探析水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性的影響因素及其措施

李平+楊鶴

（1江西洪屏抽水蓄能有限公司；2國網(wǎng)江西省宜春市上高縣供電公司 江西上高 336400）

摘 要：水輪發(fā)電機組是水電廠的重要組成部分，其穩(wěn)定性關(guān)系著整個水電廠安全，并且在一定的程度上影響到整個電網(wǎng)的穩(wěn)定性及經(jīng)濟效益?；诖耍疚年U述了水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性的影響因素及其危害，對影響水力發(fā)電機組穩(wěn)定性的原因?qū)Σ哌M行了探討，并提出了加強水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性的措施，旨在保障水輪發(fā)電機組的安全運行。

關(guān)鍵詞：水輪發(fā)電機組；穩(wěn)定性；影響因素；危害；原因?qū)Σ撸淮胧?/p>

水輪發(fā)電機組的穩(wěn)定性是電氣、機械、流體等多種原因引起的，因此為了保障水輪發(fā)電機組的穩(wěn)定性，必須要對影響其穩(wěn)定性的原因?qū)Σ哌M行分析，從而保障水電站的安全運行。

一、水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性的影響因素

水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性的影響因素。（1）水力因素。水力不平衡引起的振動?？ㄩT渦列引起的振動。尾水管渦帶引起的振動。尾水管中空腔壓力脈動。軸流式水輪機葉片振動，導(dǎo)葉開度的變化，當(dāng)開度減小到一定程度，葉片表面脫流或空化引起葉片振動和機組振動，實際運行中須考慮這一問題。導(dǎo)葉數(shù)和轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)不匹配引起的壓力脈動。（2）電磁因素。發(fā)電機組氣隙不均勻；負(fù)序電流引起的反轉(zhuǎn)磁勢；定子不圓，機座合縫不好；定子鐵芯鐵片松動；轉(zhuǎn)子匝間短路。（3）機械因素。機組軸線不正或?qū)χ胁涣迹晦D(zhuǎn)動部件質(zhì)量不平衡；導(dǎo)軸承缺陷；主軸密封調(diào)整不當(dāng)；靜板不平或推力瓦不水平；推力頭松動；導(dǎo)軸瓦間隙調(diào)整不當(dāng)；轉(zhuǎn)子振擺。

二、水輪發(fā)電機組缺乏穩(wěn)定的主要危害

水輪發(fā)電機組不穩(wěn)定的危害主要有：（1）使機組各部位緊固連接部件松動，導(dǎo)致這些緊固連接部件本身的斷裂，加劇被連接部分的振動，促使它們迅速損壞。（2）引起機組零部件金屬焊縫中疲勞破壞區(qū)的形成和擴大，以至斷裂損壞而報廢。（3）加速機組轉(zhuǎn)動部件的磨損，如大軸的劇烈的擺動，使軸與軸瓦的溫度升高，使軸承或軸瓦燒毀；轉(zhuǎn)子振動過大，增加滑環(huán)與碳刷的磨損，使碳刷跳火花。（4）尾水管中水流脈動壓力可使尾水管壁產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重的可使整塊鋼板剝落。（5）共振引起的后果更嚴(yán)重。如機組設(shè)備和廠房產(chǎn)生共振時可使整個設(shè)備和廠房毀壞；卡門渦列引起葉片的周期振動，當(dāng)卡門渦列的振動頻率與葉片固有頻率接近時就會發(fā)生共振，將產(chǎn)生嚴(yán)重的噪音，使葉片產(chǎn)生疲勞斷裂。

三、影響水力發(fā)電機組穩(wěn)定性的原因?qū)Σ?/p>

影響水力發(fā)電機組穩(wěn)定性的原因主要有：空載帶勵、空載無勵以及空載或帶負(fù)荷等方面，其主要表現(xiàn)為：

1、空載帶勵原因。空載帶勵主要表現(xiàn)為振動強度隨勵磁電流增加而增大；逐漸降低定子端電壓，振動強度也隨之減小；在轉(zhuǎn)子回路中自動滅磁，振動突然消失。其原因主要有：（1）轉(zhuǎn)子線圈短路；（2）定子與轉(zhuǎn)子的氣隙有很大不對稱或定子變形；（3）轉(zhuǎn)子中心與主軸中心偏心。針對以上原因，可以采取以下對策：（1）用示波器測出線圈短路位置并進行處理；（2）停機調(diào)整氣隙間隙。氣隙的最大值或最小值與平均值之差不應(yīng)超過10%；（3）如偏心很大時，需用調(diào)整定子與轉(zhuǎn)子中心的方法予以消除等手段予以處理。

2、空載無勵原因。主要表現(xiàn)為振動強度隨轉(zhuǎn)速增高而增大；在低速時也有振動，其可能原因主要有以下幾方面：（1）發(fā)電機轉(zhuǎn)子或水輪機轉(zhuǎn)輪動不平衡；（2）軸線不直；中心不對；推力軸承軸瓦調(diào)整不當(dāng)；主軸聯(lián)接法蘭連接不緊；（3）與發(fā)電機同軸的勵磁機轉(zhuǎn)子中心未調(diào)好；（4）水斗式水輪機噴咀射流與水斗的組合關(guān)系不當(dāng)；（5）轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)與導(dǎo)葉數(shù)組合不當(dāng)。針對以上原因，應(yīng)該采取以下對策：（1）動平衡試驗，加平衡塊，消除不平衡；（2）調(diào)整軸線和中心，調(diào)整推力軸瓦；（3）調(diào)整勵磁機轉(zhuǎn)子中心；（4）改善組合關(guān)系；（5）改善組合關(guān)系。

3、空載或帶負(fù)荷原因。其表現(xiàn)為主軸擺度或振動與轉(zhuǎn)速無關(guān)，當(dāng)負(fù)荷增加后，擺度或振動有所降低。這主要是由于機組主軸軸線不正；推力軸承軸瓦不平整，處理方式是調(diào)整軸線；校正軸瓦。此外是振動強度隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷增加成正比增大，其原因往往是多方面的，如轉(zhuǎn)輪輪緣上突出部件布置不對稱?？梢圆扇∫韵聦Σ撸海?）刮去突出部件或用蓋板遮蓋，使其平滑過渡；（2）清除堵塞物；（3）調(diào)整修理止漏環(huán)；（4）加固支承結(jié)構(gòu)等等。最后還有一種振動特征是在所有工況下主軸擺度都大，這通常是由于瓦隙過大，或主軸折曲，或機架松動，可以采取在開停機過程中越過此振動區(qū)；改變結(jié)構(gòu)的固有振動頻率。

四、提高水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性的措施

1、做好水輪機的選型工作。機組能否穩(wěn)定運行主要決定于水輪機的水力設(shè)計，在電站設(shè)計階段應(yīng)合理地選擇各種水頭，這是水輪機穩(wěn)定運行所做工作的第一步。水輪機轉(zhuǎn)輪的設(shè)計以及選型都是為了確保在設(shè)計水頭處有較為寬裕的穩(wěn)定運行區(qū)，減少裂紋和震動對水輪機的危害，因此都要求水輪機水頭的變幅不能過大；對比轉(zhuǎn)速進行合理選擇，必須根據(jù)水頭變幅、水質(zhì)狀況以及負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍以及機組臺數(shù)等進行綜合性選擇。

2、不斷改進水輪機的水力設(shè)計。水輪機空化和空蝕的主要類型是翼型的空化和空蝕，而翼型的空化和空蝕與很多因素有關(guān)，諸如翼型本身的參數(shù)、組成轉(zhuǎn)輪翼柵的參數(shù)等等。就翼型設(shè)計而言，要設(shè)計和試驗空化性能良好的轉(zhuǎn)輪。一般考慮兩個途徑：一種是使葉片背面壓力的最低值分布在葉片出口邊，從而使汽泡的潰滅發(fā)生在葉片以外的區(qū)域，可避免葉片發(fā)生空化和空蝕破壞。若改變轉(zhuǎn)輪的葉型設(shè)計，就可使汽泡潰滅和水流連續(xù)性的恢復(fù)發(fā)生在葉片尾部之后，這樣就可避免對葉片的嚴(yán)重破壞。實踐證明，葉型設(shè)計得比較合理時，可避免或減輕空化和空蝕。因此在水輪機選型設(shè)計時，要合理確定水輪機的吸出高度，水輪機的比轉(zhuǎn)速，空化系數(shù)。比轉(zhuǎn)速越高，空化系數(shù)越大，要求轉(zhuǎn)輪埋置越深，選型經(jīng)驗表明，這三個參數(shù)應(yīng)最優(yōu)配合選擇。對于在多泥砂水流中工作的水輪機，選擇較低比轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)輪有利于減輕空蝕和磨損。

3、改善運行條件。翼型設(shè)計時只能保證在設(shè)計工況附近不發(fā)生嚴(yán)重空化，在這種情況下，通常不會發(fā)生嚴(yán)重的空蝕現(xiàn)象。但在偏離設(shè)計工況較多時，翼型的繞流條件、轉(zhuǎn)輪的出流條件等將發(fā)生較大的改變，并在不同程度上加劇翼型空化和空腔空化。因此，合理擬定水電廠的運行方式，要盡量保持機組在最優(yōu)工況區(qū)運行，以避免發(fā)生空化和空蝕。對于空化嚴(yán)重的運行工況區(qū)域應(yīng)盡量避開，以保證水輪機的穩(wěn)定運行。在非設(shè)計工況下運行時，可采用在轉(zhuǎn)輪下部補氣的方法，對破壞空腔空化空蝕，減輕空化空蝕振動有一定作用。

4、加強運行管理。良好的運維管理工作也是保證水輪機運行穩(wěn)定性的重要措施。水電站必須要委派專門的人員負(fù)責(zé)水輪機的維護和管理，提高機組的使用壽命以及工作效率。首先，要確保水輪機在規(guī)定的運行范圍內(nèi)運行；其次，運行過程中要盡量避開振動區(qū)，保持在穩(wěn)定區(qū)運行，使各臺機組都運行在最優(yōu)工況。

結(jié)束語

為了保障水電站的經(jīng)濟效益，必須保證水輪機組運行的穩(wěn)定，必須使水輪機組符合水電站安全運行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，因此對水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性的影響因素及其措施進行分析具有重要意義。

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