水輪機防止抬機和減輕反水錘問題的實踐與探討

雷江逵，李建衛

（1.甘肅電投九甸峽水電開發有限責任公司，甘肅 蘭州 730050；2.國投甘肅小三峽水電發電有限公司，甘肅 蘭州 730050）

水輪機防止抬機和減輕反水錘問題的實踐與探討

雷江逵1，李建衛2

（1.甘肅電投九甸峽水電開發有限責任公司，甘肅 蘭州 730050；2.國投甘肅小三峽水電發電有限公司，甘肅 蘭州 730050）

反水錘是發生在反擊式水輪發電機尾水管流道中的一種特殊水錘現象，在軸流轉槳式機組中時有發生，主要表現是在機組事故停機、甩負荷、空載或空轉停機過程中發生的抬機現象，更為甚者發生肢解轉輪葉片、破壞水輪機頂蓋的嚴重事故。以甘肅洮河峽城水電站機組試驗為例，對反水錘的成因進行了探討，并對取得的成果進行了說明。

水輪機；防止抬機和減輕反水錘；探討

1 水輪機抬機原因

水輪機抬機，是指水輪機在甩負荷過程中，尾水管內出現真空，形成反水擊以及水輪機進入水泵工況，產生的水泵升力因而產生反向軸向力，只要反向軸向力大于機組轉動部分的總重量就會使機組轉動部分被抬起一定高度，此現象稱為水輪機的抬機。

造成抬機的原因可能有兩種：一是機組甩負荷時，尾水管內出現反水錘引起的。導葉關閉時，由于水流的慣性作用，會在轉輪室中產生一段真空，同時水流在下游水壓力作用下減速停止并反向運動，撞擊轉輪葉片，引起向上的水力沖擊，即所謂的反水錘。二是水輪機進入水泵工況，產生了向上的軸向水推力。負吸出高程的軸流式水輪機，即便導葉關閉，切斷了上游來水，轉輪室仍充滿水，機組轉動部分的慣性使轉輪在水中仍然旋轉，就象一個螺旋推進器，將水流向下推動，同時產生一個向上的軸向水推力，也叫水泵升力，這就是水輪機的水泵工況，當水泵升力大于機組轉動部分重量時，就會造成抬機。

機組在設備制造、設備改造中采用了防抬機裝置予以防范；有的電站在電站設計時為了防止抬機事故的發生，對機組尾水管的結構尺寸、機組的吸出高度、機組的效率、空化系數、機組的剛度強度進行了綜合優化，從而最大限度地降低了抬機量。對于已經有抬機現象的機組，應該設法予以解決。

利用調速器功能的拓展解決水輪機抬機不失為一種有效的手段。計算機技術的發展和應用使調速器的調節控制功能有了很大的提高，調速器機械液壓系統的隨動性和準確性也有了很大的提高。實踐證明利用調速器的調節控制功能及調節參數的調整改善機組的抬機現象非常有效。

2 峽城水電站機組結構形式

甘肅洮河峽城水電站水輪機型號LH-ZZ550-360，水輪機額定功率13 MW，額定水頭16.2 m，額定流量88.4 m3/s，額定轉速166.7 r/min，水輪機轉輪直徑3.6 m，吸出高度≤-5.02 m，尾水管長度15 820 mm，尾水管上翹角15.4°，水輪機設計抬機間隙為20 mm，調保計算導葉關閉規律：第一段關閉時間4.2 s，第二段關閉時間7 s，拐點為40%導葉開度。

3 現場反水錘試驗

3.1 峽城水電站機組試驗基本條件

按照調節保證計算結果對調速器進行兩段關閉規律進行調整試驗，兩段關閉動作正確；蝸殼、機組頂蓋、尾水管壓力測量裝置測試正確；試驗人員組織到位，進行機組甩負荷試驗。

3.2 試驗基本現象及結果

（1）甩負荷試驗主要數據（表1）

（2）甩負荷時主要現象

1）機組甩負荷后，轉速隨即上升，導葉在第一段關閉時，機組轉速上升不是最大值，蝸殼水壓上升出現最大值。

2）抬機現象沒有發生在機組轉速最大時，也不是機組頂蓋壓力最小時。

3）抬機現象主要發生在機組轉速開始下降的初期。

4）抬機高度和水輪機轉輪槳葉的角度有關，槳葉開度越小，抬機量越大；槳葉開度大，抬機量相對較小，但頂蓋壓力會急劇上升。

（5）補氣閥的補氣情況和抬機量對比：機組補氣閥不動作，抬機現象明顯嚴重；補氣充分，抬機現象明顯減輕。

（6）水輪機支持蓋處防抬機塊有明顯碰撞痕跡。

3.3 試驗現象分析

從以上試驗現象可以分析出：在機組導葉緊急關閉時，由于水流的慣性作用，轉輪室壓力突然降低，在轉輪室中產生一段真空，同時水流在下游水壓力作用下減速并反向運動，撞擊轉輪葉片，引起向上的水力沖擊，尾水管中的反向水流流向轉輪受阻而形成反水錘。在這個過程中，反水錘的形成應該有兩個前提：轉輪室中產生一段真空，尾水管的反向水流受阻。

但在甘肅洮河峽城水電站投產試驗中，盡管沒有出現轉輪室真空，抬機現象依然發生。分析主要原因是和電站尾水管的結構尺寸有關，設計尾水管較長，頂板上翹較大，甩負荷時尾水水流迅速回流。由于機組轉動部分的重量已定，電站水工建筑物的結構已經定型，這兩部分沒有調整的余度，但反水錘的危害性應設法減輕或消除。

4 利用調速器的功能重新調整調節規律

對于低水頭電站，可能會出現過高的反水錘壓力，但一般工程在進行調節保證計算時較少用反水錘壓力來確定機組導葉的關閉時間。

根據有關文獻對水輪機軸向水推力的分析和計算，并結合具體的水輪機，由于轉輪、流道都已固定，軸向水推力Pz和轉速n、流量Q可用下式加以描述：

式中k1和k2均為常量。

不難看出，只要控制好流量Q使其和轉速n保持一定的關系，就可保證軸向水推力Pz之值不會大于機組轉動部分的重量G，從而避免抬機。

機組甩負荷時調速器的基本要求是：機組甩100%負荷時蝸殼水壓上升率及機組轉速上升率均不應超過設計值；要觀察勵磁系統的穩定性，甩100%負荷時，發電機機端電壓超調量不大于15%，調節時間不大于5 s，電壓擺動次數不超過3次；甩100%負荷時，超過穩定轉速3%以上的波峰不超過2次，機組導葉第一次向開啟方向移動起到穩定轉速擺動值不超過±0.5%為止,調節時間不應大于40s。從微機調速器應用實踐情況表明，微機調速器有可靠、準確、靈活的調節控制功能，現代技術的發展機械液壓系統的隨動性也越來越好，調速器電氣部分和機械液壓系統的配合越來越靈活。大量的甩負荷情況表明，由于調速器微機調節器具有PID調節功能，甩100%負荷時，超過穩定轉速3%以上的波峰過程都只有1次。根據以上情況可以適當重新調整機組的關閉規律，設法避免機組在甩負荷時發生水輪機抬機量較大的現象。

將導葉分兩段關閉改為分三段關閉，機組的轉速上升率適當上調3%～5%，保證蝸殼水壓不變。由于低水頭電站機組轉速一般較低，設計所定的轉速上升值一般定在140%左右，適當調整轉速上升值不會對機組轉動部分造成危害。

調節基本思路是，為了控制蝸殼水壓，調整導葉關閉規律和時間，機組在甩負荷時導葉第一段快關時間不變，對導葉第二段關閉進行調整，在第二段關閉導葉時將導葉不關到零位，預留5～6%的導開度。這樣做的好處是蝸殼水壓仍可以得到有效地控制，機組緊急停機過程尾水管不脫流，或者說盡可能避免轉輪室真空現象發生。不足之處是，甩100%負荷時，超過穩定轉速3%以上的波峰會出現2次，但機組導葉第一次向開啟方向移動起到穩定轉速擺動值不超過±0.5%。調節時間相對于兩段關閉要略長，但不會超過40 s。

經過調整導葉關閉規律后，甩負荷試驗測得數據滿足了設計要求，轉動部分抬機量也有所降低。

主要試驗數據如表2：

5 防止抬機和減輕反水錘的有效方法探討

綜合上述各種情況表明，以下幾種措施可以防止抬機和減輕反水錘事故。

（1）合理選擇導葉關閉時間

在水電站設計中，導葉的關閉時間通常是以蝸殼水壓或壓力水管的要求按調節保證計算來確定的。但是，對于低水頭電站，由于可能出現過高的反水錘壓力，因此調節保證計算應考慮防止反水錘事故的發生來確定導葉關閉時間。

（2）合理選擇調節規律

當用調節保證計算無法解決反水錘與轉速升高的矛盾時，可改變導葉的關閉規律，工程中采用分段關閉導葉的方法非常有效，必要時采用三段關閉導葉，能理想地解決好這一問題。

（3）設備制造時可以適當加大補氣閥的尺寸，調整補氣閥的動作值，保證可靠補氣。

（4）在電站設計中，合理選擇尾水管結構尺寸，以降低尾水管反向水流的流速。

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TK730

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1672-5387（2010）04-0011-03

2010-04-19

雷江逵，男，高級工程師，從事大型水電站建設管理工作。