老江底水電站水輪機水力穩(wěn)定性分析

任啟淼，郭建偉，楊 強，劉光寧

（1.貴州省水利水電勘測設(shè)計研究院，貴州 貴陽 550002；2.哈爾濱大電機研究所，黑龍江 哈爾濱 150040）

1 電站概況

老江底水電站位于云貴兩省界河黃泥河上，裝機容量100 MW，年利用小時數(shù)為4 230 h，為 “無人 值班，少人值守”電站。老江底下游為已建成的魯布革水電站，其廠房尾水位接魯布革水庫回水。電站安裝2臺立式混流水輪發(fā)電機組，水輪機型號為HLA 551—LJ—315，額定水頭為58.5 m，發(fā)電機型號為SF 50—30/6800，水輪機轉(zhuǎn)輪采用鑄焊結(jié)構(gòu)，葉片采用數(shù)控加工，上冠、下環(huán)以及葉片材料均采用馬氏體不銹鋼材料ZG06Cr13Ni5Mo。2006年6月開始進行設(shè)備安裝，2008年8月1號機組投產(chǎn)，2009年2號機組投產(chǎn)。

2 轉(zhuǎn)輪裂紋情況

老江底水電站于2008年8月首臺機組（1號機組）投產(chǎn)到2010年1月，累計運行4 098 h，在例行檢查中發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪13個葉片有8個出現(xiàn)貫穿性裂紋，其中1個葉片裂紋在進水邊靠近下環(huán)處，其余均在出水邊，裂紋長度大約為100～300 mm，而且裂紋形狀不規(guī)則。廠家進行了補焊修復(fù)后投入運行，累計運行1 528 h，2010年8月，對轉(zhuǎn)輪再次進行檢查時，發(fā)現(xiàn)1號機組轉(zhuǎn)輪又出現(xiàn)了裂紋，上冠處出水邊8道，下環(huán)處出水邊4道。

2010年4月，2號機轉(zhuǎn)輪葉片也發(fā)現(xiàn)了裂紋，生產(chǎn)廠家施工人員對2號機轉(zhuǎn)輪進行了全面的檢查探傷，共計發(fā)現(xiàn)20條裂紋。主要分布在葉片與下環(huán)的出水邊處，有部分裂紋零星分布在葉片中部和與上冠結(jié)合部，但均在出水邊。

3 轉(zhuǎn)輪裂紋原因分析

3.1 選型設(shè)計

老江底水電站水輪機選用的HLA551，已在多個水電站成功使用，運行良好，是60 m水頭段常用典型轉(zhuǎn)輪。

老江底水電站水頭變幅（Hmax-Hmin）/H0＝0.3 344，最大水頭與最小水頭的比值為1.472，最大水頭與設(shè)計水頭的比值為1.043，最小水頭與設(shè)計水頭的比值為0.7 086，最大水頭與額定水頭的比值為1.12，水輪機運行的各種特征水頭都在合理范圍內(nèi)。水輪機運行工況處于或接近最優(yōu)工況區(qū)，機組選型設(shè)計合理。

3.2 材料選用

老江底水電站水輪機轉(zhuǎn)輪采用鑄焊結(jié)構(gòu)，上冠、下環(huán)和葉片采用馬氏體不銹鋼材料ZG06Cr13Ni5Mo，葉片采用鑄造（VOD精煉鑄造）成型、數(shù)控加工，葉片厚度15～22 mm。

轉(zhuǎn)輪進行的有限元分析表明，在最大水頭下，暫時過負荷超過水輪機額定出力時，各部件材料的最大允許應(yīng)力不超過其屈服強度的50%。在最大飛逸轉(zhuǎn)速或水壓試驗的條件下，相應(yīng)部件工作應(yīng)力不超過屈服強度的75%。材料屈服強度規(guī)定值為550 MPa，強度極限750 MPa。

2010年1月發(fā)現(xiàn)裂紋以后，業(yè)主單位和東風(fēng)電機廠均對此轉(zhuǎn)輪材料進行了取樣檢驗，結(jié)果表明：葉片材料的化學(xué)成分、抗拉強度、沖擊韌性以及硬度等力學(xué)性能均符合ZG06Cr13Ni5Mo的標(biāo)準(zhǔn)。由此說明，老江底水電站在轉(zhuǎn)輪材料的選用上沒有問題。

3.3 制造方面

從老江底水電站轉(zhuǎn)輪裂紋的位置來看，裂紋不在葉片的最大應(yīng)力部位（轉(zhuǎn)輪出水邊和上冠連接處），而且不在焊縫處或者焊縫周圍。由此可以說明，葉片的鑄件質(zhì)量以及焊接質(zhì)量不是引起裂紋的主要原因。

3.4 運行工況

2009年7月～2010年6月電站的運行水頭見表1。

葉片第一次斷裂前，機組運行時間為4 098 h，其中： 出力≤20 MW 為 359 h，20～25 MW 為 491 h，25～40 MW 為 1 846 h，40～51 MW 為 1 402 h。第二次斷裂前，機組運行時間為1 528 h，其中出力： 20～25 MW為 72 h，25～40 MW 為 436 h，40～51 MW為1 020 h。

機組運行時，在某些負荷段，在中控室感覺廠房振動較大，偶爾在尾水管內(nèi)會發(fā)出較大的爆裂聲音（這種聲音在中控室感覺像有放炮爆破的聲音），尾水管內(nèi)經(jīng)常有比較均勻的拍擊聲音。由于電站擺度振動在線監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)問題，未能獲得定量的檢測數(shù)據(jù)。

從表1可以看出，水輪機的運行水頭未超出設(shè)計的水頭范圍，但是運行負荷較低，超出了水輪機的最優(yōu)負荷區(qū)，機組運行狀態(tài)不穩(wěn)定，可能引發(fā)葉道渦、卡門渦、尾水渦帶等一系列水力不穩(wěn)定。

表1 運行水頭統(tǒng)計

3.5 壓力脈動

壓力脈動實質(zhì)上是水輪機偏離最優(yōu)運行工況而產(chǎn)生的一系列水力不穩(wěn)定的表現(xiàn)，包括葉片進口沖角增大帶來的葉道渦，繞流經(jīng)過固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉以及葉片而引起的卡門渦，水力自激振動，尾水渦帶等。

老江底水電站運行的情況表明，水輪機在運行時不但是尾水管壓力脈動幅度較大，而且轉(zhuǎn)輪上腔甚至蝸殼也存在較大的壓力脈動。由于老江底水電站并沒有進行模型驗收試驗，轉(zhuǎn)輪的水力性能借鑒的是原有的模型試驗資料和國內(nèi)其他工程的經(jīng)驗。查閱相關(guān)資料并結(jié)合本電站的運行情況分析，老江底水電站可能存在葉片繞流引起的卡門渦，部分負荷的低頻壓力脈動可能是葉片裂紋的主要原因之一。部分負荷的低頻壓力脈動，誘發(fā)過高的動態(tài)應(yīng)力，會使轉(zhuǎn)輪葉片開裂。

4 處理及效果

4.1 處理方法

針對水輪機運行在低負荷區(qū)時間較長的情況，要求電站運行單位按照規(guī)范要求，保證機組在不同的水頭下運行負荷在相應(yīng)的45%～100%范圍內(nèi)，嚴(yán)格控制機組在低負荷運行的時間。進行真機實測，科學(xué)劃分水輪機的運行區(qū)域（即允許運行區(qū)，不推薦運行區(qū)，穩(wěn)定運行區(qū)，不允許運行區(qū)）。

針對機組可能出現(xiàn)的水力不穩(wěn)定現(xiàn)象，進行轉(zhuǎn)輪葉片出水邊打磨處理，在中心線到下環(huán)段沿出水邊打磨50 mm寬，出水邊厚度打磨到5 mm（下環(huán)處5 mm，逐步過渡到中心線），并對出水邊倒角修圓。

改善尾水補氣措施，加強大軸中心孔補氣，將轉(zhuǎn)輪處的真空破壞閥換成浮球閥，并取消原設(shè)置在發(fā)動機軸上的真空破壞閥。

4.2 效果

經(jīng)過處理后，機組投入運行，到目前為止未發(fā)現(xiàn)機組出現(xiàn)異常情況，出力達到設(shè)計要求，振動擺度滿足規(guī)范要求，大軸中心孔補氣順暢。

5 結(jié)語

混流式水輪機轉(zhuǎn)輪葉片裂紋是較為普遍的問題，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪裂紋的潛在原因很多，常見的有選型設(shè)計不當(dāng)、制造質(zhì)量缺陷以及水輪機水力不穩(wěn)定等，水輪機的運行工況也常常會誘發(fā)裂紋的產(chǎn)生。老江底水電站經(jīng)過修薄水輪機葉片出水邊和調(diào)整機組運行規(guī)范，使水輪機的穩(wěn)定運行得到很大的改善，防止了水輪機裂縫的產(chǎn)生。

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