水輪機(jī)穩(wěn)定性影響因素分析與優(yōu)化策略

黃商

摘 要：隨著我國(guó)水輪機(jī)設(shè)計(jì)大容量和大尺寸趨勢(shì)日益明顯，水輪機(jī)組的轉(zhuǎn)速也逐步提升。在實(shí)際的使用過(guò)程中，如何保證水輪機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行，已經(jīng)成為了現(xiàn)階段人們重點(diǎn)關(guān)注的一項(xiàng)重要問(wèn)題。基于此，文章對(duì)水輪機(jī)穩(wěn)定性影響因素與優(yōu)化策略進(jìn)行了探討與分析。

關(guān)鍵詞：水輪機(jī)；穩(wěn)定性；設(shè)計(jì)；運(yùn)行；策略

中圖分類號(hào)：TK733 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）30-0131-02

Abstract： With the increasing trend of large capacity and large size in the design of hydraulic turbines in China， the speed of turbine sets has been gradually increased. In the actual use process， how to ensure the safe and stable operation of the turbine unit has become an important issue of concern at this stage. Based on this， this paper discusses and analyzes the factors affecting the stability of hydraulic turbine and the optimization strategy.

Keywords： turbine； stability； design； operation； strategy

隨著近年來(lái)我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)水平的不斷提升，我國(guó)的水電站事業(yè)也得到了飛速的發(fā)展。水輪機(jī)作為水電站運(yùn)行過(guò)程中較為重要組成部分，近年來(lái)其發(fā)展也呈現(xiàn)出向大容量、大尺寸發(fā)展。盡管大容量以及大尺寸水輪機(jī)可以在較大程度上提升水電站的運(yùn)行效率，但是由于其剛度弱化加之水電站智能化水平的提升[1]，使得水輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的越來(lái)越受到人們的關(guān)注。現(xiàn)階段我國(guó)較為常用的水輪機(jī)類型為混流式水輪機(jī)，如何在這類水輪機(jī)設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)過(guò)程中提升其運(yùn)行的穩(wěn)定性，對(duì)于保證我國(guó)水電站的安全運(yùn)行有著非常深遠(yuǎn)的影響。

1 水輪機(jī)安全運(yùn)行穩(wěn)定性概述

對(duì)于水輪機(jī)安全運(yùn)行穩(wěn)定性而言，其主要指的就是水輪機(jī)組實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中所表現(xiàn)出來(lái)的機(jī)械振動(dòng)以及水力振動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，水輪機(jī)安全運(yùn)行穩(wěn)定性較差，其主要表現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)以及水力振動(dòng)頻率較高且振幅較大；水輪機(jī)安全運(yùn)行穩(wěn)定性較好，其主要表現(xiàn)為機(jī)械振動(dòng)以及水利振動(dòng)頻率較低且振幅較小。在實(shí)際的水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，如果其安全運(yùn)行穩(wěn)定性較差，其必然會(huì)影響到水輪機(jī)安全運(yùn)行，久而久之，水輪機(jī)設(shè)備表面也會(huì)出現(xiàn)諸多裂紋，嚴(yán)重者會(huì)對(duì)整個(gè)水電站的安全運(yùn)行造成不良影響[2]。盡管現(xiàn)階段我國(guó)的水輪機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)以及制造水平已經(jīng)得到了較大的提升，但是在水電站水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，依然會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)問(wèn)題，使得我國(guó)水電站安全性以及經(jīng)濟(jì)性并未得到真正的保障。只有加強(qiáng)對(duì)于影響水輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行因素的分析，才能從根本上保證水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的發(fā)揮。在現(xiàn)階段我國(guó)水電站發(fā)展過(guò)程中，其中作為常用的水輪機(jī)類型為混流式水輪機(jī)。由于其水頭范圍較寬以及結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，因此，在實(shí)際的水電站運(yùn)行過(guò)程中，混流式水輪機(jī)的應(yīng)用[3]，可以在較大程度上提升水電站的工作效率。

2 影響水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性的主要因素

2.1 水力因素

水力因素作為主要的水輪機(jī)組水力穩(wěn)定性因素，盡管其對(duì)水輪機(jī)組設(shè)計(jì)工作產(chǎn)生的影響并不是特別大，但是在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，也往往會(huì)對(duì)混流式水輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生非常嚴(yán)重的影響。一般來(lái)說(shuō)，在水輪機(jī)組正常運(yùn)行過(guò)程中，其轉(zhuǎn)輪出口會(huì)持續(xù)流出水且轉(zhuǎn)輪不會(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。而當(dāng)水輪機(jī)組處于非最優(yōu)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，由于水輪機(jī)機(jī)尾水管受到作用力，轉(zhuǎn)輪出口處的水流大多呈環(huán)狀；當(dāng)水輪機(jī)組的低水頭部分有40%-70%處于負(fù)荷狀態(tài)時(shí)，其轉(zhuǎn)輪出口處水流呈正向旋轉(zhuǎn)并形成相應(yīng)的帶狀漩渦，一旦形成帶狀旋渦，必然會(huì)對(duì)水輪機(jī)組的振動(dòng)作用產(chǎn)生影響，進(jìn)而對(duì)混流式水輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成嚴(yán)重的影響。在實(shí)際的水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，水力因素對(duì)于其影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：首先，扶流翼末端出現(xiàn)卡門(mén)渦流，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片由于受其影響，將會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)迫性的振動(dòng)，并且一旦振動(dòng)頻率與葉片振動(dòng)頻率呈正態(tài)分布時(shí)，將會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)輪葉片造成嚴(yán)重的損害，輕者轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂縫，重者轉(zhuǎn)輪葉片將會(huì)直接斷裂[4]；其次，受水力因素的影響，水輪機(jī)組的設(shè)計(jì)工況往往會(huì)與實(shí)際運(yùn)行工況不匹配，這樣一來(lái)就是造成葉片在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)脫流現(xiàn)象，必然會(huì)對(duì)水輪機(jī)組的正常運(yùn)行造成嚴(yán)重的影響。

2.2 設(shè)計(jì)因素

水輪機(jī)設(shè)計(jì)因素作為影響水輪機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素，在實(shí)際的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一旦結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及工作質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題，必然會(huì)對(duì)水輪機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成一定的影響。筆者研究發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)因素中，其中幾個(gè)因素對(duì)于水輪機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生著非常直接影響。

首先是過(guò)流部件的影響。所謂的過(guò)流部件，指的就是水輪機(jī)頂蓋、底環(huán)剛度等等[5]。在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，過(guò)流部件由于受流道中水流壓力的影響，常常導(dǎo)致相關(guān)構(gòu)件出現(xiàn)彈性形變；加之水流攪動(dòng)下每個(gè)部件都會(huì)發(fā)生振動(dòng)，當(dāng)振動(dòng)頻率與部件中自身頻率相同時(shí)，其振動(dòng)問(wèn)題更加明顯，不但會(huì)對(duì)設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生影響，而且在運(yùn)行過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲污染。

其次，水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的生產(chǎn)工藝。在實(shí)際的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪加工生產(chǎn)過(guò)程中，由于生產(chǎn)或者加工工藝設(shè)計(jì)不合理或者是加工過(guò)程中操作不規(guī)范，往往會(huì)造成轉(zhuǎn)輪葉片型線不精確或者是焊接誤差出現(xiàn)，一旦這類產(chǎn)品應(yīng)用到實(shí)際地水輪機(jī)組中，必然會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)問(wèn)題。

最后是迷宮環(huán)加工問(wèn)題。在實(shí)際的水輪機(jī)組生產(chǎn)加工過(guò)程中，一旦迷宮環(huán)加工的橢圓度過(guò)大，迷宮間的間隙必然會(huì)變大，這樣一來(lái)，極易引起水輪機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題出現(xiàn)，嚴(yán)重影響其安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.3 水輪機(jī)構(gòu)件質(zhì)量因素

除了上述的兩組因素之外，水輪機(jī)構(gòu)件以及安裝質(zhì)量因素也是影響水輪機(jī)構(gòu)件安全運(yùn)行的重要因素。在實(shí)際的水輪機(jī)構(gòu)件安裝過(guò)程中，如果導(dǎo)軸承不符合現(xiàn)階段相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，一旦將其應(yīng)用到水輪機(jī)組中，勢(shì)必會(huì)對(duì)其安全運(yùn)行產(chǎn)生影響；其次，在安裝過(guò)程中，導(dǎo)軸承安裝互不同心或者是軸線不正，也會(huì)對(duì)水輪機(jī)組的安全運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。除此之外，導(dǎo)葉開(kāi)口值調(diào)整設(shè)定不均勻，也會(huì)產(chǎn)生水輪機(jī)振動(dòng)，進(jìn)而影響水輪機(jī)的安全運(yùn)行。

3 提升水輪機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行的具體措施分析

3.1 提升水輪機(jī)的水力設(shè)計(jì)水平

要想保證現(xiàn)階段我國(guó)水電站水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中的安全穩(wěn)定運(yùn)行，其中非常重要的一項(xiàng)工作就是做好水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)水平的整體提升工作。首先，應(yīng)保證參與水輪機(jī)設(shè)計(jì)的相關(guān)人員其專業(yè)知識(shí)以及職業(yè)素養(yǎng)整體水平，并將一些專業(yè)知識(shí)扎實(shí)的人才吸收到實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中來(lái)，為其設(shè)計(jì)提供良好的人才保障；其次隨著現(xiàn)階段CFD以及模型試驗(yàn)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛[5]，相關(guān)設(shè)計(jì)人員應(yīng)不斷加強(qiáng)自身的學(xué)習(xí)以及實(shí)踐水平，將現(xiàn)代新型技術(shù)應(yīng)用的具體的設(shè)計(jì)過(guò)程中當(dāng)中，通過(guò)CFD技術(shù)以及模型試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪葉以及泄水錐等相關(guān)構(gòu)件進(jìn)行合理的優(yōu)化，并以此為基礎(chǔ)不斷提升水輪機(jī)機(jī)尾脈動(dòng)控制的合理性水平。

3.2 提高水輪機(jī)日常管理水平

科學(xué)合理的日常管理，不僅可以有效地提升水輪機(jī)組相關(guān)設(shè)備的運(yùn)行效率，還可以在一定程度上延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。因此，要想實(shí)現(xiàn)水電站水輪機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性整體水平的提升，做好水輪機(jī)日常管理工作也是其中非常重要的一項(xiàng)工作。在這一過(guò)程中，水電站相關(guān)管理人員應(yīng)首先從最大限度上保證水輪機(jī)組相關(guān)設(shè)備在規(guī)定范圍內(nèi)進(jìn)行工作，由于水電站中各個(gè)組成系統(tǒng)都有調(diào)頻以及調(diào)峰任務(wù)，因此，在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，應(yīng)將調(diào)頻以及調(diào)峰的小時(shí)數(shù)控制在一定的范圍之內(nèi)，這一范圍以5%為宜；其次，運(yùn)行過(guò)程中盡量躲避振動(dòng)區(qū)域，一般來(lái)說(shuō)，水輪機(jī)組大約有兩個(gè)振動(dòng)區(qū)，因此，在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，相關(guān)管理人員可以通過(guò)較快的速率來(lái)進(jìn)行設(shè)備開(kāi)啟和停運(yùn)，這樣可以有效躲避振動(dòng)區(qū)域[6]，此外，在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，還應(yīng)盡可能的減少對(duì)于設(shè)備的開(kāi)啟以及停運(yùn)頻率，以此來(lái)保證有效的防止振動(dòng)的發(fā)生；最后，相關(guān)設(shè)備管理人員還應(yīng)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行模式進(jìn)行必要的監(jiān)測(cè)，以此為基礎(chǔ)來(lái)及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備出現(xiàn)的各類問(wèn)題，保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 做好水輪機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量控制以及設(shè)備維護(hù)工作

做好水輪機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量控制以及設(shè)備維護(hù)工作也是保證水輪機(jī)組穩(wěn)定安全運(yùn)行的重要途徑之一。對(duì)于水輪機(jī)組產(chǎn)品質(zhì)量控制工作而言，在實(shí)際的工作過(guò)程中，相關(guān)質(zhì)量管理人員應(yīng)首先保障相關(guān)通路部件的剛度，以此為基礎(chǔ)防止其由于受水力作用而發(fā)生變形；其次是做好設(shè)計(jì)階段的質(zhì)量控制工作，從源頭上降低質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生率。而對(duì)于設(shè)備維護(hù)工作而言，其主要是對(duì)水輪機(jī)葉片、轉(zhuǎn)輪以及相關(guān)易磨損構(gòu)件進(jìn)行維護(hù)以及檢修，并在補(bǔ)焊的過(guò)程中注意構(gòu)件變形，待完成相應(yīng)的無(wú)損檢測(cè)后[7]，才能真正投入使用。

綜上所述，隨著近年來(lái)我國(guó)現(xiàn)代化建設(shè)水平的不斷提升，我國(guó)水電事業(yè)也得到長(zhǎng)足的發(fā)展。基于這種背景，水輪機(jī)設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)也呈現(xiàn)出大容量、大尺寸的發(fā)展趨勢(shì)。只有做好水輪機(jī)設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)工作，才能從根本上不斷提升水輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。并且隨著我國(guó)相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，做好水輪機(jī)的安全運(yùn)行工作，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)水電站事業(yè)的長(zhǎng)期有效發(fā)展也有著非常積極的意義。

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