大變幅水頭機組在紫坪鋪水電站的應用

摘 要：水頭是水輪發電機組的重要參數。水頭變幅過大對水輪發電機組的振動有很大影響。為避免機組在振動區運行，就要全面分析大變幅水頭機組的運行工況，產生振動的各種原因。本文以紫坪鋪電站機組為例，討論大變幅水頭機組的運行工況和運行特點，讓機組運行在最有工況。

關鍵詞：水輪機 發電機 水頭 故障

中圖分類號：TU457 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）04（b）-0134-02

四川成都市內的紫坪埔鋪電站位于都江堰市紫坪鋪鎮西北60多公里的岷江上游地段。它也是上游岷江干流中六級開發的第5級電站。該電站主要是由供水和灌溉為主，同時具有防洪、旅游、供電以及環境保護等特點，也是綜合效益并發的大型水利樞紐工程。該水庫總容量為11.12億m3，正常的水庫庫容為9.98億m3，同時正常的蓄水位是877 m，死水位是817 m，汛限制水位為850 m。鋼筋混凝土的面板堆石壩中的壩高為156 m，壩頂高位884 m，其中電站裝機為4×190 MW，保障出力為168 MW，且每年的平均發電量為34.17億kW·h。故該工程是一等項目，主要的建筑物為Ⅰ級

1 水輪發電機組特點

紫坪鋪電站的水輪發電機組表面上看沒有太大的難度，因為，從裝機容量上看，其單機只有190 MW，從部件尺寸看，其轉輪直徑只有4.85 m，發電機機座號只有10.8 m，都不算很大，但電站有一個特點，其最大水頭為132.76 m，最小水頭為68.4 m，比值高達1.94，且其出力跨度從100 MW到240 MW，比因運行范圍寬而引起全國廣泛關注的三峽電站機組有過之而無不及（三峽水頭變幅為113 m/61 m=1.852，出力變幅為852 MW/497 MW），因此在設計過程中便對機組在超寬運行范圍內的穩定性和振動特點給予了充分的關注，采取了如下措施。

其一，為了避免機組在高水頭段出現葉片進流沖角過大，要求水輪機廠家盡量提高機組的設計水頭（最優水頭）。

其二，由于機組最大水頭超過額定水頭的1.3倍，為了避免機組在高水頭運行時開度較?。ㄟ@種工況很可能會引發水力振動），設計了發電機最大出力，為240 MW（額定為190 MW），這樣可以完全避開這個水頭段可能的振動區。

其三，對于補氣，除了慮常規的自然補氣外，還預留了壓縮空氣補氣接口。

其四，在作水輪機參數選擇時將穩定性參數放在首位，將經濟性和能量指標的先進性放在相對次要的位置。

最終紫坪鋪電站的水輪機選擇了由東方電機股份有限公司生產提供，他們提供的水輪機轉輪部件從俄羅斯LMZ公司進口，水輪機葉片采用負傾角的“X”形葉片，以提高水輪機在高水頭運行的穩定性。俄羅斯LMZ公司在水力穩定性方面的成就應該說是世界領先的。LMZ公司提供的類似電站業績表明，在大水頭變幅轉輪方面他們是有豐富經驗的，所提供的幾個電站參數也與紫坪鋪電站參數極其接近，并已運行多年，下面是這幾個電站及紫坪鋪的參數比較表。（如表1）

2 大變幅水頭機組的水力穩定性

近年來，我國水電事業迅猛發展，單機容量越來越大，水頭越來越高，水頭變幅越來越大，而大型混流式機組因水頭變幅過大，經常會出現振動、葉片裂紋問題，如中國的巖灘、五強溪、隔河巖、天荒坪、大朝山、小浪底等。經過研究發現：運行不穩定或水力穩定性較差的機組大多數為水頭變幅大的混流式機組。這些水頭大變幅機組，當額定水頭太低時（Hmax/Hr≥1.15），發電機出力限制線在高水頭區過分地侵入水輪機高效區，可能導致大部分高效區被發電機出力限制線限制在外。另外，當水輪機在高水頭、效率低區域運行時，由于導葉開度小，出現葉片進口水流正沖角過大，造成葉片進口邊負壓面脫流空化而形成進水邊空蝕（葉道渦），而進水邊空蝕會產生很大的壓力脈動，致使機組強烈振動，對水輪機破壞很大。如巴基斯坦塔貝拉水電站，當運行水頭高于設計水頭以上時，振動與噪音明顯增大，運行2500～4000 h后發現螺絲松動，尾水管里襯開裂，葉片產生裂紋。一般情況下水輪機參數（Hmax—Hmin）/Hp≤0.3～0.4，而紫坪鋪電站參數（Hmax—Hmin）/Hp=0.63。在高水頭運行時，進水正沖角較大，可能會導致葉道渦產生，因此適當提高紫坪鋪電站水輪機的設計水頭和發電機最大出力是必要的，另外水輪機采用負傾角的“X”形葉片也可以提高水輪機在高水頭運行的穩定性。為此，俄羅斯LMZ公司在2003年7、8月對紫坪鋪電站的PO140轉輪進行了能量、空化、穩定性、導葉水力矩、軸向水推力等性能試驗。通過大量試驗俄羅斯LMZ公司得出了以下結論：（1）PO140轉輪效率指標比較先進，并且有較大的出力余量；（2）PO140轉輪具有較好的空化指標，即使在超發工況下，水輪機也有較好的空化性能。但是，如果較長時間運行在部分負荷工況下，也將使水輪機葉片進水邊背面和葉片出水邊靠上冠部分及上冠部分產生較嚴重的氣蝕；（3）PO140轉輪在水頭小于80 m，單位流量450～650 L/s區域有一個壓力脈動較大的區域，該區域內主頻下得最大壓力脈動達7%，屬于水力不穩定區，機組運行時應盡量避免運行在該區域，以免給機組造成損壞。

3 大變幅水頭對紫坪鋪水電站的影響

（1）2011年3月28日，在2#機組計劃B修中，發現頂蓋止漏環焊縫有嚴重開裂脫空情況，在3#導葉至7#導葉之間對應止漏環有寬度為0.7 mm、深度為3 mm、長度約3 m的裂縫且銹蝕嚴重；其它方位也有不同程度的裂紋和銹蝕現象，裂縫長度占焊縫總長度的1/5。在分析測量數據中發現，止漏環總間隙之間的差距較大，且測量數據無明顯規律。在頂蓋被拆出后還發現活動導葉4#、5#、6#、7#對應的頂蓋止漏環表面顏色較深，有燒損跡象。針對止漏環開裂問題，電廠立即通知廠家技術人員現場檢查，研究并分析頂蓋止漏環焊縫開裂的原因，提出了拆除頂蓋返廠，用備品更換現有的止漏環，徹底解決2#機組止漏環存在的問題。而造成紫坪鋪電站2#機組頂蓋止漏環焊縫嚴重開裂脫空的一個重要原因就是水頭比值高達1.94的大變幅水頭對轉輪的影響。由于其水輪機在低水頭35%～45%預想出力范圍內，高水頭40%～70%預想出力范圍內壓力脈動較大，造成了水輪機振動非常嚴重，這就使得2#機組頂蓋止漏環焊縫嚴重開裂脫空。

（2）紫坪鋪電站四臺機組技術供水系統減壓閥選用的是以色列DOROT減壓閥膜片差壓式減壓閥，2006年10月5日，發現3#機組技術供水減壓閥動作異常，全開后無法關閉。于是對3#機組技術供水減壓閥進行了拆卸檢修，發現減壓閥閥桿斷裂、中心導向爪損壞、閥座脫落，經更換損壞部件回裝后工作正常。在2007年11月，2#機組和4#機組技術供水減壓閥又相繼出現了類似問題。在機組投運后不到兩年時間，先后有3臺機組減壓閥出現了基本相同的問題，而造成這種問題一個重要的原因就是紫坪鋪電廠機組水頭在68.4m～132.76 m變化。最初設計考慮采用兩級減壓方式實現，即第一級減壓至0.80 MPa，第二級減壓至0.30～0.40 MPa。但由于現場管路布置條件限制，只能安裝一臺減壓閥，因此設計最終定為一級減壓，該減壓閥的最大減壓比為1∶3，當水頭達到最大水頭132.76 m時，該減壓閥出口最低能調至0.46 MPa，而紫坪鋪電站機組技術供水水壓在0.25～0.40 MPa最為合適。因此該減壓閥在技術供水系統中，經常工作于正常工作調節壓力范圍之外，長期工作在惡劣工況區，導致減壓閥使用壽命短，容易損壞。最后紫坪鋪電站對技術供水減壓閥進行了改造，采用了ZJY46H-16型活塞式減壓閥，該減壓比能達到10∶1，所以能滿足我廠68.4～132.76 m水頭下，減壓閥后壓力為0.25～0.40 MPa的變幅范圍，同時一級減壓即可。

4 提高紫坪鋪水輪機穩定運行的措施

對于紫坪鋪電站這樣水頭變幅達到1.94的機組而言，應該把安全穩定運行放在首位。然而紫坪鋪水電站在系統中又要擔任調峰調頻的任務，這對水輪機是一個嚴峻的挑戰。

（1）從PO140轉輪特性看，在水頭小于80 m、單位流量450～650 L/s區域內有一個壓力脈動較大的區域，該區域內主頻下的最大壓力脈動多達7，屬水力不穩定區，機組運行時，應盡量避免運行在該區域，以免給機組造成損害。

（2）水輪機在低水頭35～45預想出力范圍內，高水頭40～709/5預想出力范圍內壓力脈動較大，應盡可能避免在該區域運行。

（3）在高水頭區域，應盡可能運行在大負荷工況。為適應這一工況，建設下游反調節水庫對水輪機安全運行是極其有利的。

5 結語

大變幅水頭對水輪發電機組的危害之大，從紫坪鋪水電站的運行中便能看出，而要把大變幅水頭機組的安全穩定運行放在首位，就必須從設計方面、制造方面、安裝方面、運行環境方面入手，全方位考慮，把大變幅水頭機組的安全穩定運行切切實實落到實處。大變幅水頭在紫坪鋪電站中的應用也為未來國內其他大變幅水頭電站的建設和運行提供了寶貴的經驗。

參考文獻

[1] 于波，肖惠民，水輪機原理與運行[M].中國電力出版社，2008.

[2] 四川省水利勘測設計院，紫坪鋪水利樞紐工程初步設計報告，1994.