混流式水轮机稳定运行的主要水力因素浅析

2010-04-14黄汉云

水电站机电技术 2010年2期

关键词：混流式转轮水轮机

黄汉云

（云南华电怒江水电开发有限公司，云南昆明 650051）

混流式水轮机稳定运行的主要水力因素浅析

黄汉云

（云南华电怒江水电开发有限公司，云南昆明 650051）

针对混流式水轮机稳定运行的主要水力因素进行浅析，为电站的设计、制造安装、生产运行管理提供一定的参考。

水电站；混流式水轮机；稳定运行；水力因素

目前随着水电机组容量和尺寸的不断增大，转速的相应提高，相对刚度的减弱，机组的运行稳定性问题已成为电站设计、制造安装和生产管理单位极为关注的问题。很多设计单位在对水轮机选型时对一些关键的设计参数进行了合理化的选择，如水头、转速、梳齿间隙高度、间隙道数等的选择；制造安装单位对施工工艺更进一步的提高，如提高底环、顶盖、转轮的制造加工的精度和减小椭圆度的大小，调整安装误差的大小和机组整体的同心度的偏差大小以及主轴的摆度的大小等；生产运行管理单位也从生产管理的角度加以考虑和改善。通过设计、制造安装、生产运行管理单位的共同努力，使大部分原本稳定性运行较差的机组得到了有效的改善，但稳定性运行的处理需要各方的物力、财力和人力。

1 部分运行中的混流式水轮机的稳定性情况

1.1 二滩水电站

机组由加拿大GE公司中标，水轮机型号HLF497-LJ-625.7，额定出力561MW，额定水头165m，电站最大水头Hmax=189m，最小水头Hmin=135m，Hmax/Hmin=1.4。机组投运后存在较显著的较宽的部分负荷水力振动区，低频尾水管压力脉动对机组运行稳定影响明显；同时存在较强的高频水压脉动，顶盖振动大，厂房楼板也有明显的高频振动和有强烈噪音；在大负荷区，水压脉动较小，机组相对运行稳定。从1998年8月第1台机组投运以来，电站6台转轮叶片下环出现了不同程度的裂纹，截止到2003年3月，6台转轮共发现32条裂纹，其中叶片出水边与上冠连接处4条，没有重复出现的情况，叶片出水边与下环连接处28条，8个转轮叶片同一位置出现重复性的裂纹共计16条。

1.2 岩滩水电站

岩滩水电站装机4台，水轮机型号为HL286a-LJ-800，总容量1210MW，单机水轮机额定出力307.1MW，额定水头54m，电站最大水头Hmax=68.5m，最小水头Hmin=37m，Hmax/Hmin=1.851。转轮名义直径D1=8.0m，转轮共有13个叶片。机组投运后，在高水头区域运行时，多个工况点出现强振动现象。在强振作用下，尾水锥管里衬出现裂纹，厂房楼板出现强烈振动，机组不得不避开振动区运行。2号机运行400多天后发现8个叶片有裂纹，3号机运行200多天后发现6个叶片有裂纹。

1.3 李家峡水电站

李家峡水电站装机2000MW，单机水轮机额定出力408.2MW，额定水头122.0m，最大水头Hmax=135.6m，最小水头 Hmin=114.5m，Hmax/Hmin=1.184。电站初期运行水头只有94～97m。1号机运行500多天后发现13个叶片有16条裂纹；2号机运行240多天后发现13个叶片有14条裂纹。3号机运行90多天后也发现3条较小裂纹。

从上述三个大型水电站的实际运行情况来看，混流式水轮机运行存在的不稳定性现象是其本身特有的现象，水轮机运行稳定性主要表现为水轮机在偏离设计的工况运行时，特别是在高水头作用下产生压力脉动过大和有较大水头变幅，水轮机可能落入了不稳定区时，压力脉动作用于梳齿、高压腔、外缘等转轮所有径向投影面上，使转轮承受径向不平衡作用力，引起水轮机周期性的振动，就有可能造成叶片裂纹、尾水管锥段撕裂、振动区较大、机组产生严重气蚀、厂房楼板出现振动等。其不稳定性的程度与偏离的范围有关，偏离范围越大，破坏也越大。

2 混流式水轮机稳定运行的主要振动形式

2.1 水轮机水力振动

水流流经水轮机蜗壳、座环、固定导叶、活动导叶、转轮以及尾水管等过流部件时，由于这些过流部件在设计制造安装的误差，形成不对称的水流作用力矩及水流脱流，同时当转轮远离无撞击进口和最优水流出口运行时，内部流动状况变坏，产生脱流和涡带，形成压力脉动，引起水轮机本体甚至相邻混凝土结构振动，严重时会导致构件疲劳破坏。运行工况变化时，叶片进口水流的冲角、出口环量的大小和方向也随之变化，诱发水轮机水力振动。

2.2 高中低频压力脉动

转轮进口水流冲角太大，导致叶片头部脱流空化，形成叶道涡流，引起高频或中频压力脉动。叶片出口环量过大，尤其是在尾水管内出现大涡带后，涡带以近乎固定的频率在管内转动，在尾水管内产生强烈的涡带，引起低频压力脉动。

2.3 尾水管压力脉动

由于转轮出口处的旋转水流以及脱流旋涡和空蚀等的影响；同时高水头小流量工况时叶片头部产生正冲角、低水头大流量时叶片头部产生负冲角，进而导致了叶片吸入侧或压力侧的脱流；另一方面由于非最优工况的水流在转轮出口环量加剧了尾水管涡带，导致尾水管压力脉动的产生。当尾水管内一旦发生压力脉动，就会激起尾水管壁、转轮、导水机构、蜗壳及压力管道的振动。

2.4 空腔气蚀引起的振动

水轮机的空腔破坏程度与运行条件有着密切的关系。其中最明显的有水轮机的吸出高度选择不合理、水轮机的运行时间的长短、水轮机运行水头及转轮尺寸、水轮机功率和水头变化等都有可能造成空腔气蚀。空腔气蚀引起的振动，在其运行区域内将可能发生严重的空蚀，导致机组严重的振动。

2.5 其它振动

水轮机产生振动在水力方面另一个重要的原因是机组部件的固有频率与主要水力振源的频率一致或相近而引起的共振。主要的水力振源有机组的转频、尾水管压力脉动频率、固定导叶频率、活动导叶频率、转轮叶片频率、卡门涡频率，此外还有叶道涡、无叶区的高频等。

3 混流式水轮机稳定运行的水力因素

3.1 高水头小开度或者小负荷区工况

在这种工况下，转轮出口环量过大，将造成局部真空，形成复杂的旋涡运动，而出现涡带的大幅度的振摆，引起低频压力脉动，该涡带在尾水管壁的作用下，形成一个激振源，可上、下反复传递，造成流道内压力变化以及水头变化，破坏尾水管壁，并造成机组出力不稳和噪音，从而引起尾水管壁及转轮的剧烈振动，严重时甚至可能造成引水管和厂房的共振。尾水管高度越小，压力脉动越大，危害也越严重。特别是在高水头小开度工况叶片进口冲角和出口环量均较大，两种因素叠加，对稳定运行是极为不利的。

3.2 低水头大流量运行工况

在这种工况下，受发电机容量的限制，为了发足容量，在水头降低的状况下，流量势必增大，水流以负冲角绕流叶片，导致叶片头部压力侧脱流，水流分离成片状涡串，在上冠、下环和两个叶片组成的流道之间流出。在此种工况下，由于负冲角很小，叶片头部几乎不可能造成空化脱流，即使造成空化脱流，除噪声明显增大外，潜在的破坏不大，一般通过向尾水管补气后即可有立竿见影的功效。根据相关设计单位的经验统计，当最小水头对应的单位转速与最优单位转速比值大于1.25倍时，将使叶片进口负冲角加大，但由于出口环量不是很大，同时在低水头情况下，电站吸出高度负值较大，对转轮的空化影响较小，水轮机运行稳定性比高水头小开度工况要好。

3.3 运行时负荷变化过大工况

当水头向高水头方向移动时，叶片进口边正压面来流冲击对水头的变化极为敏感，甚至当水头超过设计水头的1.1倍时，叶片进口背面已经开始出现脱流，因此机组运行的稳定性主要表现在高水头段的运行稳定性。当水头从设计水头向低水头移动时，叶片正面的脱流对水头的变化不很敏感，在大流量区出现叶片进口边正面脱流空化涡带和较强的尾水管涡带一般在常规的水轮机输出功率限制线以外。机组在高水头段叶片进口背面脱流主要是由于水头高于额定水头后，机组发出额定输出功率所需的导叶开度变小，偏离最优工况，水流与叶片产生撞击。因此如果在高水头段能够保证导叶的开度在适当的范围内，则可能控制机组高水头液流对叶片进口撞击而产生的不利的影响。

3.4 设计时水轮机最大运行水头Hmax与额定水头Hr比值过大

根据设计单位的经验，当水轮机最大运行水头Hmax与额定水头Hr比值大于或等于1.2时，水轮机运行有可能落在不稳定区，这是因为在高水头远离最优设计工况，导叶开度小，转轮进口水流冲角较大，导致叶片头部或背部负压侧脱流空化或局部真空，即形成涡流，由于流动不均，自上而下沿叶片长度方向产生二次流，形成高强度的不稳定涡流，严重时进口空化将导致叶片头部的严重破坏。这种不稳定的涡流是动态负荷的起因和激振源，有可能产生叶道涡流，引起高频和中频压力脉动。

4 预防和整治措施

混流式机组所有稳定性运行问题均会导致机组运行出现不同程度的影响，有的甚至导致机组无法正常的运行，给电站带来重大的损失，所以采取必要的预防措施尤为关键；当出现无法满足稳定性运行时应积极的寻找解决问题的关键。笔者认为解决稳定性运行应主要从电站参数设计合理化、提高制造安装检修工艺水平、加强设备的整治和改造以及选择合理的运行方式着手。

4.1 电站参数设计合理化

在电站设计阶段应合理地选择各种水头，这是水轮机稳定运行所做工作的第一步。机组能否稳定运行主要决定于水轮机的水力设计，也与机组固有频率和电站输水系统频率、厂房振动频率等的设计匹配，以及水轮机特征水头的选择等密切相关，因此选择合适的水轮机特征水头，有利于水轮机的水力设计，同时要尽量避开各种频率的共振区。

4.2 提高制造安装检修工艺水平

制造厂应在合理的范围内尽量提高水轮机顶盖、座环、主轴等主要部件的刚度、强度，同时应该提高水轮机的相应的配合尺寸的加工精度，例如提高粗糙度、椭圆度、同心度、水平度等的精度。安装施工单位应从组织措施、管理措施、技术措施上来满足机组的安装质量在各种规程规范的质量要求范围之内。检修单位应精心组织，对运行中发现的问题有重点有针对地采用先进的工艺开展大修工作，做到该修必修，修必修好，汛期不临检的原则，严格把握好大修质量关。

4.3 加强设备的整治和改造

在加强设备运行生产管理的同时，生产运行管理单位应积极开展设备的整治和改造的工作，把一些小问题或尚处于萌芽期的问题及早发现及早处理，避免事态进一步扩大；对存在的较大问题应不回避、不忽视、积极主动地与上级主管单位、设计方、专家学者、大专院校、检修运行工人沟通协商，寻找一些能真正解决问题的方法方式，通过整治和改造尽快使机组运行稳定性合理，避免事情扩大，造成更大的财力、物力、人力和毁灭性的损失。