淺析水輪機運行工況與磨蝕

景國強，柴生文

(劉家浪水電有限責任公司，甘肅 岷縣 748400)

1 概 述

劉家浪水電站位于甘肅省岷縣境內，是在洮河干流上建成的1座低壩、明渠引水式電站。始建于1978年，1984年10月1、2號機組發電運行，1991年竣工，裝機容量4×2 000 kW；2002年5月并入電網運行，之前長期處于孤網發電。不穩定運行因素給電站的各類設備帶來非常大的安全隱患，也加大了運行和檢修困難，給企業的經濟效益帶來不可估量的損失。為此， 水電站從2002年開始分期對4臺水輪發電機組、調速系統、勵磁裝置、計算機監控系統進行了全面技術改造，裝機容量由8 000 kW增至10 500 kW；改善了機組運行穩定性、安全性、經濟性，創造了良好的經濟效益和社會效益。

運行工況的不斷變化和調整是每座水電站發電運行過程中最常見的現象，也是根據水流量變化、機組運行狀態、電網調度內外因素導致不斷由主動變被動運行的一種實際運行狀態；所以水電站運行人員要根據實際情況在不同運行狀態下進行運行作業，要不斷總結各種運行工況下對水輪發電機組最有利的發電運行模式，也就是最優運行工況；以最大努力降低各種空蝕磨損、過流部件的損壞和磨損，保證設備的安全運行時效，提高設備安全運行壽命，真正做到盡可能的節能降耗、科技創新的新型運行理念。

2 運行工況不良帶來的影響

2.1 水頭利用率不足

水頭是水電站運行的一個重要指標，也是設備安全運行的前提，高水頭運行不但可在同等條件下(導葉開度70%，流量17.42 m3/s，額定水頭17 m)提高設備出力，也是對過流部件進行無壓差、無真空(無差壓、無真空指的是進水壓力前池攔污柵無堵塞，壓力前池水位不低于設計水位，尾水水位不高于設計水位)的保護性運行的重要保障。反之，長期低水頭運行或因水流量不足形成帶差壓強制性運行，會給過流部件帶來損壞、磨蝕、振動等十分不利的影響。最為明顯的是非過流部件真空破壞閥長期動作，轉輪室帶壓運行引起水力不平衡振動；同時產生大量真空未能及時消除，進而形成空蝕破壞，加大了過流設備表面的磨蝕破壞，從而形成以弱制弱的惡性循環。另外，導水葉軸套常年磨損，導致導水葉之間開度不均勻，未能形成最佳水力環量，致使工作部件(轉輪)表面受力大小不一。同時，泄水形成非常可怕的真空破壞和機組異常響聲，也給運行人員在工作上帶來非常大的技術壓力和思想壓力。

2.2 水輪機運行過程中正確調節也是一種保護

在設備運行過程中，水輪機調節器(調速器)無論是在自動或手動工況時，均要根據水頭、水流量、載荷、設備的性能等參數指標進行合理調整，尤其在泥沙含量過大的情況下更要做到合理調度，不得已時才進行人為停機保護。因此，在正常運行過程中合理調節運行工況也是對整個設備進行保護的重要舉措。

圖1是劉家浪水電站在不良工況下運行給水輪機轉輪造成的空蝕破壞現象(見圖1)。更為嚴重的是長期不良運行在轉輪室產生空蝕進而導致轉動部件與過流部件的質量損失，形成不平衡運行狀態。這樣，不但給機組造成嚴重的水力振動，還會損失大量水原動力，出現機組出力下降、振動過大、機部件損壞等不良現象。最后，迫使整個機組停機，擴大檢修內容，給企業帶來不可估量的損失。

圖1 不良運行工況和磨蝕給設備造成的破壞

過去劉家浪水電站由于長期孤網運行，對設備的運行工況了解不太全面，再加上磨蝕的影響，導致水輪發電機組運行過程中設備缺陷頻發；如水輪發電機組軸線嚴重傾斜，主軸密封損壞加速，水導軸承淹水，轉輪葉片邊緣侵蝕加速引起水輪機振動、出力下降等。1999年3月，不良運行工況和磨蝕給設備造成的破壞導致1號機組發生水輪機主軸軸頸斷裂的惡性事故，嚴重威脅機組安全運行，給電站造成重大損失。

2.3 泥沙含量過大帶來的設備損壞和造成的影響

在我國西部，許多河流泥沙含量較大，在這種河流上修建的水電站，泥沙磨損對水電站的安全運行造成了較大危害，高含沙水流對水輪機的磨蝕十分嚴重，尤其是在空蝕和泥沙磨損雙重破壞作用下特別明顯：增加了機組檢修周期，水輪機的運行效率下降，水輪機的可靠性降低，機組壽命下降，嚴重影響電站的安全運行和經濟效益，水電站在檢修過程中備品備件增多，增加運行成本。圖2是甘肅省隴南市白鶴橋水電站導水結構過流面磨蝕斷面(見圖2)。

圖2 導水結構過流面磨蝕斷面

3 應對運行工況不良的幾點建議

3.1 合理利用水力資源，盡量做到高水頭運行

每條河流的水流量大小不同，每座電站的水頭高低不同，設備出力不盡相同，因而在設計電站時的理念就不能一概而論；這就要求在設計時經濟容量、設備選型、機組分布、運行工況等都要嚴格按實際情況認真分析，做到因材而用，切不可盲目的不切實際開工。但水頭是每座電站的一項重要指標，萬變不離其宗，水頭、流量是決定設備容量大小的關鍵參數，兩者是相輔相成的，缺一不可；最佳水頭也是電站運行工況及電站標志性的參數，是保證設備安全運行、出力工況最優、主副設備處在合理技術范圍的安全基本要素。故而合理利用水力資源和正常水頭運行是保證設備安全運行的有力保障。另外，高水頭也可將一部分漂浮物、雜質、冰塊排至溢流道，防止過流部件的卡阻和磨損。

3.2 合理調度，擇機運行

水電站在密切配合電網調度的前提下，要根據自身實際情況進行負荷分配和開停機時下達的運行指令；如水情變化、季節差別、設備檢修、汛期運行、冰凌期運行、意外解網運行等，都要因勢利導，以最大限度地確保設備在安全情況下做到“多發電，發好電”的水電傳統。

下面以甘肅省岷縣古城水電站在發生重大自然災害時的合理調度為例進行介紹。當時岷縣發生重大泥石流自然災害，大量泥石流進入庫區，為了保護設備的安全且不發生重大事故以及造成過流部件不可預想的損壞，將其運行設備全部停止運行，利用備用電源下泄流量。在不傷及當地老百姓生命財產安全的前提下，電站所有人員在當地政府部門全力配合下及時排泄庫區泥石流及大量雜物，不但保護了設備的安全，也給當地的老百姓留下了良好的口碑。由于及時泄洪，降低了區域經濟的各類損失，為當地政府減輕了自然災害的壓力，受到縣市的一致好評。

3.3 保證檢修質量，改善水輪機運行工況

在設備檢修安裝過程中對于高程、水平、中心以及軸線擺度等質量要求是非常嚴格的，無論哪個方面出現問題或達不到檢修質量要求，都會影響到整個機組的安全運行，對水輪機運行工況產生不良影響；更有甚者會出現重大事故， 給電站帶來不可估量的經濟損失。水輪機在不良工況下運行，將會加大設備的損壞程度，出現一系列不正常現象，如振動過大，出力不足，磨蝕嚴重，異常響聲，軸承溫度偏高，轉動部件碰撞、卡阻等情況。因此，檢修質量的好壞對水輪機運行工況有重要影響，例如，止漏環間隙調整不當會對水輪機運行工況產生較大影響，會加大機組振動。

3.4 減少磨蝕，盡可能做到最優工況運行

水輪機在檢修時，有時會發現水輪機轉輪葉片出水邊表面(通常是背面)、軸流式水輪機室，甚至尾水管進水口內壁，有一些麻點甚至蜂窩狀的孔洞，這是磨蝕造成的不良后果。磨蝕嚴重時水輪機在運行過程中會形成振動和發出撞擊響聲，同時引起效率下降；如不及時處理，將會導致葉片破壞，效率急劇下降。因此，在運行過程中應盡量減少磨蝕對運行工況的不良影響。

此外，為了有效地利用水頭，提高水輪機的運行效率，應使水輪機在最優工況下運行；因此水流在進入轉輪時應盡量無撞擊，即切向進口；水流在離開轉輪時應絕對速度的圓周分量盡量小，即法向出口。切向進口和法向出口是保證水輪機最優工況運行的條件。

4 結 語

“合理調度，擇機運行”是每位水電工作者面對的重要課題。眾所周知，運行工況優良時給電站帶來良好經濟效益和社會效益，反之則會造成不必要的經濟損失以及設備損壞，尤其是長期不良工況運行會造成過流部件和固定部件的磨蝕，給電站的檢修工作帶來很大困難；同時也造成了經濟上的重大損失。因此，應根據電站特點，制定合理的運行方法，這樣才能取得更好的經濟效益。