水能動力發電中影響水輪發電機組穩定性的因素及其措施分析

段紅衛

摘要：水輪發電機組的穩定性是電氣、機械、流體等多種原因引起的，因此為了保障水輪發電機組的穩定性，必須要對影響其穩定性的原因對策進行分析，從而保障水電站的安全運行。

關鍵詞：水能動力發電;水輪發電機組穩定性;措施;

前言：水能動力發電中的水輪發電機組穩定性是電氣、機械、流體等多種原因引起的，為了保障水能動力發電的安全運行，需要分析影響其穩定性的主要因素，采取相應的策略，從而提高水輪發電機組的穩定性。

一、水輪機穩定性及其必要性分析

衡量水輪機的好壞最重要的三個指標是能量、空化以及穩定性。能量和空化指標評判直觀，且經過充分挖掘可以在一定程度上降低電站投資和增加發電收益，因此以往對這兩個指標的關注度和研究程度亦非常深刻。穩定性關系到機組的安全穩定運行，由于以往研究對水輪機穩定性不夠重視，而穩定性問題又比較復雜，涉及方面廣，對此的研究不如另外兩個指標深入。水輪機穩定性最重要的表現形式是運行過程中的水力振動和機械振動。當水輪機不穩定狀態達到一定程度，強烈的振動不僅會使水輪機部件產生裂紋，甚至會引起廠房等水工建筑物共振進而威脅整個電站的運行安全。

二、水能動力發電中水輪發電機組穩定性的影響因素及危害

1.水能動力發電中水輪發電機組穩定性的影響因素。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。機械因素。機組軸線不正或對中不良;轉動部件質量不平衡;導軸承缺陷;主軸密封調整不當;靜板不平或推力瓦不水平;推力頭松動;導軸瓦間隙調整不當;轉子振擺。

2.水輪發電機組不穩定的危害。引起機組零部件金屬焊縫中疲勞破壞區的形成和擴大，以至斷裂損壞而報廢。使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。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。尾水管中水流脈動壓力可使尾水管壁產生裂縫，嚴重的可使整塊鋼板剝落。共振引起的后果更嚴重。

三、影響水能動力發電中水輪發電機組穩定性的原因及措施

1.空載帶勵。空載帶勵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。其原因主要有：（1）轉子線圈短路;（2）定子與轉子的氣隙有很大不對稱或定子變形;（3）轉子中心與主軸中心偏心。針對以上原因，可以采取以下措施：（1）用示波器測出線圈短路位置并進行處理;（2）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±8%;（3）如偏心很大時，需用調整定子與轉子中心的方法予以消除等手段予以處理。

2.空載無勵。主要表現為振動強度隨轉速增高而增大;在低速時也有振動，其可能原因主要有以下幾方面：（1）發電機轉子或水輪機轉輪動不平衡;（2）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;（3）與發電機同軸的勵磁機轉子中心未調好;（4）水斗式水輪機噴咀射流與水斗的組合關系不當;（5）轉輪葉片數與導葉數組合不當。針對以上原因，應該采取以下措施：（1）動平衡試驗，加平衡塊，消除不平衡;（2）調整軸線和中心，調整推力軸瓦;（3）調整勵磁機轉子中心;（4）改善組合關系;（5）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。這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，其原因往往是多方面的，如轉輪輪緣上突出部件布置不對稱。針對以上原因，應該采取以下措施：（1）刮去突出部件或用蓋板遮蓋，使其平滑過渡;（2）清除堵塞物;（3）調整修理止漏環;（4）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。

四、增強水能動力發電中水輪發電機組穩定性的策略

1.改善水輪機的水力設計。水輪機空化和空蝕的主要類型是翼型的空化和空蝕，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。

2.改善運行條件。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。因此，合理擬定水電廠的運行方式，要盡量保持機組在最優工況區運行，以避免發生空化和空蝕。對于空化嚴重的運行工況區域應盡量避開，以保證水輪機的穩定運行。在非設計工況下運行時，可采用在轉輪下部補氣的方法，對破壞空腔空化空蝕，減輕空化空蝕振動有一定作用。

結束語：水能動力發電是一種可再生、無污染的清潔能源，水能資源是利用水的的勢能、江河的水流量和落差獲得電能，而且運行成本低，對提升經濟效益以及社會效益都有較高的利用價值。因此為了保障水能動力發電站的運行，必須加強水輪發電機組穩定性的分析。

參考文獻

[1]李進博.密封間隙對混流式水輪機穩定性影響的數值模擬[D];西安理工大學;2019