簡論水力發(fā)電中的水輪發(fā)電機組穩(wěn)定策略

張永興

摘要：水輪發(fā)電機組作為水電站的核心設(shè)備，一旦不穩(wěn)定，就會影響水電站的綜合效益。本文闡述了水力發(fā)電中的水輪發(fā)電機組穩(wěn)定影響因素及其原因?qū)Σ吲c危害性，對水力發(fā)電中的水輪發(fā)電機組穩(wěn)定策略進行了論述分析。

關(guān)鍵詞：水力發(fā)電；水輪發(fā)電機組；穩(wěn)定；影響因素；策略

水力發(fā)電中的水輪發(fā)電機組不穩(wěn)定是電氣、機械、流體等多種原因引起，為了保障水能動力發(fā)電的安全運行，以下就水力發(fā)電中的水輪發(fā)電機組穩(wěn)定策略進行了探討分析。

一、水力發(fā)電中的水輪發(fā)電機組穩(wěn)定影響因素及其原因?qū)Σ叻治?/p>

（一）影響水輪發(fā)電機組穩(wěn)定的因素。主要表現(xiàn)為：（1）水力因素。水力不平衡引起的振動。卡門渦列引起的振動。尾水管渦帶引起的振動。尾水管中空腔壓力脈動。軸流式水輪機葉片振動，導葉開度的變化，當開度減小到一定程度，葉片表面脫流或空化引起葉片振動和機組振動，實際運行中須考慮這一問題。導葉數(shù)和轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)不匹配引起的壓力脈動。（2）電磁因素。發(fā)電機組氣隙不均勻；負序電流引起的反轉(zhuǎn)磁勢；定子不圓，機座合縫不好；定子鐵芯鐵片松動；轉(zhuǎn)子匝問短路。

（二）影響水輪發(fā)電機組穩(wěn)定的原因及其對策分析。（1）空載帶勵。其主要表現(xiàn)為振動強度隨勵磁電流增加而增大；逐漸降低定子端電壓，振動強度也隨之減小；在轉(zhuǎn)子回路中自動滅磁，振動突然消失。第一、空載帶勵的原因主要有：轉(zhuǎn)子線圈短路；定子與轉(zhuǎn)子的氣隙有很大不對稱或定子變形；轉(zhuǎn)子中心與主軸中心偏心。第二、對策分析。針對上述原因，要求采取以下對策：用示波器測出線圈短路位置并進行處理；停機調(diào)整氣隙間隙。氣隙的最大值或最小值與平均值之差不應超過10%；如偏心很大時，需要調(diào)整定子與轉(zhuǎn)子中心的方法予以消除等手段進行處理。（2）空載無勵。主要表現(xiàn)為振動強度隨轉(zhuǎn)速增高而增大，第一、原因分析。筆者認為其原因主要有：發(fā)電機轉(zhuǎn)子或水輪機轉(zhuǎn)輪動不平衡；軸線不直；中心不對；推力軸承軸瓦調(diào)整不當；主軸聯(lián)接法蘭連接不緊；與發(fā)電機同軸的勵磁機轉(zhuǎn)子中心未調(diào)好；水斗式水輪機噴咀射流與水斗的組合關(guān)系不當；轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)與導葉數(shù)組合不當。第二、對策分析。針對上述原因，需要采取以下對策：動平衡試驗，加平衡塊，消除不平衡；調(diào)整軸線和中心，調(diào)整推力軸瓦；調(diào)整勵磁機轉(zhuǎn)子中心；改善組合關(guān)系；改善組合關(guān)系。（3）空載或帶負荷。其表現(xiàn)為主軸擺度或振動與轉(zhuǎn)速無關(guān)，當負荷增加后，擺度或振動有所降低。第一、原因分析。主要是由于機組主軸軸線不正；推力軸承軸瓦不平整，處理方式是調(diào)整軸線；校正軸瓦。此外是振動強度隨轉(zhuǎn)速和負荷增加成正比增大，空載或帶負的原因往往是多方面的，如轉(zhuǎn)輪輪緣上突出部件布置不對稱。第二、對策分析。可以采取以下對策：刮去突出部件或用蓋板遮蓋，使其平滑過渡；清除堵塞物；調(diào)整修理止漏環(huán)；加固支承結(jié)構(gòu)等等。最后還有一種振動特征是在所有工況下主軸擺度都大，這通常是由于瓦隙過大，或主軸折曲，或機架松動，可以采取在開停機過程中越過此振動區(qū)；改變結(jié)構(gòu)的固有振動頻率。

二、水力發(fā)電中的水輪發(fā)電機組不穩(wěn)定危害性分析

水力發(fā)電中水輪發(fā)電機組的不穩(wěn)定危害性有很多，筆者認為主要有：（1）造成機組各部位緊固連接部件松動，導致這些緊固連接部件本身的斷裂，加劇被連接部分的振動，促使它們迅速損壞。（2）加速機組轉(zhuǎn)動部件的磨損，如大軸的劇烈的擺動，使軸與軸瓦的溫度升高，使軸承或軸瓦燒毀；轉(zhuǎn)子振動過大，增加滑環(huán)與碳刷的磨損，使碳刷跳火花。（3）共振引起的后果更嚴重。如機組設(shè)備和廠房產(chǎn)生共振時可使整個設(shè)備和廠房毀壞；卡門渦列引起葉片的周期振動，當卡門渦列的振動頻率與葉片固有頻率接近時就會發(fā)生共振，將產(chǎn)生嚴重的噪音，使葉片產(chǎn)生疲勞斷裂。

三、水力發(fā)電中的水輪發(fā)電機組穩(wěn)定策略分析

（一）嚴格改進水輪機水力設(shè)計。水輪機空化和空蝕的主要類型是翼型空化和空蝕，而翼型的空化和空蝕與很多因素有關(guān)，諸如翼型本身的參數(shù)、組成轉(zhuǎn)輪翼柵的參數(shù)等等。就翼型設(shè)計而言，要設(shè)計和試驗空化性能良好的轉(zhuǎn)輪。一般考慮兩個途徑：一種是使葉片背面壓力的最低值分布在葉片出口邊，從而使汽泡的潰滅發(fā)生在葉片以外的區(qū)域，可避免葉片發(fā)生空化和空蝕破壞。若改變轉(zhuǎn)輪的葉型設(shè)計，就可使汽泡潰滅和水流連續(xù)性的恢復發(fā)生在葉片尾部之后，這樣就可避免對葉片的嚴重破壞。實踐證明，葉型設(shè)計得比較合理時，可避免或減輕空化和空蝕。因此在水輪機選型設(shè)計時，要合理確定水輪機的吸出高度，水輪機的比轉(zhuǎn)速，空化系數(shù)。比轉(zhuǎn)速越高，空化系數(shù)越大，要求轉(zhuǎn)輪埋置越深，選型經(jīng)驗表明，這三個參數(shù)應最優(yōu)配合選擇。對于在多泥砂水流中工作的水輪機，選擇較低比轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)輪有利于減輕空蝕和磨損。

（二）改善相關(guān)運行條件。翼型設(shè)計時只能保證在設(shè)計工況附近不發(fā)生嚴重空化，在這種情況下，通常不會發(fā)生嚴重的空蝕現(xiàn)象。但在偏離設(shè)計工況較多時，翼型的繞流條件、轉(zhuǎn)輪的出流條件等將發(fā)生較大的改變，并在不同程度上加劇翼型空化和空腔空化。

（三）強化水輪發(fā)電機組維護。（1）定期對所有設(shè)備進行嚴格檢查。具體的檢查要點包括：第一、將水輪發(fā)電機組運行過程中的相關(guān)參數(shù)控制在合理的范圍內(nèi)，對于超出規(guī)定范圍的參數(shù)進行及時地糾正；第二、對機組一次回路與二次回路的連接處安全性能進行綜合地評估，確保這些區(qū)域工作電流、電壓的穩(wěn)定；第三、采取有效的措施對發(fā)電機進行異味檢查，加強對發(fā)電機使用過程中的振動檢測；第四、加強對水輪發(fā)電機組運行過程中的軸承溫度實時把控，優(yōu)化機組的服務功能。（2）合理應用信息化技術(shù)。結(jié)合水輪發(fā)電機組各部分組成結(jié)構(gòu)的功能特性，選擇可靠的信息化技術(shù)對機組的正常運行進行全程把控，最大限度地降低水輪發(fā)電機組的故障發(fā)生率。在可靠的信息化技術(shù)支持下，構(gòu)建出功能完善的信息監(jiān)控系統(tǒng)，對水輪發(fā)電機組不同工作時段的實際概況進行實時地分析，加強各類故障有效處理的同時，為水輪機發(fā)電機組的正常運行提供可靠保障。

四、結(jié)束語

綜上所述，水輪機是水電廠進行電力生產(chǎn)的主要動力設(shè)備，是水電站的重要組成部分，其穩(wěn)定運行關(guān)系著整個水電站安全，并且在一定的程度上影響到整個水電站的穩(wěn)定及經(jīng)濟效益，因此對水力發(fā)電中的水輪發(fā)電機組穩(wěn)定進行分析具有重要意義。