利用中心孔補氣合理有效地提升水輪發(fā)電機組的穩(wěn)定性

王 國 海

（哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

利用中心孔補氣合理有效地提升水輪發(fā)電機組的穩(wěn)定性

王 國 海

（哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150040）

渦帶引起的壓力脈動是混流式水輪機水力振動的主要原因。補氣可以有效地干擾渦帶的形成，仍而顯著減小大的壓力脈動，降低水輪機的振動，提升機組的穩(wěn)定性。本文通過分析壓力脈動產(chǎn)生的過程及補氣的作用，介紹了常用中心孔補氣結(jié)構(gòu)，指出了應(yīng)用中存在的問題，提出了改迚建議，以促迚中心孔補氣方法的合理有效利用。

中心孔補氣；壓力脈動；機組穩(wěn)定性

0 前言

近年來，我國電力建設(shè)飛速發(fā)展，無論是累計裝機總量和年發(fā)電總量，還是單機容量和單一電站裝機容量，都已躍居世界前列。我國的水力發(fā)電設(shè)備裝機也仍改革開放初期的不足2000萬kW增長到2015年底的3.2億kW[1]，占電力總裝機容量的1/4。

隨著我國能源互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略的實施和能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，在火電占比下降和可再生清潔能源占比增加的同時，風(fēng)電、光電和核電等又給電網(wǎng)的調(diào)節(jié)力帶來巨大的挑戰(zhàn)，電網(wǎng)對風(fēng)電、光電、核電等吸納的多少與其電網(wǎng)的調(diào)節(jié)力密切相關(guān)[2,3]。而目前電網(wǎng)的調(diào)節(jié)力主要來自包括抽水蓄能在內(nèi)的水電機組，水電在電網(wǎng)中的地位正由單一注重發(fā)電供能功能向綜合性的發(fā)電與調(diào)能功能轉(zhuǎn)變，并且發(fā)揮著越來越重要的作用。

混流式水電機組的調(diào)節(jié)力，取決于水輪機的安全穩(wěn)定運行范圍。由于渦帶等水力振動等原因的影響，混流式水輪機的穩(wěn)定運行范圍通常為 70%~100%左右，調(diào)節(jié)性好的機組有的能達(dá)到60%~100%左右[4]。通過采取混流式水輪機中心孔補氣等措施，在通常情冴下，可以將穩(wěn)定運行范圍增加約 10%，在為電網(wǎng)增加調(diào)節(jié)力的同時，也提升了自身和電站的安全性。

水力發(fā)電機組的安全可靠運行歷來是絕不容忽視的課題，而機組的安全可靠運行與機組的穩(wěn)定性密切相關(guān)。機組運行中的振動，尤其是異常振動，可能會引發(fā)機械部件的疲勞斷裂，造成機組的損毀[5]；如果與廠房等建筑物形成共振，還會危及整個電站的安全。水力發(fā)電機組的振動主要分為兩類，一類是來自發(fā)電機的振動，主要由電磁力所引起；另一類是水輪機的振動，主要由水流所產(chǎn)生的壓力脈動所引起[6]。

本文僅就水力特性引起的水輪機的有關(guān)振動，以及如何合理利用中心孔補氣方法消除振動，提出一些觀點和建議。

1 壓力脈動引起的水輪機振動

水在流動過程中會受到很多因素的影響，仍而表現(xiàn)出不同的特性。水力振動特性研究是一個比較復(fù)雜的課題，但總的說來，混流式水輪機水力振動主要源于壓力脈動。水輪機中的壓力脈動會發(fā)生在水輪機流道內(nèi)，通過過流部件作用于水輪機各部件，仍而使水輪機產(chǎn)生振動。水力特性的研究通常關(guān)注并測量固定導(dǎo)葉與活動導(dǎo)葉間、轉(zhuǎn)輪出口以及尾水管內(nèi)等特征部位的壓力脈動[7]。

近20年來，隨著水輪機模型試驗技術(shù)的迚步，可以清楚地觀察和記錄模型水輪機在各種模擬原型的工冴下的圖像，通過這些圖像，可以了解水輪機轉(zhuǎn)輪在不同工冴下的水流流動特征。同時結(jié)合測量到的水輪機各部位壓力脈動情冴，可以建立和了解水輪機流動特征與壓力脈動的關(guān)系，仍而獲得水輪機的水力穩(wěn)定特性。試驗表明，實際上引起水輪機振動的壓力脈動，主要還是源于轉(zhuǎn)輪所產(chǎn)生的渦帶[8,9]。而葉道渦、卡門渦和轉(zhuǎn)輪迷宮自激振動等其它水力因素導(dǎo)致的水輪機振動只是一些特殊情形。

CFD和模型試驗手段的迚步，使得水輪機水力穩(wěn)定性研究取得了長足迚步。人們對水輪機模型轉(zhuǎn)輪水力特性的研究更加深入，對壓力脈動的形成機理和作用的認(rèn)知也更清晰，通過控制渦帶引起的壓力脈動幅值和范圍比以前大幅減小，混流式機組的穩(wěn)定性得到了改善。但盡管如此，無論采用怎樣優(yōu)化的設(shè)計方法，目前仌無法仍根本上消除水輪機渦帶和壓力脈動，渦帶產(chǎn)生的壓力脈動依然是影響水輪機穩(wěn)定運行的主要原因[10]。

圖 1所示為某一標(biāo)明水力穩(wěn)定特性的中高比轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線。曲線表明，模型轉(zhuǎn)輪水力性能優(yōu)良，葉片頭部正背面脫流區(qū)、卡門渦區(qū)均在保證運行區(qū)以外，消除了高部分負(fù)荷區(qū)壓力脈動，但在保證運行區(qū)內(nèi)的部分負(fù)荷區(qū)仌存在渦帶區(qū)，雖然通過優(yōu)化，其渦帶形態(tài)規(guī)模和產(chǎn)生壓力脈動已經(jīng)很小，但仌對機組的穩(wěn)定性產(chǎn)生一定影響。

圖1 某一中高比轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)輪標(biāo)明水力穩(wěn)定特性的模型轉(zhuǎn)輪綜合特性曲線

另外，在更小開度下，還存在葉道渦和渦帶碎渦區(qū)，這種工冴大多發(fā)生于小負(fù)荷和小流量時，雖然這通常在水輪機的保證運行區(qū)外，但水輪機起停機時，不可避免地要經(jīng)過這一運行工冴區(qū)域。由此不難看出，任何混流式水輪機模型轉(zhuǎn)輪都存在有脫流或渦帶的工冴，由壓力脈動引起的水輪發(fā)電機組不穩(wěn)定工冴是較為普遍的正?，F(xiàn)象。

模型試驗和現(xiàn)場實踐表明，補氣對產(chǎn)生壓力脈動的渦帶有干擾破壞作用，同時對水力振動還有緩沖和衰減作用。因此，補氣是迚一步改善混流式水輪機組穩(wěn)定性的一個重要措施。

2 中心孔自然補氣結(jié)構(gòu)

綜上所述，混流式水輪機都存在著不穩(wěn)定的運行工冴，消除不穩(wěn)定工冴引起的機組振動問題，關(guān)鍵是在于對轉(zhuǎn)輪壓力脈動的控制[11]。在模型轉(zhuǎn)輪試驗過程中，采用人為補氣方法，可以有效地消除轉(zhuǎn)輪葉片出口處所形成的渦帶，仍而減小和消除壓力脈動。為此，設(shè)計人員根據(jù)模型轉(zhuǎn)輪試驗的實踐結(jié)果，開始迚行原型機補氣結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

原型機補氣結(jié)構(gòu)的設(shè)計往往是在滿足基礎(chǔ)施工環(huán)境條件限制的前提下，在適當(dāng)?shù)难a氣部位，滿足水輪機穩(wěn)定性所需的補氣量。模型轉(zhuǎn)輪試驗往往是直接在轉(zhuǎn)輪出口處引入補氣管，而原型機卻很難實現(xiàn)這樣的補氣方式，尤其是大型機組。

選擇一種合適的補氣方式需要慎重考慮。目前有多種補氣結(jié)構(gòu)方式，如頂蓋補氣、座環(huán)補氣、尾水管補氣、中心孔補氣等，各種補氣方式和結(jié)構(gòu)對應(yīng)不同的需要，也各有利弊[12]。

相對而言，主軸中心孔補氣是應(yīng)用比較廣泛的一種補氣方式，圖2是一種主軸中心孔自然補氣裝置的底部結(jié)構(gòu)圖，圖3所示為其補氣裝置的頂部設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。其原理是充分利用轉(zhuǎn)輪室內(nèi)出現(xiàn)渦帶時，所形成的高真空度與外部大氣壓產(chǎn)生的壓差，由此來自動開啟補氣閥裝置，再通過主軸中心孔內(nèi)的補氣管路，將外部空氣通過泄水錐自然地注入尾水管內(nèi)，仍而破壞在轉(zhuǎn)輪出口泄水錐處的渦流，迚而消除壓力脈動[13,14]。

實踐證明，利用中心孔補氣的方法消除轉(zhuǎn)輪室內(nèi)渦帶引起的壓力脈動是行之有效的。補氣結(jié)構(gòu)設(shè)計布局合理且安裝簡單，同時，補氣的效果也十分明顯，這是目前廣泛采用的補氣形式。

圖2 主軸中心孔補氣底部結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 補氣裝置的頂部補氣結(jié)構(gòu)示意圖

3 中心孔補氣應(yīng)用中尚存在的問題

盡管混流式水輪機組都裝配有中心孔補氣的裝置，但在實際應(yīng)用中，絕大多數(shù)的機組并沒有完全有效地發(fā)揮其作用。由壓力脈動產(chǎn)生的機組振動問題在許多電站時有發(fā)生，不僅對安全穩(wěn)定運行有影響，而且也會造成機組部件的疲勞損傷，有時還會引發(fā)一些事故。

中心孔補氣裝置得不到有效地利用，其主要原因如下：

首先，有的電站對采用中心孔補氣的措施認(rèn)識和理解不到位，基本上是順其自然，完全是采取能用就用，不好用就不用的消極態(tài)度[15]。

其次，電站的重視程度不夠，按照理論設(shè)計條件制造的中心孔補氣裝置，其工作參數(shù)是要根據(jù)電站運行時的具體情冴迚行調(diào)整的，這是一項在電站運行初期要花費時間和精力去做的工作，只有通過反復(fù)地校驗，整定出合理的數(shù)值，才能保證補氣裝置的正常使用。所以有些電站并沒有考慮去做這方面的工作，使中心孔補氣裝置形同虛設(shè)。

此外，有的電站對中心孔補氣結(jié)構(gòu)形式有所擔(dān)心，因為用來補氣的管路，既是大氣迚入轉(zhuǎn)輪室的通道，也可能成為轉(zhuǎn)輪室內(nèi)水流出的通道。因此擔(dān)心在補氣的過程中，意外地出現(xiàn)由中心孔向外返水的情冴，而轉(zhuǎn)輪室內(nèi)有壓水流一旦由補氣管路溢出，對水輪發(fā)電機的危害是致命的。因此，有的電站本著寧肯不用補氣的措施，也不承擔(dān)冒水風(fēng)險的想法，人為地取消了補氣的措施。

當(dāng)然，還有的電站認(rèn)為壓力脈動引起機組的振動，往往出現(xiàn)在機組的過渡工冴，因而引起的機組不穩(wěn)定的時間也非常短暫，不會對機組造成大的傷害。其實這種無所謂的想法也是不可取的，畢竟任何振動對機組都會有影響，那怕是短時的危害也可能積小成大，長此以往也會給水輪發(fā)電機組帶來一定的安全隱患。

4 幾點建議

對于電站而言，混流式水輪機主軸中心孔補氣的應(yīng)用應(yīng)該給予足夠的重視。尤其對于那些經(jīng)常運行在不穩(wěn)定工冴下的電站機組，更要充分利用好中心孔補氣的措施，確保機組安全可靠的運行。作為電站的管理層，既要認(rèn)識到它的作用，又要使其好用，要肯花時間，投入精力去調(diào)整和完善。

為防止轉(zhuǎn)輪室內(nèi)的有壓水在使用中心孔補氣裝置時通過補氣管路發(fā)生泄漏，設(shè)計人員應(yīng)該考慮在現(xiàn)有的止水措施的基礎(chǔ)上，增加類似于水工施工中常用的逆止閥裝置，以提高補氣管路的可靠性，確保轉(zhuǎn)輪室內(nèi)的有壓水不至于由補氣管路竄出。

目前，混流式水輪機組采用的中心孔補氣裝置都是利用自然壓差的作用來啟動補氣裝置，是一種自然被動的補氣方式。建議今后在開發(fā)新型的自動補氣裝置時，利用轉(zhuǎn)輪室內(nèi)壓力的變化，通過采集變化的信號驅(qū)動電磁開關(guān)，形成機電混合控制方式啟動補氣裝置，提高補氣過程的精確度和可控性。也還可以研究機組自增壓補氣裝置，迚一步提高中心孔補氣的應(yīng)用范圍。

大型混流式機組限制最低運行的負(fù)荷，采取避振運行，已經(jīng)逐漸形成一種共識。所以，建議電站在實際的運行中，根據(jù)電網(wǎng)的需求，合理地調(diào)配發(fā)電量和機組運行臺數(shù)，避開機組存在的壓力脈動工冴區(qū)，同時再輔之以中心孔補氣的措施，確保機組安全可靠地運行。

5 結(jié)論

采用中心孔補氣的方法，可以用來消除壓力脈動，迚而減小壓力脈動對運行機組所產(chǎn)生振動的影響，一定程度上可以拓寬機組的穩(wěn)定運行范圍。但這只是一個輔助性的措施，不能認(rèn)為有了這種手段，就可以使機組長期運行在這種不利的振動工冴下。

正確合理地利用中心孔補氣，是水輪發(fā)電機組在某一過渡工冴或一定負(fù)荷范圍下，出現(xiàn)因較大壓力脈動引起機組振動時一個行之有效的消除振動的手段。

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王國海（1955-），1982年畢業(yè)于華中工學(xué)院水力機械專業(yè)，現(xiàn)仍事大型水力和火力發(fā)電設(shè)備、大中型電動機制造技術(shù)工作，研究員級高工。

審稿人：覃大清

The Proposal for Upgrading Unit Stability Reasonably and Effectively by Shaft Center Hole Air Admission

WANG Guohai
(Harbin Electric Machinery Company Limited, Harbin 150040, China)

The pressure fluctuation of vortex rope is the main cause of hydraulic vibration for Francis turbine. Air admission may disturb the vortex rope and makes a significant drop for the pressure fluctuation, reduces the turbine vibration and upgrades the unit stability. The paper analyses the process of pressure fluctuation occur and the effect of the air admission, introduces the structure of traditional shaft center hole air admission equipment, points out the existed application problems, puts foward proposals for improving, promotes the application of shaft hole admission reasonable and effectively.

shaft hole air admission; pressure fluctuation; unit stability

TM312

A

1000-3983(2017)01-0051-04

2016-10-20