組在電力系統中運行時，可分為兩類的負荷變化：一類是從空載增加負荷到規定值或機組減負荷到零（空載），然后發電機脫離電網和停機（正常停機）；另一類是在既定的功率調整范圍內，機組改變負荷，即機組在允許的最小功率到額定功率范圍內的增、減負荷。

以轉槳式水輪機減負荷到零和停機時的過渡過程為例。在給出停機信號后，導葉關閉，過一段時間后，轉輪槳葉也開始關閉。轉輪槳葉的關閉時間一般比導葉的關閉時間長2～3倍，所以協聯關系在過渡過程內遭到破壞。機組與電網達到解列狀態，此時機組的功率接近于零，隨后水輪機的轉速開始下降，機組進入制動工況區。投入制動是在轉速下降到50%左右時開始作用使機組停機，機組轉速繼續下降，降低到某一值時，轉輪的槳葉轉角將增大到啟動安放角。在這個過程中，水輪機力矩的變化與軸向水推力的變化相似。水輪機力矩變化的開始點略微遲于導葉的開始關閉點，而軸向水推力和其初始值相比有暫時增大的現象。當機組從電網切除后，導葉繼續關閉，水輪機就進入制動工況區，此時的力矩變為負值，軸向水推力的方向向上。

當帶負荷的機組突然從電網脫離，隨后在自動調節系統的控制下機組轉為空載運行的過程稱為機組甩負荷過渡過程。在這個過程中，機組的轉速上升、壓力引水管道和蝸殼中的壓力上升等為變化的主要參數。

以轉槳式水輪機甩負荷過渡過程為例。當發電機從電網脫離時，轉速會迅速增高，導葉也會開始關閉。從時間角度來看，導水機構接力器所對應的全行程動作時間一般為8～16s，而葉片安放角需要30～60s才能從最大值變化到最小值。在導葉的關閉和葉片安放角不斷變小的過程中，流量也在逐漸變小。由于水錘的作用，水輪機水頭增加，力矩也會相應地有所變化，剛開始有所增大，最終會隨著導葉的關閉減小到零，而此時機組的轉速達到了最大值。機組進入制動工況區后，水輪機力矩變為負值，轉速降低，導葉打開，機組就處于空載運行狀態。在調節裝置的主要系統發生故障的情況下，機組甩負荷時就會出現飛逸工況。出現飛逸工況，對水輪機和發電機來說都是一種嚴重的事故。由于離心力、旋轉體質量不平衡等所引起的動力作用會使機組動負荷大大增加，并且轉速增加越多，動負荷也就越大，越難以控制。因此機組是不能在飛逸工況下長期運行的，一些專門的防飛逸保護裝置在電站中也是必須要配備的。

以軸流式水輪機采用事故配壓閥時脫離飛逸的過渡過程為例，當機組從電網脫離并調節系統發生故障后，機組就會處于飛逸狀態，此時水輪機軸向水推力和力矩都會減小。導葉接收到事故配壓閥的動作信號后，開始關閉，此時機組的轉速達到與轉速傳感器的整定值相對應。機組轉速繼續增加，當力矩等于零、軸向水推力變為負值時，轉速達到最大值，然后下降。在導葉全關后，機組轉速仍在下降，機組受到制動而正常停機，轉輪葉片轉到了啟動安放角的位置。

在水輪機運行過程中，還有許多問題等待解決，如通流部件特別是轉輪的空蝕破壞、水輪機的泥沙磨損等。這些問題都嚴重地影響著水輪機運行的穩定性。

從整個水輪機的發展歷史來看，空蝕是水輪機發展中的重大障礙之一。空蝕與水輪機通流部件中水流的速度有很大的關系。翼型空蝕發生在葉片表面，當轉輪中水流速度很高，葉片背面壓力很低時，就可能導致；間隙空蝕大多發生在轉輪與之耦合的靜止零件的間隙中；而旋渦空蝕是由于設計和制造的缺陷所引起的過流表面不平整，能夠誘發局部脫流。

研究表明，對于材料的損傷，主要由微觀水擊和液體介質對材料的電化學腐蝕作用疊加的結果。微觀水擊垂直于固體壁面的沖擊力有時可能會超過材料的屈服極限，致使其發生塑性形變；沖擊力較小時，也會由于高的作用頻率導致材料疲勞破壞。沖擊力在切向方向會促使金屬已遭破壞的局部松動或剝落。金屬的強烈電化學腐蝕也會伴隨在空蝕微觀沖擊的過程中，當材料遭受沖擊時，會將沖擊時所吸收的能量轉換為熱能，致使局部溫度升高，加快電化學腐蝕過程。

水輪機性能好壞的重要指標之一就是空蝕性能的好壞。要改善空蝕性能，就要從如下方面著手：設計水輪機轉輪時，在滿足功率要求的基本前提下，要保證具有較高的能量指標，要保證具有令人滿意的空蝕性能；通過往空蝕區域通入空氣可以達到降低空蝕破壞強度的目的；在過流表面采取防護措施或者選擇空蝕性能高的材料制作水輪機轉輪，是改善水輪機空蝕性能的有效辦法。除了有效地改善空蝕措施，還要對已發生空蝕的地區進行檢測和在線監測，運用靈敏的監測技術，使在空蝕初期就探測到破壞成為可能，為可靠診斷和優化檢修提供了大量數據。

我國大部分地區水土流失比較嚴重，河流中大量的泥沙導致水輪機的泥沙磨損問題尤為突出。泥沙磨損可使水輪機過流部件遭受不同程度的破壞，在流速較高的轉輪、導葉部件中破壞更為嚴重，有些破壞甚至無法修復。當高速的水流夾帶著泥沙撞擊固體表面時，大的沖擊應力可能超過材料的屈服極限而使材料發生塑性變形，小的沖擊應力由于頻率高會導致材料疲勞損壞。

針對我國實際情況，從設計到制造、運行，已經開展了大量的科學實驗與研究工作，取得了不少的經驗，也成功應用于很多水電站中，行之有效的方法大概為如下種類：在電站設計與水庫調度運行中，盡可能讓水輪機中減少泥沙的通過；改進水輪機的設計，選擇較低的單位轉速，減小過流速度；對易磨蝕部位，采用相應的磨蝕性能較好的材料或表面防護；合理運行與檢修，在泥沙較多時，不宜超負荷運行。

通過對前面所述問題的分析，在水電站所有的動力設備中，工作環境最為嚴酷的當屬水輪機。為了避免空蝕破壞、泥沙磨損等對水輪機造成的威脅，需要提高對水輪機運行穩定性的認識。

提高水輪機運行平穩性，可以盡可能將水頭變幅控制在平均水頭的30%～40%以內，合理選擇額定水頭，使額定水頭盡量靠近較高水頭，避免最高水頭的工況在偏離最優單位轉速較遠下運行。選擇穩定性能較好的負傾角也是個有效的辦法，高水頭電站宜選用長短葉片轉輪，中水頭電站宜選用葉片數較多的轉輪。另外，對額定工況點不能要求過高的效率，可能會導致機組穩定運行的負荷調節范圍變窄，這樣將使高水頭的部分負荷區處于不利的工況。提高運行平穩性的方法還有很多，但都要根據電站的實際情況來選擇最為適合的。

改善水輪機的運行性能，是提高水電站運行水平的關鍵之一。運行性能良好的水輪機具備較高的運行穩定性、靈活性、可靠性和經濟性，只有水輪機的運行性能處于良好狀態，水電站的經濟效益才能夠得到提升。

參考文獻

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作者簡介：王璐琰（1994-），女，河南汝州人，武漢大學動力與機械學院本科學生。

（責任編輯：小 燕）