淺析水輪機(jī)運(yùn)行工況與磨蝕

景國(guó)強(qiáng)，柴生文

(劉家浪水電有限責(zé)任公司，甘肅 岷縣 748400)

1 概 述

劉家浪水電站位于甘肅省岷縣境內(nèi)，是在洮河干流上建成的1座低壩、明渠引水式電站。始建于1978年，1984年10月1、2號(hào)機(jī)組發(fā)電運(yùn)行，1991年竣工，裝機(jī)容量4×2 000 kW；2002年5月并入電網(wǎng)運(yùn)行，之前長(zhǎng)期處于孤網(wǎng)發(fā)電。不穩(wěn)定運(yùn)行因素給電站的各類設(shè)備帶來(lái)非常大的安全隱患，也加大了運(yùn)行和檢修困難，給企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益帶來(lái)不可估量的損失。為此， 水電站從2002年開(kāi)始分期對(duì)4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組、調(diào)速系統(tǒng)、勵(lì)磁裝置、計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行了全面技術(shù)改造，裝機(jī)容量由8 000 kW增至10 500 kW；改善了機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性、安全性、經(jīng)濟(jì)性，創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

運(yùn)行工況的不斷變化和調(diào)整是每座水電站發(fā)電運(yùn)行過(guò)程中最常見(jiàn)的現(xiàn)象，也是根據(jù)水流量變化、機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)、電網(wǎng)調(diào)度內(nèi)外因素導(dǎo)致不斷由主動(dòng)變被動(dòng)運(yùn)行的一種實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)；所以水電站運(yùn)行人員要根據(jù)實(shí)際情況在不同運(yùn)行狀態(tài)下進(jìn)行運(yùn)行作業(yè)，要不斷總結(jié)各種運(yùn)行工況下對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組最有利的發(fā)電運(yùn)行模式，也就是最優(yōu)運(yùn)行工況；以最大努力降低各種空蝕磨損、過(guò)流部件的損壞和磨損，保證設(shè)備的安全運(yùn)行時(shí)效，提高設(shè)備安全運(yùn)行壽命，真正做到盡可能的節(jié)能降耗、科技創(chuàng)新的新型運(yùn)行理念。

2 運(yùn)行工況不良帶來(lái)的影響

2.1 水頭利用率不足

水頭是水電站運(yùn)行的一個(gè)重要指標(biāo)，也是設(shè)備安全運(yùn)行的前提，高水頭運(yùn)行不但可在同等條件下(導(dǎo)葉開(kāi)度70%，流量17.42 m3/s，額定水頭17 m)提高設(shè)備出力，也是對(duì)過(guò)流部件進(jìn)行無(wú)壓差、無(wú)真空(無(wú)差壓、無(wú)真空指的是進(jìn)水壓力前池?cái)r污柵無(wú)堵塞，壓力前池水位不低于設(shè)計(jì)水位，尾水水位不高于設(shè)計(jì)水位)的保護(hù)性運(yùn)行的重要保障。反之，長(zhǎng)期低水頭運(yùn)行或因水流量不足形成帶差壓強(qiáng)制性運(yùn)行，會(huì)給過(guò)流部件帶來(lái)?yè)p壞、磨蝕、振動(dòng)等十分不利的影響。最為明顯的是非過(guò)流部件真空破壞閥長(zhǎng)期動(dòng)作，轉(zhuǎn)輪室?guī)哼\(yùn)行引起水力不平衡振動(dòng)；同時(shí)產(chǎn)生大量真空未能及時(shí)消除，進(jìn)而形成空蝕破壞，加大了過(guò)流設(shè)備表面的磨蝕破壞，從而形成以弱制弱的惡性循環(huán)。另外，導(dǎo)水葉軸套常年磨損，導(dǎo)致導(dǎo)水葉之間開(kāi)度不均勻，未能形成最佳水力環(huán)量，致使工作部件(轉(zhuǎn)輪)表面受力大小不一。同時(shí)，泄水形成非常可怕的真空破壞和機(jī)組異常響聲，也給運(yùn)行人員在工作上帶來(lái)非常大的技術(shù)壓力和思想壓力。

2.2 水輪機(jī)運(yùn)行過(guò)程中正確調(diào)節(jié)也是一種保護(hù)

在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，水輪機(jī)調(diào)節(jié)器(調(diào)速器)無(wú)論是在自動(dòng)或手動(dòng)工況時(shí)，均要根據(jù)水頭、水流量、載荷、設(shè)備的性能等參數(shù)指標(biāo)進(jìn)行合理調(diào)整，尤其在泥沙含量過(guò)大的情況下更要做到合理調(diào)度，不得已時(shí)才進(jìn)行人為停機(jī)保護(hù)。因此，在正常運(yùn)行過(guò)程中合理調(diào)節(jié)運(yùn)行工況也是對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)的重要舉措。

圖1是劉家浪水電站在不良工況下運(yùn)行給水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪造成的空蝕破壞現(xiàn)象(見(jiàn)圖1)。更為嚴(yán)重的是長(zhǎng)期不良運(yùn)行在轉(zhuǎn)輪室產(chǎn)生空蝕進(jìn)而導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)部件與過(guò)流部件的質(zhì)量損失，形成不平衡運(yùn)行狀態(tài)。這樣，不但給機(jī)組造成嚴(yán)重的水力振動(dòng)，還會(huì)損失大量水原動(dòng)力，出現(xiàn)機(jī)組出力下降、振動(dòng)過(guò)大、機(jī)部件損壞等不良現(xiàn)象。最后，迫使整個(gè)機(jī)組停機(jī)，擴(kuò)大檢修內(nèi)容，給企業(yè)帶來(lái)不可估量的損失。

圖1 不良運(yùn)行工況和磨蝕給設(shè)備造成的破壞

過(guò)去劉家浪水電站由于長(zhǎng)期孤網(wǎng)運(yùn)行，對(duì)設(shè)備的運(yùn)行工況了解不太全面，再加上磨蝕的影響，導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備缺陷頻發(fā)；如水輪發(fā)電機(jī)組軸線嚴(yán)重傾斜，主軸密封損壞加速，水導(dǎo)軸承淹水，轉(zhuǎn)輪葉片邊緣侵蝕加速引起水輪機(jī)振動(dòng)、出力下降等。1999年3月，不良運(yùn)行工況和磨蝕給設(shè)備造成的破壞導(dǎo)致1號(hào)機(jī)組發(fā)生水輪機(jī)主軸軸頸斷裂的惡性事故，嚴(yán)重威脅機(jī)組安全運(yùn)行，給電站造成重大損失。

2.3 泥沙含量過(guò)大帶來(lái)的設(shè)備損壞和造成的影響

在我國(guó)西部，許多河流泥沙含量較大，在這種河流上修建的水電站，泥沙磨損對(duì)水電站的安全運(yùn)行造成了較大危害，高含沙水流對(duì)水輪機(jī)的磨蝕十分嚴(yán)重，尤其是在空蝕和泥沙磨損雙重破壞作用下特別明顯：增加了機(jī)組檢修周期，水輪機(jī)的運(yùn)行效率下降，水輪機(jī)的可靠性降低，機(jī)組壽命下降，嚴(yán)重影響電站的安全運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益，水電站在檢修過(guò)程中備品備件增多，增加運(yùn)行成本。圖2是甘肅省隴南市白鶴橋水電站導(dǎo)水結(jié)構(gòu)過(guò)流面磨蝕斷面(見(jiàn)圖2)。

圖2 導(dǎo)水結(jié)構(gòu)過(guò)流面磨蝕斷面

3 應(yīng)對(duì)運(yùn)行工況不良的幾點(diǎn)建議

3.1 合理利用水力資源，盡量做到高水頭運(yùn)行

每條河流的水流量大小不同，每座電站的水頭高低不同，設(shè)備出力不盡相同，因而在設(shè)計(jì)電站時(shí)的理念就不能一概而論；這就要求在設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)濟(jì)容量、設(shè)備選型、機(jī)組分布、運(yùn)行工況等都要嚴(yán)格按實(shí)際情況認(rèn)真分析，做到因材而用，切不可盲目的不切實(shí)際開(kāi)工。但水頭是每座電站的一項(xiàng)重要指標(biāo)，萬(wàn)變不離其宗，水頭、流量是決定設(shè)備容量大小的關(guān)鍵參數(shù)，兩者是相輔相成的，缺一不可；最佳水頭也是電站運(yùn)行工況及電站標(biāo)志性的參數(shù)，是保證設(shè)備安全運(yùn)行、出力工況最優(yōu)、主副設(shè)備處在合理技術(shù)范圍的安全基本要素。故而合理利用水力資源和正常水頭運(yùn)行是保證設(shè)備安全運(yùn)行的有力保障。另外，高水頭也可將一部分漂浮物、雜質(zhì)、冰塊排至溢流道，防止過(guò)流部件的卡阻和磨損。

3.2 合理調(diào)度，擇機(jī)運(yùn)行

水電站在密切配合電網(wǎng)調(diào)度的前提下，要根據(jù)自身實(shí)際情況進(jìn)行負(fù)荷分配和開(kāi)停機(jī)時(shí)下達(dá)的運(yùn)行指令；如水情變化、季節(jié)差別、設(shè)備檢修、汛期運(yùn)行、冰凌期運(yùn)行、意外解網(wǎng)運(yùn)行等，都要因勢(shì)利導(dǎo)，以最大限度地確保設(shè)備在安全情況下做到“多發(fā)電，發(fā)好電”的水電傳統(tǒng)。

下面以甘肅省岷縣古城水電站在發(fā)生重大自然災(zāi)害時(shí)的合理調(diào)度為例進(jìn)行介紹。當(dāng)時(shí)岷縣發(fā)生重大泥石流自然災(zāi)害，大量泥石流進(jìn)入庫(kù)區(qū)，為了保護(hù)設(shè)備的安全且不發(fā)生重大事故以及造成過(guò)流部件不可預(yù)想的損壞，將其運(yùn)行設(shè)備全部停止運(yùn)行，利用備用電源下泄流量。在不傷及當(dāng)?shù)乩习傩丈?cái)產(chǎn)安全的前提下，電站所有人員在當(dāng)?shù)卣块T全力配合下及時(shí)排泄庫(kù)區(qū)泥石流及大量雜物，不但保護(hù)了設(shè)備的安全，也給當(dāng)?shù)氐睦习傩樟粝铝肆己玫目诒Ｓ捎诩皶r(shí)泄洪，降低了區(qū)域經(jīng)濟(jì)的各類損失，為當(dāng)?shù)卣疁p輕了自然災(zāi)害的壓力，受到縣市的一致好評(píng)。

3.3 保證檢修質(zhì)量，改善水輪機(jī)運(yùn)行工況

在設(shè)備檢修安裝過(guò)程中對(duì)于高程、水平、中心以及軸線擺度等質(zhì)量要求是非常嚴(yán)格的，無(wú)論哪個(gè)方面出現(xiàn)問(wèn)題或達(dá)不到檢修質(zhì)量要求，都會(huì)影響到整個(gè)機(jī)組的安全運(yùn)行，對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行工況產(chǎn)生不良影響；更有甚者會(huì)出現(xiàn)重大事故， 給電站帶來(lái)不可估量的經(jīng)濟(jì)損失。水輪機(jī)在不良工況下運(yùn)行，將會(huì)加大設(shè)備的損壞程度，出現(xiàn)一系列不正常現(xiàn)象，如振動(dòng)過(guò)大，出力不足，磨蝕嚴(yán)重，異常響聲，軸承溫度偏高，轉(zhuǎn)動(dòng)部件碰撞、卡阻等情況。因此，檢修質(zhì)量的好壞對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行工況有重要影響，例如，止漏環(huán)間隙調(diào)整不當(dāng)會(huì)對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行工況產(chǎn)生較大影響，會(huì)加大機(jī)組振動(dòng)。

3.4 減少磨蝕，盡可能做到最優(yōu)工況運(yùn)行

水輪機(jī)在檢修時(shí)，有時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片出水邊表面(通常是背面)、軸流式水輪機(jī)室，甚至尾水管進(jìn)水口內(nèi)壁，有一些麻點(diǎn)甚至蜂窩狀的孔洞，這是磨蝕造成的不良后果。磨蝕嚴(yán)重時(shí)水輪機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)形成振動(dòng)和發(fā)出撞擊響聲，同時(shí)引起效率下降；如不及時(shí)處理，將會(huì)導(dǎo)致葉片破壞，效率急劇下降。因此，在運(yùn)行過(guò)程中應(yīng)盡量減少磨蝕對(duì)運(yùn)行工況的不良影響。

此外，為了有效地利用水頭，提高水輪機(jī)的運(yùn)行效率，應(yīng)使水輪機(jī)在最優(yōu)工況下運(yùn)行；因此水流在進(jìn)入轉(zhuǎn)輪時(shí)應(yīng)盡量無(wú)撞擊，即切向進(jìn)口；水流在離開(kāi)轉(zhuǎn)輪時(shí)應(yīng)絕對(duì)速度的圓周分量盡量小，即法向出口。切向進(jìn)口和法向出口是保證水輪機(jī)最優(yōu)工況運(yùn)行的條件。

4 結(jié) 語(yǔ)

“合理調(diào)度，擇機(jī)運(yùn)行”是每位水電工作者面對(duì)的重要課題。眾所周知，運(yùn)行工況優(yōu)良時(shí)給電站帶來(lái)良好經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，反之則會(huì)造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失以及設(shè)備損壞，尤其是長(zhǎng)期不良工況運(yùn)行會(huì)造成過(guò)流部件和固定部件的磨蝕，給電站的檢修工作帶來(lái)很大困難；同時(shí)也造成了經(jīng)濟(jì)上的重大損失。因此，應(yīng)根據(jù)電站特點(diǎn)，制定合理的運(yùn)行方法，這樣才能取得更好的經(jīng)濟(jì)效益。