水电站水轮机稳定运行技术对策

贾宇

贾宇

（国网四川映秀湾水力发电厂发电部）

摘要：目前，我国水电站水轮机朝着高比转速、大容量、大尺寸的方向进行发展，然而在比转速和尺寸不断增大的情形下，水轮机相对刚度则逐步降低。同时，因自动化水平的提高，使得在运行时水电站少人值守或无人值班等方式被不断推广使用。所以，业内必须加强对水轮机稳定运行技术的重视，同时也必须对其运行稳定性提出更高要求。文中结合被最广泛运用的混流型水轮机实例，分析了影响水轮机运行稳定的相关因素，同时也提出了提高稳定性的技术措施。

关键词：水轮机；稳定运行技术；对策

0、引言

以我国某水电站为例，该水电站水轮机包含HLA351、HLA179、HLD54等型号，在投入运行之后，通过现场检测表明，该水电站水轮机机组可稳定运行，额定出力可达到16.5MW，从而充分显示出中小型高水头水电站采用较高比转速的混流型水轮机来代替较低比转速的冲击型水轮机，其具有很大的优越性。所以，为保障水电站机组运行的稳定安全，各个水电站建设方对于由机组成套装置选型优化以及配置电气设备，到产品开发、设计和生产，及调试和安装等各个重要环节的质量，均相应的采取了工艺和技术措施。同时，通过专业测试机构对该水电站水轮机甩负荷和运行稳定性分析的现场试验，表明前期所采取的技术工艺和优化措施获得了预期效果。

1、水电站水轮机稳定运行所存在的主要技术性问题

1.1磨蚀故障

水电站水轮机在实际运行过程之中，其水轮机的磨蚀问题故障通常很难避免，易于引发包括导水机构、转轮等流道构件的破坏，在检修机组过程中，应主要解决好该类问题。在汛期时，水电站河流中含沙量会较大，水头变幅显著，因此，在设计机组、制造水轮机及正常运行中，均应该利用合理选用水轮机的参数，并优化水力计算设计，采取耐磨蚀材料（如ZG0Cr16Ni5M0抗磨蚀性不锈钢材料等）等措施以尽可能降低磨蚀的影响，从而形成一套有效的耐磨蚀水轮机运行技术。

1.2转轮叶片有裂纹出现

在水轮机运行中，转轮若出现问题，通常是在其出水边临近上冠位置有裂纹产生，长约为100~400mm。同时，绝大部分裂纹布于整个端面之上，且在整个端面贯穿。该类型裂纹形状都有相似的地方，裂缝起点均为由叶片负压一侧与出水端交线处起始，与上冠距离约为50mm。并且起始端与叶片出水边处相垂直，然后一句不规则抛物线状朝叶片中心处延伸，还将在尾部处逐渐扩展成树枝状，如图1所示。

1.3水轮机的调速故障

通常来说，在水电站水轮机运行中，其主要是由调速体系来对整个机组进行调节和控制，主用系统故障一旦发生，则将可以自动切换到备用调速体系，在实际运行时，所用电器调速体系同样也具有手动控制的功能。在水电站水轮机的运行过程中，水轮机调速装置对保证机组稳定运行发挥着至关重要的作用，因此，必须要高度重视水轮机调速故障，以避免对机组的运行稳定产生严重影响。

（1）在刚刚投产运行之时，机组调速柜的上调速系统外部开关便发出了指令，该指令是通过计算机监控体系中的LCU结构来完成的，然而监控系统内LCU结构上电源消失之后，其开机的指令回路便将撤消它的自保护形态，引起调速系统开机指令丧失，进而使机组导叶关闭，如此便会发生机组溜负荷等问题。

（2）备用型电气调速体系存有测频故障，造成电气调速仪器备用率的降低。因调速设备选择齿盘测频等方式开展测频，所以，在齿盘测频传感器和大轴齿间隙出现变化以及测速传感仪器被污染或发生故障时，均会致使备用型电气调速装置事故的出现，使其无法正常运行，备用作用不能发挥，降低了备用的可靠性。

（3）在水轮机运行时，另一个故障主要为主配位置所安装传感器出现故障所致，其具体表现是：传感器反馈超过量程，从而使主用和备用调速装置在发生主事故后，会引起机组无法正常开导叶等问题。

2、水电站中水轮机的运行稳定技术措施

2.1合理进行水力设计，提升水轮机水力性能

轴流型水轮机，其导叶出口位置到转轮叶片进口处，属于水流较为复杂的一段区域。对于导叶出口部位，水流在底环和出口下端间会产生楔形区域容易引发脱流状况。此外，导叶出口水流还有比较紊乱的脱流型漩涡存在，且水流在该部位处还需转弯，如果转轮底环型线的设计不够合理，则将会于其上环处有脱流漩涡产生，致使在此部位产生空蚀破坏等问题。所以，在水力设计中，通过计算，使导叶分布圆直径长增至1.2D，并对流道进行设计和优化，使水轮机蜗壳包角可增加到225度。设计时，可采取有限元等方法开展计算分析，将转轮的轮毂比调整到0.43，将相应空蚀系数调整到0.465，以确保水轮机的转轮室空蚀裕量可显著增加。此外，在水力设计时，利用计算活动、固定导叶，和双排叶栅等的损失，以及局部叶片修型等形式，对转轮、过流部件等实施合理优化设计，以尽可能减少水力磨蚀，从而最终达到机组水利优化设计、保障机组稳定运行的目的。

2.2提高维护检修水平，加强对水轮机质量的控制

在生产设计时，对水轮机加强质量控制也是提升稳定性的主要方式。首先，提升水轮机其通流部件特别是底环、转轮和顶盖的刚度设计，降低水力作用引起的形变。另外，因转轮为水轮机核心构件，因此设计时必须考虑低负荷下水流涡带的频率和转轮、尾水管的固有频率出现共振的可能性，以使其远离共振带。对叶片过渡部分进行合理设计，局部加强叶片根部，并通过有限元方法对过渡圆角进行优化分析，以尽可能降低应力集中，在生产转轮前，应制订严密的制作工艺流程，选用不锈钢材料，桨叶选用VOD进行精炼和铸造。利用三维软件以进行转轮造型，并控制叶片的厚度，以确保叶形准确性。粗加工转轮后，需采取高精度的静平衡工具来进行转轮静平衡测试，减小因转轮重量和叶片叶型偏差造成的机械与水力不平衡，进而引发附加交变应力的产生。控制水轮机质量还应加强后期的维护检修，水轮机转轮与导叶因磨蚀和气蚀破坏，使金属丢失至一定程度，之后需在现场实施修复。当前所采用主要的修复手段为补焊，补焊时要严密监测其变形，然后需开展无损探伤和修磨光滑，保持样板与型线吻合。在修理完补焊量较大的转轮后，应实施静平衡测试，以保证检修后可稳定运行。

2.3调速故障的处理措施

（1）改造电气调速柜外部开机指令

在改造时，开机令自保持回路由传统的计算机监测形式调整为电气调速柜中的自保持形式。改造完成后，若计算机上监控系统一旦发出脉冲指令使继电器发出动作，则电气调速柜内R0开机指令回路会通过其常开点进行自保持。在此条件下，LCU单元将会出现失电现象，也不会影响R0开机令回路的复位。在具体运行中，若了完成电气调速柜设备的调节改造，则将不会发生因调速装置故障而引发导叶全关问题故障的出现。

（2）电气调速体系测频装备运行技术对策

针对水轮机运行时测频问题故障，可通过测速检测传感装置和大轴齿间的间隙以及测速清理传感装置等方式进行解决。因该设备在整个水轮机组工作时比较多发，因此在日常检修时，必须要检查齿盘测速传感设备安装的可靠性及大轴齿和传感设备间隙的变化等，并进行现场调试，以确保其合格。以提升电气调速装置运行可靠性。

（3）合理选用反馈传感设备

对于水电站的调速体系，其主配在运行时反馈传感设备通常为位移传感装置，在运行中易于发生反馈电流超出限值，从而引起电气调速装置主事故的发生，并致使导叶不开、主配停止等问题出现。究其原因，有可能是水轮机在日常运行启动过程中，水电站现场存在很大振动，造成主配传感装置发生故障。所以，在水电站反馈传感设备更换和选型中，应选取结构较可靠的反馈传感器类型。还应保证反馈传感器的安装质量，并进行现场调试，以确保其合格。

3、结论

我国的水利资源较为丰富，近些年，因依靠本身力量及国外经验的借鉴，建设了大量水电站，使得制造工艺与管理水平技术均日渐成熟。水电站水轮机是水力发电的关键装置，因其运行水力条件复杂和制造精密等因素，在其日常运行中，应采用相应对策以保证它的运行可处于高效稳定状态。调速故障和磨蚀是运行中最重要的两个故障，因此，在运行中必须重点关注，做好控制和预防工作，以保障我国水利事业的不断发展。

参考文献：

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[2]李霞，丁继茂.大七孔水电站水轮发电机组运行稳定的技术措施[J].贵州水力发电.2005（01）

[3]王旺宁.大峡水电站水轮机抗磨蚀技术措施及磨蚀修复[J].水电站机电技术.2011（02）