山口水電站機組穩(wěn)定性探討

【摘要】本文結(jié)合特克斯河山口水電站水輪發(fā)電機組選型設(shè)計階段，采取相應(yīng)優(yōu)化措施，提高機組穩(wěn)定性方面提出了一些觀點和看法。

【關(guān)鍵詞】穩(wěn)定性；選型；水輪機；主要參數(shù)

1、概述

山口水電站是特克斯河梯級開發(fā)的最后一級水電站，電站位于新疆伊犁州鞏留縣境內(nèi)的特克斯河上，是一座發(fā)電為主，有發(fā)電反調(diào)節(jié)任務(wù)的電站。電站型式為壩后式、地面廠房，總庫容1.21億m3，電站總裝機容量為141MW， 年利用小時數(shù)為4070h，多年平均發(fā)電量5.72億kW·h，保證出力40MW，電站在系統(tǒng)中承擔基荷任務(wù)，電站特征水頭分別為：最大水頭為36.70m，最小水頭為29.70 m，加權(quán)平均水頭為36.10 m，額定水頭為34.30 m。

2、水輪機主要技術(shù)參數(shù)

水輪機型號： HLA551C-LJ-450

布置形式： 立軸、混流式金屬蝸殼水輪機

額定水頭： 34.30m

單機額定功率： 48.454MW

單機流量： 152.75m3/s

額定轉(zhuǎn)速： 111.1r/min

飛逸轉(zhuǎn)速： 200r/min

額定比轉(zhuǎn)速： 295m.KW

額定效率： 94.34%

加權(quán)平均效率： 92.97%

最高效率： 95.22%

額定工況下的允許吸出高度： Hs=-0.69m

發(fā)電機型號： SF47-54/9200

轉(zhuǎn)向：水輪發(fā)電機從發(fā)電機端看為俯視順時針方向旋轉(zhuǎn)。

3、采取的提高穩(wěn)定性措施

山口水電站是中低水頭段的混流式機組，轉(zhuǎn)輪直徑為4.50m，目前為止在疆內(nèi)已建水電站里尺寸最大的，相應(yīng)機組剛度、強度，穩(wěn)定性要求也比較高，以“預(yù)防為主，防治結(jié)合”的設(shè)計思路，在機組設(shè)計階段采用高強度材料并選擇合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高機組在不同工況下的剛強度和穩(wěn)定性，嚴格依據(jù)標準規(guī)范要求，加強設(shè)計水平，優(yōu)化機組局部有整體結(jié)構(gòu)。下面簡要介紹山口水電站機組在提高穩(wěn)定性方面所采取的措施。

3.1轉(zhuǎn)輪的選用

在選型設(shè)計時，經(jīng)對參數(shù)匹配優(yōu)化，使得山口電站機組運行工況避開了原A551轉(zhuǎn)輪高水頭脫流區(qū)域，采用改進的A551C轉(zhuǎn)輪，同時，也可以獲得較高效率及運行穩(wěn)定性。轉(zhuǎn)輪葉片、下環(huán)、上冠均采用抗磨蝕性能、焊接性能好的0Cr13Ni5Mo不銹鋼材料。

3.2轉(zhuǎn)輪的剛強度

轉(zhuǎn)輪的剛、強度不足是導(dǎo)致發(fā)生葉片裂紋的根本原因。因此，水輪機轉(zhuǎn)輪具有足夠的剛強度是轉(zhuǎn)輪設(shè)計首先要考慮的條件。

眾所周知，轉(zhuǎn)輪的剛強度與導(dǎo)水葉高度有直接關(guān)系，導(dǎo)葉高度越低適用的水頭就越高，其次，轉(zhuǎn)輪的葉片數(shù)和葉片厚度以及合理科學(xué)的厚度變化規(guī)律對葉片的應(yīng)力水平都有很大影響。

3.3水力影響因素

水力原因引起的轉(zhuǎn)輪葉片裂紋，其根源是水力穩(wěn)定性問題。影響水輪機穩(wěn)定性的水力方面的主要因素以下三點。

⑴ 水流的激振頻率與葉片或?qū)~的固有頻率接近而引起的共振；

⑵ 固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片出水邊的卡門渦；

⑶ 分負荷時，轉(zhuǎn)輪出口渦帶引起的尾水管壓力脈動；

首先在葉片的設(shè)計階段應(yīng)該注意由水力激振引起的共振和卡門渦，并通過葉片的內(nèi)特性參數(shù)能很好地控制其發(fā)生，在山口水電站水輪機發(fā)生以上兩條因素引起的振動以及葉片裂紋的可能已經(jīng)極小。

其次關(guān)于部分負荷時，轉(zhuǎn)輪出口渦帶引起的尾水管壓力脈動，尾水管渦帶對于固定葉片的混流式水輪機是一種不可避免的固有特性。

根據(jù)國內(nèi)外水輪機的運行經(jīng)驗以及近些年來關(guān)于水輪機穩(wěn)定性方面的研究表明， 在設(shè)計階段采取的相應(yīng)的提高穩(wěn)定性措施不但切實可行，而且對改變渦帶性質(zhì)，減弱或較大地減弱渦帶脈動力對葉片的作用是有效果的。

另外一項重要措施是在設(shè)計中已考慮了避免在低負荷時渦帶頻率與尾水管固有頻率發(fā)生共振的可能性。避免了共振也就避免了發(fā)生大的動載荷的可能，發(fā)生葉片裂紋的可能也降到極小。

3.4工藝方面的措施

⑴葉片加工工藝

對于山口水電站轉(zhuǎn)輪葉片采用VOD精鑄成型后數(shù)控加工，以保證葉型的精度，數(shù)控加工坡口后，使焊縫尺寸，焊接量最優(yōu)化，應(yīng)力分布更趨合理，殘余應(yīng)力降低，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)控加工后型線偏差控制在1.0mm以內(nèi)。

⑵焊接工藝

山口轉(zhuǎn)輪擬使用與母材同材質(zhì)的不銹鋼焊絲進行焊接。并在葉片與上冠和下環(huán)間采用增大的過度圓角，以盡量減小其應(yīng)力集中。

焊接方法使用變形和應(yīng)力較小、焊接質(zhì)量較高的脈沖熔化混合氣體保護焊，此種焊接方法已被國內(nèi)外知名水電設(shè)備制造廠家普遍采用，完全可以保證焊縫的質(zhì)量，并使轉(zhuǎn)輪焊接完成，經(jīng)熱處理后的殘余應(yīng)力降至最小。

⑶葉片出水邊

對于山口電站采用減小壓力脈動的出水邊，從上冠至下環(huán)采用非等厚出水邊，適當加厚出水邊，從而提高了其剛度。

⑷設(shè)置主軸中心孔補氣裝置，選擇較大的補氣管直徑，減小進氣阻力，從而有效增加補氣量。在補氣裝置中實行水氣分離，保證進氣流暢。

4、結(jié)束語

特克斯河山口水電站運行實踐經(jīng)驗說明，通過技術(shù)借鑒和創(chuàng)新，在水輪機選型設(shè)計、制造和安裝過程中提出精、優(yōu)理念，把機組穩(wěn)定性放在主要位置，嚴把質(zhì)量關(guān)，先進的技術(shù)手段和方法嚴格各項工藝措施，采用高性能轉(zhuǎn)輪，采取有效的預(yù)防防護措施，合理的機組參數(shù)和結(jié)構(gòu)，確保了電站安全穩(wěn)定運行。

參考文獻：

[1]. 李啟章 水輪發(fā)電機組振動測試技術(shù)研討班交流資料 2002年3月

[2]. 易平梅 三峽右岸ALSTOM水輪機轉(zhuǎn)輪卡門渦分析與處理[C] 中國水利學(xué)會青年科技論壇，2008

[3]. 新疆特克斯河山口水電站工程初步設(shè)計報告

作者簡介：胡安江，男，（1970年-），碩士研究生，高級工程師，從事水利機械設(shè)計、研究工作。