水輪機穩(wěn)定性影響因素分析與優(yōu)化策略

黃商

摘 要：隨著我國水輪機設(shè)計大容量和大尺寸趨勢日益明顯，水輪機組的轉(zhuǎn)速也逐步提升。在實際的使用過程中，如何保證水輪機組的安全穩(wěn)定運行，已經(jīng)成為了現(xiàn)階段人們重點關(guān)注的一項重要問題?；诖?，文章對水輪機穩(wěn)定性影響因素與優(yōu)化策略進行了探討與分析。

關(guān)鍵詞：水輪機；穩(wěn)定性；設(shè)計；運行；策略

中圖分類號：TK733 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）30-0131-02

Abstract： With the increasing trend of large capacity and large size in the design of hydraulic turbines in China， the speed of turbine sets has been gradually increased. In the actual use process， how to ensure the safe and stable operation of the turbine unit has become an important issue of concern at this stage. Based on this， this paper discusses and analyzes the factors affecting the stability of hydraulic turbine and the optimization strategy.

Keywords： turbine； stability； design； operation； strategy

隨著近年來我國現(xiàn)代化建設(shè)水平的不斷提升，我國的水電站事業(yè)也得到了飛速的發(fā)展。水輪機作為水電站運行過程中較為重要組成部分，近年來其發(fā)展也呈現(xiàn)出向大容量、大尺寸發(fā)展。盡管大容量以及大尺寸水輪機可以在較大程度上提升水電站的運行效率，但是由于其剛度弱化加之水電站智能化水平的提升[1]，使得水輪機安全穩(wěn)定運行的越來越受到人們的關(guān)注?，F(xiàn)階段我國較為常用的水輪機類型為混流式水輪機，如何在這類水輪機設(shè)計以及生產(chǎn)過程中提升其運行的穩(wěn)定性，對于保證我國水電站的安全運行有著非常深遠的影響。

1 水輪機安全運行穩(wěn)定性概述

對于水輪機安全運行穩(wěn)定性而言，其主要指的就是水輪機組實際的運行過程中所表現(xiàn)出來的機械振動以及水力振動。一般來說，水輪機安全運行穩(wěn)定性較差，其主要表現(xiàn)機械振動以及水力振動頻率較高且振幅較大；水輪機安全運行穩(wěn)定性較好，其主要表現(xiàn)為機械振動以及水利振動頻率較低且振幅較小。在實際的水輪機運行過程中，如果其安全運行穩(wěn)定性較差，其必然會影響到水輪機安全運行，久而久之，水輪機設(shè)備表面也會出現(xiàn)諸多裂紋，嚴重者會對整個水電站的安全運行造成不良影響[2]。盡管現(xiàn)階段我國的水輪機設(shè)計生產(chǎn)以及制造水平已經(jīng)得到了較大的提升，但是在水電站水輪機運行過程中，依然會出現(xiàn)振動問題，使得我國水電站安全性以及經(jīng)濟性并未得到真正的保障。只有加強對于影響水輪機安全穩(wěn)定運行因素的分析，才能從根本上保證水輪機運行穩(wěn)定性的發(fā)揮。在現(xiàn)階段我國水電站發(fā)展過程中，其中作為常用的水輪機類型為混流式水輪機。由于其水頭范圍較寬以及結(jié)構(gòu)相對簡單，因此，在實際的水電站運行過程中，混流式水輪機的應(yīng)用[3]，可以在較大程度上提升水電站的工作效率。

2 影響水輪機運行穩(wěn)定性的主要因素

2.1 水力因素

水力因素作為主要的水輪機組水力穩(wěn)定性因素，盡管其對水輪機組設(shè)計工作產(chǎn)生的影響并不是特別大，但是在實際的運行過程中，也往往會對混流式水輪機安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生非常嚴重的影響。一般來說，在水輪機組正常運行過程中，其轉(zhuǎn)輪出口會持續(xù)流出水且轉(zhuǎn)輪不會發(fā)生旋轉(zhuǎn)。而當(dāng)水輪機組處于非最優(yōu)運行狀態(tài)時，由于水輪機機尾水管受到作用力，轉(zhuǎn)輪出口處的水流大多呈環(huán)狀；當(dāng)水輪機組的低水頭部分有40%-70%處于負荷狀態(tài)時，其轉(zhuǎn)輪出口處水流呈正向旋轉(zhuǎn)并形成相應(yīng)的帶狀漩渦，一旦形成帶狀旋渦，必然會對水輪機組的振動作用產(chǎn)生影響，進而對混流式水輪機的安全穩(wěn)定運行造成嚴重的影響。在實際的水輪機運行過程中，水力因素對于其影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：首先，扶流翼末端出現(xiàn)卡門渦流，水輪機轉(zhuǎn)輪葉片由于受其影響，將會出現(xiàn)強迫性的振動，并且一旦振動頻率與葉片振動頻率呈正態(tài)分布時，將會對轉(zhuǎn)輪葉片造成嚴重的損害，輕者轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂縫，重者轉(zhuǎn)輪葉片將會直接斷裂[4]；其次，受水力因素的影響，水輪機組的設(shè)計工況往往會與實際運行工況不匹配，這樣一來就是造成葉片在實際的運行過程中，出現(xiàn)脫流現(xiàn)象，必然會對水輪機組的正常運行造成嚴重的影響。

2.2 設(shè)計因素

水輪機設(shè)計因素作為影響水輪機組安全穩(wěn)定運行的主要因素，在實際的設(shè)計過程中，一旦結(jié)構(gòu)設(shè)計以及工作質(zhì)量出現(xiàn)問題，必然會對水輪機的安全穩(wěn)定運行造成一定的影響。筆者研究發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計因素中，其中幾個因素對于水輪機組的安全穩(wěn)定運行產(chǎn)生著非常直接影響。

首先是過流部件的影響。所謂的過流部件，指的就是水輪機頂蓋、底環(huán)剛度等等[5]。在實際的運行過程中，過流部件由于受流道中水流壓力的影響，常常導(dǎo)致相關(guān)構(gòu)件出現(xiàn)彈性形變；加之水流攪動下每個部件都會發(fā)生振動，當(dāng)振動頻率與部件中自身頻率相同時，其振動問題更加明顯，不但會對設(shè)備的正常運行產(chǎn)生影響，而且在運行過程中還會產(chǎn)生較大的噪聲污染。

其次，水輪機轉(zhuǎn)輪的生產(chǎn)工藝。在實際的水輪機轉(zhuǎn)輪加工生產(chǎn)過程中，由于生產(chǎn)或者加工工藝設(shè)計不合理或者是加工過程中操作不規(guī)范，往往會造成轉(zhuǎn)輪葉片型線不精確或者是焊接誤差出現(xiàn)，一旦這類產(chǎn)品應(yīng)用到實際地水輪機組中，必然會產(chǎn)生振動問題。

最后是迷宮環(huán)加工問題。在實際的水輪機組生產(chǎn)加工過程中，一旦迷宮環(huán)加工的橢圓度過大，迷宮間的間隙必然會變大，這樣一來，極易引起水輪機組振動問題出現(xiàn)，嚴重影響其安全穩(wěn)定運行。

2.3 水輪機構(gòu)件質(zhì)量因素

除了上述的兩組因素之外，水輪機構(gòu)件以及安裝質(zhì)量因素也是影響水輪機構(gòu)件安全運行的重要因素。在實際的水輪機構(gòu)件安裝過程中，如果導(dǎo)軸承不符合現(xiàn)階段相關(guān)標準的要求，一旦將其應(yīng)用到水輪機組中，勢必會對其安全運行產(chǎn)生影響；其次，在安裝過程中，導(dǎo)軸承安裝互不同心或者是軸線不正，也會對水輪機組的安全運行產(chǎn)生嚴重的影響。除此之外，導(dǎo)葉開口值調(diào)整設(shè)定不均勻，也會產(chǎn)生水輪機振動，進而影響水輪機的安全運行。

3 提升水輪機安全穩(wěn)定運行的具體措施分析

3.1 提升水輪機的水力設(shè)計水平

要想保證現(xiàn)階段我國水電站水輪機運行過程中的安全穩(wěn)定運行，其中非常重要的一項工作就是做好水輪機水力設(shè)計水平的整體提升工作。首先，應(yīng)保證參與水輪機設(shè)計的相關(guān)人員其專業(yè)知識以及職業(yè)素養(yǎng)整體水平，并將一些專業(yè)知識扎實的人才吸收到實際的設(shè)計工作中來，為其設(shè)計提供良好的人才保障；其次隨著現(xiàn)階段CFD以及模型試驗在機械設(shè)計中的應(yīng)用越來越廣泛[5]，相關(guān)設(shè)計人員應(yīng)不斷加強自身的學(xué)習(xí)以及實踐水平，將現(xiàn)代新型技術(shù)應(yīng)用的具體的設(shè)計過程中當(dāng)中，通過CFD技術(shù)以及模型試驗技術(shù)的應(yīng)用，對導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪葉以及泄水錐等相關(guān)構(gòu)件進行合理的優(yōu)化，并以此為基礎(chǔ)不斷提升水輪機機尾脈動控制的合理性水平。

3.2 提高水輪機日常管理水平

科學(xué)合理的日常管理，不僅可以有效地提升水輪機組相關(guān)設(shè)備的運行效率，還可以在一定程度上延長設(shè)備的使用壽命。因此，要想實現(xiàn)水電站水輪機運行穩(wěn)定性整體水平的提升，做好水輪機日常管理工作也是其中非常重要的一項工作。在這一過程中，水電站相關(guān)管理人員應(yīng)首先從最大限度上保證水輪機組相關(guān)設(shè)備在規(guī)定范圍內(nèi)進行工作，由于水電站中各個組成系統(tǒng)都有調(diào)頻以及調(diào)峰任務(wù)，因此，在實際的運行過程中，應(yīng)將調(diào)頻以及調(diào)峰的小時數(shù)控制在一定的范圍之內(nèi)，這一范圍以5%為宜；其次，運行過程中盡量躲避振動區(qū)域，一般來說，水輪機組大約有兩個振動區(qū)，因此，在實際的運行過程中，相關(guān)管理人員可以通過較快的速率來進行設(shè)備開啟和停運，這樣可以有效躲避振動區(qū)域[6]，此外，在實際的運行過程中，還應(yīng)盡可能的減少對于設(shè)備的開啟以及停運頻率，以此來保證有效的防止振動的發(fā)生；最后，相關(guān)設(shè)備管理人員還應(yīng)對設(shè)備的運行模式進行必要的監(jiān)測，以此為基礎(chǔ)來及時發(fā)現(xiàn)并處理運行過程中設(shè)備出現(xiàn)的各類問題，保證設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

3.3 做好水輪機產(chǎn)品的質(zhì)量控制以及設(shè)備維護工作

做好水輪機產(chǎn)品的質(zhì)量控制以及設(shè)備維護工作也是保證水輪機組穩(wěn)定安全運行的重要途徑之一。對于水輪機組產(chǎn)品質(zhì)量控制工作而言，在實際的工作過程中，相關(guān)質(zhì)量管理人員應(yīng)首先保障相關(guān)通路部件的剛度，以此為基礎(chǔ)防止其由于受水力作用而發(fā)生變形；其次是做好設(shè)計階段的質(zhì)量控制工作，從源頭上降低質(zhì)量問題發(fā)生率。而對于設(shè)備維護工作而言，其主要是對水輪機葉片、轉(zhuǎn)輪以及相關(guān)易磨損構(gòu)件進行維護以及檢修，并在補焊的過程中注意構(gòu)件變形，待完成相應(yīng)的無損檢測后[7]，才能真正投入使用。

綜上所述，隨著近年來我國現(xiàn)代化建設(shè)水平的不斷提升，我國水電事業(yè)也得到長足的發(fā)展?；谶@種背景，水輪機設(shè)計以及生產(chǎn)也呈現(xiàn)出大容量、大尺寸的發(fā)展趨勢。只有做好水輪機設(shè)計以及生產(chǎn)工作，才能從根本上不斷提升水輪機運行的穩(wěn)定性。并且隨著我國相關(guān)技術(shù)的不斷成熟，做好水輪機的安全運行工作，對于促進我國水電站事業(yè)的長期有效發(fā)展也有著非常積極的意義。

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