水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的研究與展望

林道遠(yuǎn),林建興

（福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司,福州 350004）

水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的研究與展望

林道遠(yuǎn),林建興

（福建水口發(fā)電集團(tuán)有限公司,福州 350004）

水輪機(jī)能否安全可靠的運(yùn)行是保證水電站正常運(yùn)轉(zhuǎn)的前提，對(duì)水輪機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的研究有助于水電站安全生產(chǎn)和提高檢修的效率。本文針對(duì)當(dāng)前國內(nèi)外水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性研究狀況進(jìn)行總結(jié)，并提出四點(diǎn)關(guān)于后續(xù)運(yùn)行穩(wěn)定性研究的新思路。

水輪機(jī)；水電站；運(yùn)行穩(wěn)定性

0 前言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，商業(yè)、工業(yè)以及生活等用電需求量不斷增長，導(dǎo)致我國供電緊張局面產(chǎn)生，并且傳統(tǒng)的火力發(fā)電存在高污染和高成本等缺點(diǎn)，急需發(fā)展新能源來替代傳統(tǒng)的發(fā)電形式[1]。而水利發(fā)電是傳統(tǒng)火力發(fā)電站之后最重要發(fā)電形式，水利發(fā)電成為緩解供電緊張和克服傳統(tǒng)火力發(fā)電缺點(diǎn)的重要手段。然而水輪機(jī)主要由轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉、導(dǎo)水控制機(jī)構(gòu)、尾水管和蝸殼等基本部件組成，在發(fā)電運(yùn)行中，各個(gè)部件能否正常工作又關(guān)系整個(gè)水輪機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性，直接影響水電站的發(fā)電任務(wù)。因此，正確對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定的研究，有助于水輪機(jī)科學(xué)合理的維護(hù)和保障水輪機(jī)高效安全的運(yùn)作，具有一定的實(shí)際工程和研究價(jià)值。

1 影響水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性因素分類研究

1.1 水輪機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)穩(wěn)定性

在水輪機(jī)組正常的運(yùn)維中，水輪機(jī)的異常振動(dòng)是最為常見不穩(wěn)定性因素之一[2]。水輪機(jī)機(jī)組一旦出現(xiàn)異常振動(dòng)現(xiàn)象，不僅會(huì)帶來嚴(yán)重的噪聲，還會(huì)帶來致命的安全事故造成無法估計(jì)的損失，如何有效解決水輪機(jī)振動(dòng)問題成為保障水輪機(jī)組安全運(yùn)行和高效生產(chǎn)的關(guān)鍵。

依據(jù)當(dāng)前的研究狀況，影響水輪機(jī)組的振動(dòng)因素可分為機(jī)械因素、水力因素以及電磁因素。機(jī)械因素引起的振動(dòng)主要是導(dǎo)軸承出現(xiàn)松動(dòng)剛性不足等缺陷導(dǎo)致導(dǎo)軸承瓦間隙過大引起水導(dǎo)處振動(dòng)過大，水輪機(jī)壓力脈動(dòng)頻率與上機(jī)架結(jié)構(gòu)固有頻率相接近引起水輪機(jī)組上機(jī)架振動(dòng)產(chǎn)生等，目前通過增加對(duì)導(dǎo)軸承的實(shí)時(shí)監(jiān)測以及在頂蓋向轉(zhuǎn)輪內(nèi)補(bǔ)入高壓空氣有限減緩振動(dòng)的產(chǎn)生。水力因素引起的振動(dòng)主要是水頭時(shí)常發(fā)生變化導(dǎo)致運(yùn)行處于非工況區(qū)域引起流道內(nèi)的壓力脈動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)，在無法徹底解決振動(dòng)問題，可以適當(dāng)避開這些運(yùn)行非工況振動(dòng)區(qū)。電磁因素主要是電氣部分產(chǎn)生干擾電磁力導(dǎo)致運(yùn)行磁拉力不均勻引起的振動(dòng)現(xiàn)象，通過勵(lì)磁試驗(yàn)給轉(zhuǎn)子磁極加上勵(lì)磁電流，有效排除磁拉力不均勻現(xiàn)象。由于水輪機(jī)組結(jié)構(gòu)的龐大性及工作狀態(tài)的復(fù)雜性，外界產(chǎn)生的各種干擾力都有可能是引起水輪機(jī)組振動(dòng)的影響因素，有必要對(duì)其它引起因素進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

1.2 水輪機(jī)葉片抗氣蝕穩(wěn)定性

當(dāng)前水輪機(jī)正在向大容量、高水頭、高比轉(zhuǎn)速方向發(fā)展，其氣蝕危害愈加明顯。氣蝕會(huì)破壞水輪機(jī)的過流部件，嚴(yán)重降低水輪機(jī)的出力和效率，甚至可能導(dǎo)致發(fā)電機(jī)組無法安全穩(wěn)定運(yùn)行，氣蝕已經(jīng)成為影響水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的一大障礙。由于氣蝕危害的嚴(yán)重性，各大水利發(fā)電研究機(jī)構(gòu)都作了大量的研究，總結(jié)一些有效的防止氣蝕措施。首先，從設(shè)計(jì)制造方面，對(duì)葉片翼型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)使其運(yùn)行受到水壓均勻和采用新的耐蝕、耐磨材料進(jìn)行葉片制造。其次，從運(yùn)行維護(hù)方面，在檢修期間，找出氣蝕最嚴(yán)重部位，對(duì)其部位進(jìn)行重點(diǎn)修復(fù)以及特殊涂層處理。最后，從進(jìn)水防護(hù)方面，在引水口設(shè)置防沙、沉沙及排沙設(shè)施。由于影響氣蝕產(chǎn)生的條件較為復(fù)雜，雖然目前找到較多的防止氣蝕的措施，但至今并沒有完善解決方法，因此有待進(jìn)一步研究來提高水輪機(jī)葉片抗氣蝕的穩(wěn)定性。

1.3 水輪機(jī)的調(diào)速穩(wěn)定性

水輪機(jī)調(diào)速器作為水輪發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的另一關(guān)鍵部件，具備功能多樣，運(yùn)行復(fù)雜以及操作力度強(qiáng)等特點(diǎn)。水輪機(jī)調(diào)速器是依據(jù)電腦傳達(dá)的指令肩負(fù)著調(diào)節(jié)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)水流量以及自行調(diào)整機(jī)械運(yùn)行狀況等功能，在實(shí)現(xiàn)這些功能的同時(shí)，必定引起一些故障的出現(xiàn)，導(dǎo)致水輪機(jī)運(yùn)行的不穩(wěn)定性。水輪機(jī)調(diào)速器出現(xiàn)故障主要存在以下幾個(gè)方面：調(diào)速器運(yùn)用了主用和備用兩套電氣設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行控制，但備用電氣調(diào)速系統(tǒng)時(shí)常存在測頻，大大降低了電氣調(diào)速器的備用率；安裝在主配位置上的傳感器穩(wěn)定性不高，造成機(jī)組不能準(zhǔn)確開啟導(dǎo)葉；外部供給工作電源出現(xiàn)波動(dòng)造成調(diào)速器的失電，在某種程度上降低調(diào)速器的可靠性；受到電磁干擾導(dǎo)致控制模塊信號(hào)采樣出現(xiàn)異常，引起發(fā)出不必要的故障信號(hào)。

針對(duì)上述出現(xiàn)的情況，提出相對(duì)性的解決方案：通過增加檢測測速傳感與大軸之間間隙設(shè)備解決測頻故障；選擇結(jié)構(gòu)可靠的傳感器防止機(jī)組長期運(yùn)行振動(dòng)導(dǎo)致的主配傳感設(shè)備出現(xiàn)故障；在調(diào)速柜中增加設(shè)置更加穩(wěn)定的電源模塊；進(jìn)行電磁干擾源分析，通過采用現(xiàn)場抑制干擾源措施和提高調(diào)速器本身的電磁兼容性增強(qiáng)抗擾度。但這些解決措施都是針對(duì)單一影響因素進(jìn)行提出并無法保證調(diào)速器長期穩(wěn)定運(yùn)行的要求，非常有必要對(duì)調(diào)速器穩(wěn)定性進(jìn)行更加系統(tǒng)的研究。

2 水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的研究方向展望

針對(duì)上述影響因素研究，盡管現(xiàn)在針對(duì)各大影響因素提出了針對(duì)性的解決方法，但每種方法都存在一定的缺陷或者需要進(jìn)一步的提升，本文作者依據(jù)目前學(xué)術(shù)以及實(shí)際應(yīng)用中的最新理論，對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的研究方向提出了以下四點(diǎn)思路：

（1）對(duì)水輪機(jī)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)一步的剖析，融合最新智能傳感技術(shù)和智能分析診斷方法，提升對(duì)水輪機(jī)的整體監(jiān)測水平，以及提高水輪機(jī)整體運(yùn)行穩(wěn)定性。

（2）針對(duì)于葉片空化空蝕現(xiàn)象，運(yùn)用非線性有限元對(duì)各種引流狀態(tài)參數(shù)對(duì)水流沖擊葉片受力分析及磨損進(jìn)行研究，找出最佳的參數(shù)（如葉片表面最適宜粗糙度、水流速度等），最大限度減少水力腐蝕，并且采用新型抗磨蝕材料，提高葉片的使用可靠性和壽命，縮短檢修時(shí)間創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。

（3）從設(shè)計(jì)制造出發(fā)，運(yùn)用一些國際上新型的水輪機(jī)機(jī)構(gòu)，降低水輪機(jī)組運(yùn)行的振動(dòng)不穩(wěn)定性。

3 總結(jié)

總之，水利發(fā)電機(jī)組運(yùn)行是否穩(wěn)定性，不僅關(guān)系整個(gè)水電站的正常安全生產(chǎn)，而且影響水電站能否承擔(dān)調(diào)峰調(diào)頻的重大任務(wù)，因此，對(duì)水力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的探討具有現(xiàn)實(shí)的重大意義。本文闡述影響水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的三大方面，簡單論述這些不穩(wěn)定因素產(chǎn)生的原因，總結(jié)目前解決不穩(wěn)定因素的方法，并且分析這些方法存在的不足，根據(jù)目前國內(nèi)外學(xué)術(shù)以及實(shí)際應(yīng)用最新理論，提出幾點(diǎn)研究方向展望，希望可以為從事研究運(yùn)行穩(wěn)定性的同行提供一些新的思路。

[1]鄭立新.淺談水電站水輪機(jī)的安裝方法[J].水利與環(huán)保,2014,5（下旬月）:415.

[2]唐聰.試論水輪機(jī)異常現(xiàn)象的處理[J].機(jī)械與工藝,2014,5（上旬刊）:205.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.028