探討水力發電機組如何安全穩定運行

梁運

（重慶大唐國際彭水水電開發有限公司，重慶 400000）

0 引言

做好水電資源的開發與利用對于提升資源利用率、促進經濟社會的可持續發展有著重要意義。抽水蓄能是水電的重要構成之一，可以有效改善電力供應水平，同時還能保證電網安全。改革開放以來，國內常規水電站與抽水蓄能電站的建設速度不斷加快[1]。當前，水電和抽水蓄能技術的應用，既能提升電網系統負荷發展平衡效果，同時還能有效解決清潔能源利用效率等方面的問題，這對于促進我國電力系統的高效穩定運行有著極為重要的作用。

1 機組運行穩定性評價標準

1.1 水輪機尾水管壓力脈動

需要指出的是，即便是在渦帶壓力脈動幅值相同的情況下，對于機組的穩定性有著不同的影響。在相同的ΔH 值的條件下，如果采用低水頭運行的方式，在效果上要比高水頭的穩定性好。此外，在危害性方面，高頻壓力脈動比低頻要大。由此可以看出，僅僅使用渦帶壓力脈動幅值ΔH/H 或使用ΔH 進行水輪機穩定性的評價有失偏頗，也是不全面的。除此之外，其他一些因素也可能導致壓力脈動問題、機組振動以及部件變形等相關問題[2]。

1.2 機組振動

在進行水輪發電機組振動評價時，當前所用的指標與標準，主要以機組動態穩定性為主。對于這一指標，也是進行機組動態監測的內容與依據。它是機組運行安全的重要指標，通過該指標也可以及時發現機組故障、防止由于振動而出現重大事故。對于高轉速火電機組，在開展評價時，所采用的標準為軸振。就水電機組而言，評價工作中要將軸承振動作為一項重要的指標。如果軸振測量響應快，并且靈敏度高，那么就說明轉軸有著良好的振動狀況。通過改善評價環節的精度，能夠及早的發現運行期間存在的隱患。在進行大、巨型水輪發電機組的檢測工作時，要對軸振動、軸承振動進行同時檢測，并且要使用不同標準做出評價。對于水輪發電機組來說，在其振動評價標準中，振動評價的特征值主要有兩種：速度、位移。①振動速度大多應用在含有高頻振動的相關測量工作中。②振動位移讀數更加直觀，在水電機組的長期運行過程中，便于工作人員依據經驗做出判斷。實際運行期間，可以將機組額定轉速作為依據。例如，若轉速超過了300r/min，那么可以采用振動速度進行機組的評價。但是，當轉速低于300r/min，此類情況可以采用振動位移做出評價。需要注意的是，由于機組在容量、轉速方面存在較大的差異，如果沿用現有的標準，那么就無法全面的對所有的機組開展較為科學、全面的評價。除此之外，在進行機組評價時，沒有對機組尺寸做出深入的研究，沒有考慮到它對振動評價標準的相關影響，上述問題都需要做出改進、補充與優化。

2 水力發電機組運行問題及預防措施

2.1 機組電氣方面

2.1.1 靜態氣隙不均勻

一方面，導致氣隙不均勻問題的原因很多，如定子、轉子存在不圓、不同心等問題。當最小氣隙位置相對固定時，若出現氣隙不均勻現象，就屬于靜態氣隙不均勻，易造成氣隙磁場不能保持均勻的問題。同時，定子、轉子上將出現一定的磁拉力，嚴重時可導致發電機劇烈振動。另一方面，為有效預防上述問題，技術人員可定期對轉子圓度做出測量，必要時可以在磁軛和磁極之間利用墊片進行調整。同時，還要確保上機架徑向支撐有著足夠的剛度，在機組制造、安裝期間也要保證準確度[3]。

2.1.2 動態氣隙不均勻

運行期間轉子出現松動現象，或由于其他原因造成運行狀態下氣隙不均勻，都屬于動態氣隙不均勻的問題。相比較而言，在問題原因方面，動、靜氣隙不均勻問題存在著一定的差異。但是就其影響效果來說，都可能造成機組產生較為嚴重的振動問題，甚至影響到機組的安全穩定運行。為此，首先在機組設計、制造、安裝方面，要確保機組的合理性與安裝質量。此外，要避免轉子磁極運行期間出現松動，防止氣隙不均勻問題的發生。

2.1.3 分數槽次諧波

圖1 為分數槽繞組，其磁勢既包括主波也包括次諧波。當它與主極磁場發生相互作用之后，會產生行波進而造成發電機出現振動，二者的振動頻率不同。但是，如果振動頻率與設備固有頻率的數值出現了接近的情況，就會導致鐵心振動，威脅到機組的運行情況。為預防此類問題的出現，一方面技術人員要定期開展次諧波預測與分析，對可能造成的機組振動、噪音問題做出深入研究，制定可行、合理的處理方案。另一方面，要對定子接線做出優化，盡可能減小次諧波量級。

圖1 分數槽繞組

2.1.4 三相負荷不對稱

該問題是發電機運行期間不可避免的問題，一旦發電機定子在其運行期間發生單向接地問題，或者是出現了兩相間短路的情況，也將導致定子三相負荷不對稱運行。在此情況下，就可能出現負序電流的問題。一旦負序磁場與發電機縱軸之間是正對的關系，那么即便是在氣隙較小的情況下，也將導致定、轉子間的作用力成指數級增大。如此一來，就會出現定、轉子間的作用大小不一，最終引發定子機座與轉子的振動問題。對于上述問題而言，首先可以結合機組的實際情況，合理進行阻尼繞組方式的設計，進而降低負序電流。此外，還可對電力系統做出相應的改進，降低負序電流。

2.2 機組機械方面

2.2.1 軸線不正和對中不良

通常情況下，軸線不正、對中不良問題主要表現在以下方面：①上端軸和設備的轉子中心體之間未能處于同心狀態。②軸線與設備的轉子中心體之間未能處于同心狀態。③水輪機和發電機二者的軸線，未能處在同一條直線上。④機組轉軸發生偏心、彎曲等問題。⑤定子、轉子未能同心。針對該問題，主要出現在設備的生產制造與安裝過程。因而，要加強對生產制造工藝與生產質量的管控。同時，要嚴把設備安裝質量關，避免此類問題的發生?？傊?，造成該問題的因素較多，需要結合實際問題并采取針對性措施加以解決。

2.2.2 轉動部分質量不平衡

機組振動問題的出現，與轉動部分質量無法達到平衡有著密切的關系。一方面，機組開始運行之后，或者是機組持續運行一段時間之后，由于機組存在振動的問題，可能引發一些零部件出現位移、松動的現象，進而導致旋轉質量無法維持在平衡狀態。例如，磁軛緊量相對較小，具體運行過程中可能引發徑向外移的問題，最終導致平衡效果降低。另一方面，若機組的轉速過大，并且轉子的長度也比較大，將產生不平衡力偶。此類問題的預防，主要通過生產、安裝環節進行控制。結合實際運行狀況，嚴格控制設備的生產，并做好設備安裝質量的把控。除此之外，還可采取相關技術措施，防止磁軛在運行期間出現外移。最后，還可通過加裝檢測裝置等方式解決上述問題。

2.2.3 支撐、軸系剛度需加強

支撐部分在設計、制造過程中，如果存在剛度過小的問題，在受到外力作用的影響下，極有可能發生變形等相關問題。隨著動態剛度的降低，在受到力矩的持續作用下，也將產生嚴重的振動問題。為此，可以通過提升支撐、軸系剛度的方式予以解決，防止安全事故的發生。此外，在進行支撐、軸系設計工作時，可對其結構做出優化，保證機組運行期間的安全性、穩定性效果[4]。

2.2.4 補氣系統設計問題

該問題主要針對的是水斗式機組，在轉輪周圍空氣脫空的情況下，轉輪室將處于真空狀態，進而造成尾水倒流，使得機組振動加劇。針對此類問題，可以在機殼內側或者是噴管兩側位置，設計一定數量的補氣孔，保證大氣可以順利的補入，避免轉輪室出現真空問題。

2.3 機組水力方面

2.3.1 葉道渦

為改善機組運行期間的性能狀況，在開展轉輪設計時，設計人員可以適當的增大葉片包角。葉道渦（圖2）初生線主要指的是發生點連線，對于葉道渦發展線而言，主要指的是發展點連線。為確保運行期間的安全效果，發展線和運行作業區之間要有著足夠的安全距離，對于初生線亦是如此。實際生產工作中，可以對葉片頂部的葉型、上冠線形做出優化設計。此外，還可將機組模型特性作為依據，避免產生高水頭葉道渦，適當的提高設計水頭。另外，可以在頂蓋位置處預留合理數量的補氣孔。

圖2 葉道渦

2.3.2 卡門渦

流體在流經其他物體周圍時，在尾流的兩側位置將產生對稱式渦漩，這就是卡門渦（圖3）。水流在流經葉片周圍的過程中，出現卡門渦在所難免。在此期間，如果渦漩的尺度較為適宜，同時吸附了一定的空氣，那么就屬于可見渦；相反，那么就屬于不可見渦。不管是可見渦亦或是不可見渦，在固有頻率方面，如果和機組部件的參數有著較大的差異，那么不會引發共振。相反，就會引發共振問題，進而可能導致繞流部件損壞，并產生強烈的噪聲。為避免此類問題的發生，首先可以通過減薄葉片等方式進行處置，進而提高渦頻率，并避免共振問題的發生。其次，為防止該問題的發生，可以進行繞流部件的調整與改進，確保其固有頻率和渦頻率之間有著一定的錯開度。

圖3 卡門渦

2.3.3 尾水管渦帶

相關學者針對尾水管渦帶等問題，開展了大量的研究工作?，F有研究證明，對于機組的實際運行狀況而言，與最優工況之間存在著較為嚴重的偏離問題。機組運行期間，由于運行工況范圍較大，從一定水頭下的40%最佳流量，一直到80%～90%，上述情況均可能出現。在流量相對較大的情況下，可能產生反向渦帶等各類問題。上述問題一旦發生，不僅會造成管中產生水壓脈動的問題，同時還可能引發機組的強烈振動問題，并伴隨著刺耳的噪聲。對于這一問題有著不同的預防措施：一方面，針對混流式轉輪來說，實際生產工作中可以選用負傾角翼等設備，并對其進行優化。另一方面，如果機組水頭相對較高，可以使用帶有副葉片的機組轉輪。同時，還要對葉片出口環量做出優化，使其達到最佳分布。除了上述措施之外，還需要對渦帶運行區進行自然補氣，在必要情況下需要開展強制性補氣工作[5]。

2.3.4 壓力脈動

機組運行期間，流道內可能產生較為劇烈、復雜的失穩問題，比如空化、脫流與漩渦，使得壓力脈動逐步增加，造成頻譜構成變得復雜，并導致部件破損。為避免此類問題的發生，針對混流式機組來說，應避免在小開度區運行。此外，對于貫通式以及轉槳式機組而言，要結合實際情況加以限制。

2.3.5 水力自激振動

混流式水輪機運行期間，如果轉輪止漏環間隙出現嚴重的不均勻問題，在受到機械不平衡力的影響下，會引發水力自激振動現象。在我國的綠水河與漁子溪等電站中，均出現自激振動問題。上述問題的解決，首先需要均衡利害，適當的增加設計間隙。除此之外，還可通過提高設備制造與安裝質量等方式來解決。

3 結語

近幾年來，國內水力發電事業的迅猛發展，極大的促進了經濟社會的進步。在可預測的將來，勢必會有越來越多的機組被投入相應的生產工作中。因而，確保機組運行期間的安全性、穩定性意義重大。為此，技術人員首先要對機組的類型、特點等因素做出分析，在此基礎上開展預測工作。同時，還要結合機組存在的問題，采取針對性的預防措施，確保各項生產工作的順利開展。