淺談低水頭運行對機組穩定性的影響

李 鋒，何繼全，陳 瑞，趙 強

（1.貴州北盤江電力股份有限公司董箐發電廠，貴州省貞豐縣 562200；2.北京中元瑞訊科技有限公司，北京市 100085；3.國網新源控股有限公司技術中心，北京市 100161）

1 前言

隨著水電事業突飛猛進的發展，機組運行穩定性也越來越得到了大家的關注，特別是機組非設計工況下（系指機組在低水頭、低負荷、超水頭、超負荷等工況運行下）的穩定性問題，至今都是運行部門需要解決的棘手問題。對于水力發電廠，在汛期的尾期或是枯水期，由于水位的降低，機組逐漸遠離最優工況運行，進入低水頭運行，此時如果機組穩定性出現問題，無法正常發電，那么就會嚴重影響電廠的經濟效益，也會影響電網的安全產生影響，因此從經濟效益的角度看，關注低水頭大負荷或超負荷機組的運行的穩定性也是非常有價值的。

2 水頭對機組穩定性的重要性

效率、空化和穩定性是現代水輪機的三大指標。機組穩定性是一切指標的前提，因此當今很多混流式機組水輪機在選型時都把穩定性放在首位。

轉輪的水力設計是水輪機運行穩定的關鍵。水頭作為轉輪設計的重要參數，對于水輪機運行的穩定性有著重要的影響[1][3]。混流式水輪機有兩個特征水頭與它的水力穩定性密切相關，分別為設計水頭和額定水頭[1]。

設計水頭下的水輪機性能為一個型號水輪機的代表性性能和最優性能。水輪機其他水頭下的性能及其變化都以設計水頭下的性能作參照，水輪機的水力穩定性也是如此。渦帶壓力脈動的基本幅值和特性就取決于水輪機的設計水頭，當水輪機的運行水頭偏離設計水頭較遠時，渦帶壓力脈動的最大幅值也會隨之發生變化，因此在低水頭運行時就會容易產生穩定性的問題[1][2]。

水輪機額定水頭是人為確定的，他決定了水輪機導葉的最大開度（100%，可能留有裕量），因而決定了各個水頭下水輪機出力與導葉開度的關系，由此決定了轉輪和尾水管中水流的流態。水流流態的變化在相當程度上決定了異常壓力脈動出現的條件，因此對于機組的穩定運行也有著重要的影響[1]。

3 低水頭運行對機組穩定性的影響

水電機組穩定性是隨水電機組運行工況而變化的，即隨水電機組的運行水頭、流量和運行負荷的變化而變化。當水電機組的運行水頭一定時，水力穩定性是隨著水電機組流量和負荷而變化的；在同樣的負荷下，水力穩定性將因工作水頭不同而變化，因此，受運行工況的影響較大[1]。

機組在低水頭滿負荷或超負荷運行時，由于工作水頭的降低，導致流過機組過流部件的流速降低，因此往往機組最大開度或接近最大開度運行，即機組運行在5%出力限制線附近，由于水流特性的不穩定性和復雜性，出現運行異常影響機組穩定運行的幾率也就增大很多。在超過最優工況后，隨開度的繼續增大，轉輪進口水流具有越來越大的負沖角。當負沖角超過一定值時，就會在葉片進口邊的背面產生水流沖擊，在葉片進口邊的正面產生脫流、空化，繼而產生次生水沖擊，對機組穩定運行產生嚴重影響[1][2]。

模型試驗是獲取水輪機運行特性的主要方法，通過模型試驗通常會給出水輪機運轉的邊界條件，但由于在實際的加工安裝過程中，以及實際的水力條件均與試驗條件存在或多或少的偏差，因此從模型試驗獲得的邊界與機組穩定運行的邊界條件就會產生一定的差異，對于機組在低水頭運行的穩定性問題，由于就是運行在邊界條件附近，因此需要從以下幾點給予足夠的重視：

（1）加工、制造、安裝過程中產生的差異會導致水輪機穩定運行的邊界條件出現細小的差別，這就會出現同一電廠，同一型號的轉輪，同時在低水頭運行時，不同的機組表現出來的穩定性存在不同。隨著水電技術的發展，加工制造過程的誤差控制已經基本可以滿足現場實際的使用，因此安裝過程中產生的誤差成為目前產生低水頭運行不穩定的主要因素之一。安裝過程中轉動部分與固定部分的不同心，梳齒密封、主軸密封等間隙的不均勻都會對機組穩定運行產生影響，嚴重時還會產生機組的自激振動。

（2）機組多年運行后，由于受到流沙磨損、水體腐蝕、空蝕等影響，會導致水輪機水流特性發生變化，也會導致穩定性運行邊界條件發生變化，就會出現低水頭運行穩定性問題。這種問題在水質較差的現場，如黃河流域，由于水流中泥沙含量較大，導致轉輪磨損嚴重，這種問題會更為突出些[1]。

（3）周邊水力環境的變化，導致電站上下游水位發生變化，因此機組穩定性運行邊界條件發生變化，就會容易出現低水頭運行穩定性問題。這種現象在實際情況中又有兩種表象，一種是由于自身水質導致的，如黃河流域的電站，由于下游側泥沙堆積，很容易導致機組尾水位的變化，改變機組吸出高程，產生機組低水頭運行的穩定性問題，為此需要定期對尾水的泥沙進行清理，但這種情況僅局限少數流域；另一種可能更具代表性的現象是流域梯級電站的建立，導致流域電站間的水位間產生影響，下一級電站的上庫水位對上一級電站的下游水位產生影響。隨著我國水電事業的快速發展，梯級電站的規劃已成為常態，因此由于這種梯級電站引起的水力特性變化導致的機組運行不穩定問題也就凸顯了出來。

4 實際案例分析

董箐發電廠為北盤江干流規劃梯級的第三級電站，裝機容量880MW（4×220MW），大壩正常蓄水位為490m，死水位為483m，水輪機由ALSTOM設計，型號為HLF195A1-LJ-455，額定水頭108m，最高水頭124.5m，最低水頭106m。在2017年9月，機組在低水頭運行出現了穩定性異常狀況，具體情況如下：

由于下游梯級電站龍灘水電站開始蓄水，導致電站下游水位達到了歷史同期的最高點，達到374.8m，較歷史同期高出將近1m，而同時由于上游來水量減少，上庫水位降到了同期最低，為485.4m，較歷史同期低了1m左右，導致機組實際運行水頭是歷史最低，在這種水力條件下，4臺機組同時滿發運行時，2、4號機組同時出現了運行穩定性問題，由北京中元瑞訊科技有限公司提供的GMH550在線監測系統頻繁輸出頂蓋垂直振動和下機架垂直振動報警信號。

圖1 振擺/壓力脈動幅值隨負荷變化圖Fig.1 Correlogram of displacement/pressure fluctuation and unit load

從圖1可以看出機組在負荷超過218MW運行后，機組的頂蓋垂直振動，下機架垂直振動和導葉出口壓力脈動幅值急劇增大，增幅達到10倍以上（2、4號機組情況相似，這里僅以2號機組數據為示例說明）。

從圖2和圖3可以看出，引起機組運行不穩定的頻率是0.5625X的低頻信號，而這個頻率力來源于導葉出水邊至轉輪進水邊的巨大的壓力脈動，其幅值高達215kPa。產生此現象的原因正是由于機組在低水頭運行時，由于機組遠離最優工況，隨著導葉開度的增加，轉輪進口水流具有越來越大的負沖角，在滿負荷運行時，水流在轉輪進口處產生的巨大的反沖，由此在導葉出水邊至轉輪進水邊產生巨大的壓力脈動，在此壓力脈動作用下，機組受到了明顯軸向的水力沖擊，因此造成了頂蓋垂直振動和下機架垂直振動幅值的突增。

圖2 振擺/壓力脈動時域波形圖Fig.2 Displacement/pressure fluctuation waveform

圖3 振擺/壓力脈動階次比圖Fig.3 Displacement/pressure fluctuation order spectrum

同樣的轉輪型號，同樣的水力工況，在相同的負荷下運行時，2、4號機組出現了明顯的穩定性異常現象，但1、3號機組卻并未出現此情況，產生這種現象的原因就是因為加工、制造、安裝過程中的差異，導致水輪機穩定運行的邊界有差別，因此在低水頭大負荷穩定性邊界運行時，就會產生了同種型號機組穩定性運行出現差異的情況了。

5 結束語

低水頭、大負荷是機組在穩定性邊界運行的一種特殊工況，其運行的穩定性關乎電廠的經濟效益。由于水力特性的不確定性和變化性，其穩定運行的條件也是變化的，密切關注水力環境的變化，掌握機組運行規律，合理規劃機組運行工況，才能做到在確保機組在穩定運行的前提下，實現機組運營效益的最大化。