簡論水力發電中的水輪發電機組穩定策略

張永興

摘要：水輪發電機組作為水電站的核心設備，一旦不穩定，就會影響水電站的綜合效益。本文闡述了水力發電中的水輪發電機組穩定影響因素及其原因對策與危害性，對水力發電中的水輪發電機組穩定策略進行了論述分析。

關鍵詞：水力發電；水輪發電機組；穩定；影響因素；策略

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

一、水力發電中的水輪發電機組穩定影響因素及其原因對策分析

（一）影響水輪發電機組穩定的因素。主要表現為：（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。導葉數和轉輪葉片數不匹配引起的壓力脈動。（2）電磁因素。發電機組氣隙不均勻；負序電流引起的反轉磁勢；定子不圓，機座合縫不好；定子鐵芯鐵片松動；轉子匝問短路。

（二）影響水輪發電機組穩定的原因及其對策分析。（1）空載帶勵。其主要表現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：轉子線圈短路；定子與轉子的氣隙有很大不對稱或定子變形；轉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，需要調整定子與轉子中心的方法予以消除等手段進行處理。（2）空載無勵。主要表現為振動強度隨轉速增高而增大，第一、原因分析。筆者認為其原因主要有：發電機轉子或水輪機轉輪動不平衡；軸線不直；中心不對；推力軸承軸瓦調整不當；主軸聯接法蘭連接不緊；與發電機同軸的勵磁機轉子中心未調好；水斗式水輪機噴咀射流與水斗的組合關系不當；轉輪葉片數與導葉數組合不當。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；調整軸線和中心，調整推力軸瓦；調整勵磁機轉子中心；改善組合關系；改善組合關系。（3）空載或帶負荷。其表現為主軸擺度或振動與轉速無關，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，處理方式是調整軸線；校正軸瓦。此外是振動強度隨轉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；調整修理止漏環；加固支承結構等等。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；改變結構的固有振動頻率。

二、水力發電中的水輪發電機組不穩定危害性分析

水力發電中水輪發電機組的不穩定危害性有很多，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；轉子振動過大，增加滑環與碳刷的磨損，使碳刷跳火花。（3）共振引起的后果更嚴重。如機組設備和廠房產生共振時可使整個設備和廠房毀壞；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生共振，將產生嚴重的噪音，使葉片產生疲勞斷裂。

三、水力發電中的水輪發電機組穩定策略分析

（一）嚴格改進水輪機水力設計。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，諸如翼型本身的參數、組成轉輪翼柵的參數等等。就翼型設計而言，要設計和試驗空化性能良好的轉輪。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生在葉片以外的區域，可避免葉片發生空化和空蝕破壞。若改變轉輪的葉型設計，就可使汽泡潰滅和水流連續性的恢復發生在葉片尾部之后，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計時，要合理確定水輪機的吸出高度，水輪機的比轉速，空化系數。比轉速越高，空化系數越大，要求轉輪埋置越深，選型經驗表明，這三個參數應最優配合選擇。對于在多泥砂水流中工作的水輪機，選擇較低比轉速的轉輪有利于減輕空蝕和磨損。

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

（三）強化水輪發電機組維護。（1）定期對所有設備進行嚴格檢查。具體的檢查要點包括：第一、將水輪發電機組運行過程中的相關參數控制在合理的范圍內，對于超出規定范圍的參數進行及時地糾正；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，確保這些區域工作電流、電壓的穩定；第三、采取有效的措施對發電機進行異味檢查，加強對發電機使用過程中的振動檢測；第四、加強對水輪發電機組運行過程中的軸承溫度實時把控，優化機組的服務功能。（2）合理應用信息化技術。結合水輪發電機組各部分組成結構的功能特性，選擇可靠的信息化技術對機組的正常運行進行全程把控，最大限度地降低水輪發電機組的故障發生率。在可靠的信息化技術支持下，構建出功能完善的信息監控系統，對水輪發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，為水輪機發電機組的正常運行提供可靠保障。

四、結束語

綜上所述，水輪機是水電廠進行電力生產的主要動力設備，是水電站的重要組成部分，其穩定運行關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定及經濟效益，因此對水力發電中的水輪發電機組穩定進行分析具有重要意義。