簡(jiǎn)論水力發(fā)電中的水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定策略

張永興

摘要：水輪發(fā)電機(jī)組作為水電站的核心設(shè)備，一旦不穩(wěn)定，就會(huì)影響水電站的綜合效益。本文闡述了水力發(fā)電中的水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定影響因素及其原因?qū)Σ吲c危害性，對(duì)水力發(fā)電中的水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定策略進(jìn)行了論述分析。

關(guān)鍵詞：水力發(fā)電；水輪發(fā)電機(jī)組；穩(wěn)定；影響因素；策略

水力發(fā)電中的水輪發(fā)電機(jī)組不穩(wěn)定是電氣、機(jī)械、流體等多種原因引起，為了保障水能動(dòng)力發(fā)電的安全運(yùn)行，以下就水力發(fā)電中的水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定策略進(jìn)行了探討分析。

一、水力發(fā)電中的水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定影響因素及其原因?qū)Σ叻治?/p>

（一）影響水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定的因素。主要表現(xiàn)為：（1）水力因素。水力不平衡引起的振動(dòng)?？ㄩT(mén)渦列引起的振動(dòng)。尾水管渦帶引起的振動(dòng)。尾水管中空腔壓力脈動(dòng)。軸流式水輪機(jī)葉片振動(dòng)，導(dǎo)葉開(kāi)度的變化，當(dāng)開(kāi)度減小到一定程度，葉片表面脫流或空化引起葉片振動(dòng)和機(jī)組振動(dòng)，實(shí)際運(yùn)行中須考慮這一問(wèn)題。導(dǎo)葉數(shù)和轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)不匹配引起的壓力脈動(dòng)。（2）電磁因素。發(fā)電機(jī)組氣隙不均勻；負(fù)序電流引起的反轉(zhuǎn)磁勢(shì)；定子不圓，機(jī)座合縫不好；定子鐵芯鐵片松動(dòng)；轉(zhuǎn)子匝問(wèn)短路。

（二）影響水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定的原因及其對(duì)策分析。（1）空載帶勵(lì)。其主要表現(xiàn)為振動(dòng)強(qiáng)度隨勵(lì)磁電流增加而增大；逐漸降低定子端電壓，振動(dòng)強(qiáng)度也隨之減??；在轉(zhuǎn)子回路中自動(dòng)滅磁，振動(dòng)突然消失。第一、空載帶勵(lì)的原因主要有：轉(zhuǎn)子線圈短路；定子與轉(zhuǎn)子的氣隙有很大不對(duì)稱或定子變形；轉(zhuǎn)子中心與主軸中心偏心。第二、對(duì)策分析。針對(duì)上述原因，要求采取以下對(duì)策：用示波器測(cè)出線圈短路位置并進(jìn)行處理；停機(jī)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(guò)10%；如偏心很大時(shí)，需要調(diào)整定子與轉(zhuǎn)子中心的方法予以消除等手段進(jìn)行處理。（2）空載無(wú)勵(lì)。主要表現(xiàn)為振動(dòng)強(qiáng)度隨轉(zhuǎn)速增高而增大，第一、原因分析。筆者認(rèn)為其原因主要有：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子或水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪動(dòng)不平衡；軸線不直；中心不對(duì)；推力軸承軸瓦調(diào)整不當(dāng)；主軸聯(lián)接法蘭連接不緊；與發(fā)電機(jī)同軸的勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子中心未調(diào)好；水斗式水輪機(jī)噴咀射流與水斗的組合關(guān)系不當(dāng)；轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)與導(dǎo)葉數(shù)組合不當(dāng)。第二、對(duì)策分析。針對(duì)上述原因，需要采取以下對(duì)策：動(dòng)平衡試驗(yàn)，加平衡塊，消除不平衡；調(diào)整軸線和中心，調(diào)整推力軸瓦；調(diào)整勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)子中心；改善組合關(guān)系；改善組合關(guān)系。（3）空載或帶負(fù)荷。其表現(xiàn)為主軸擺度或振動(dòng)與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，當(dāng)負(fù)荷增加后，擺度或振動(dòng)有所降低。第一、原因分析。主要是由于機(jī)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(dòng)強(qiáng)度隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷增加成正比增大，空載或帶負(fù)的原因往往是多方面的，如轉(zhuǎn)輪輪緣上突出部件布置不對(duì)稱。第二、對(duì)策分析?？梢圆扇∫韵聦?duì)策：刮去突出部件或用蓋板遮蓋，使其平滑過(guò)渡；清除堵塞物；調(diào)整修理止漏環(huán)；加固支承結(jié)構(gòu)等等。最后還有一種振動(dòng)特征是在所有工況下主軸擺度都大，這通常是由于瓦隙過(guò)大，或主軸折曲，或機(jī)架松動(dòng)，可以采取在開(kāi)停機(jī)過(guò)程中越過(guò)此振動(dòng)區(qū)；改變結(jié)構(gòu)的固有振動(dòng)頻率。

二、水力發(fā)電中的水輪發(fā)電機(jī)組不穩(wěn)定危害性分析

水力發(fā)電中水輪發(fā)電機(jī)組的不穩(wěn)定危害性有很多，筆者認(rèn)為主要有：（1）造成機(jī)組各部位緊固連接部件松動(dòng)，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(dòng)，促使它們迅速損壞。（2）加速機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件的磨損，如大軸的劇烈的擺動(dòng)，使軸與軸瓦的溫度升高，使軸承或軸瓦燒毀；轉(zhuǎn)子振動(dòng)過(guò)大，增加滑環(huán)與碳刷的磨損，使碳刷跳火花。（3）共振引起的后果更嚴(yán)重。如機(jī)組設(shè)備和廠房產(chǎn)生共振時(shí)可使整個(gè)設(shè)備和廠房毀壞；卡門(mén)渦列引起葉片的周期振動(dòng)，當(dāng)卡門(mén)渦列的振動(dòng)頻率與葉片固有頻率接近時(shí)就會(huì)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、水力發(fā)電中的水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定策略分析

（一）嚴(yán)格改進(jìn)水輪機(jī)水力設(shè)計(jì)。水輪機(jī)空化和空蝕的主要類型是翼型空化和空蝕，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(jì)而言，要設(shè)計(jì)和試驗(yàn)空化性能良好的轉(zhuǎn)輪。一般考慮兩個(gè)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(jì)，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(duì)葉片的嚴(yán)重破壞。實(shí)踐證明，葉型設(shè)計(jì)得比較合理時(shí)，可避免或減輕空化和空蝕。因此在水輪機(jī)選型設(shè)計(jì)時(shí)，要合理確定水輪機(jī)的吸出高度，水輪機(jī)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(yàn)表明，這三個(gè)參數(shù)應(yīng)最優(yōu)配合選擇。對(duì)于在多泥砂水流中工作的水輪機(jī)，選擇較低比轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)輪有利于減輕空蝕和磨損。

（二）改善相關(guān)運(yùn)行條件。翼型設(shè)計(jì)時(shí)只能保證在設(shè)計(jì)工況附近不發(fā)生嚴(yán)重空化，在這種情況下，通常不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的空蝕現(xiàn)象。但在偏離設(shè)計(jì)工況較多時(shí)，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。

（三）強(qiáng)化水輪發(fā)電機(jī)組維護(hù)。（1）定期對(duì)所有設(shè)備進(jìn)行嚴(yán)格檢查。具體的檢查要點(diǎn)包括：第一、將水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)控制在合理的范圍內(nèi)，對(duì)于超出規(guī)定范圍的參數(shù)進(jìn)行及時(shí)地糾正；第二、對(duì)機(jī)組一次回路與二次回路的連接處安全性能進(jìn)行綜合地評(píng)估，確保這些區(qū)域工作電流、電壓的穩(wěn)定；第三、采取有效的措施對(duì)發(fā)電機(jī)進(jìn)行異味檢查，加強(qiáng)對(duì)發(fā)電機(jī)使用過(guò)程中的振動(dòng)檢測(cè)；第四、加強(qiáng)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中的軸承溫度實(shí)時(shí)把控，優(yōu)化機(jī)組的服務(wù)功能。（2）合理應(yīng)用信息化技術(shù)。結(jié)合水輪發(fā)電機(jī)組各部分組成結(jié)構(gòu)的功能特性，選擇可靠的信息化技術(shù)對(duì)機(jī)組的正常運(yùn)行進(jìn)行全程把控，最大限度地降低水輪發(fā)電機(jī)組的故障發(fā)生率。在可靠的信息化技術(shù)支持下，構(gòu)建出功能完善的信息監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組不同工作時(shí)段的實(shí)際概況進(jìn)行實(shí)時(shí)地分析，加強(qiáng)各類故障有效處理的同時(shí)，為水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行提供可靠保障。

四、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，水輪機(jī)是水電廠進(jìn)行電力生產(chǎn)的主要?jiǎng)恿υO(shè)備，是水電站的重要組成部分，其穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系著整個(gè)水電站安全，并且在一定的程度上影響到整個(gè)水電站的穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)效益，因此對(duì)水力發(fā)電中的水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定進(jìn)行分析具有重要意義。