深溪溝電站水輪發(fā)電機(jī)組抬機(jī)量過大的原因分析及處理措施

劉任改

（國電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川雅安625304）

1 電站概況

深溪溝電站為大渡河水電基地干流規(guī)劃的第18級(jí)電站，位于四川省雅安市漢源縣和涼山州甘洛縣接壤處，裝機(jī)容量4×16.5萬kW，水輪機(jī)型號(hào)ZZK40-LH-830，最大水頭40 m，最小水頭20.1 m，額定水頭30 m，額定流量611.24 m3/s，額定功率168 400 kW，額定轉(zhuǎn)速90.9 r/min，設(shè)計(jì)吸出高度-11.15 m，水輪機(jī)安裝高程608.6 m。發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF165-66/13640，額定轉(zhuǎn)速90.9 r/min。2010年機(jī)組投入運(yùn)行后保持穩(wěn)定運(yùn)行，但在停機(jī)過程中出現(xiàn)過抬機(jī)現(xiàn)象，使機(jī)組轉(zhuǎn)速采集信號(hào)消失，測(cè)速裝置報(bào)齒盤測(cè)頻故障。鑒于此，本文對(duì)該抬機(jī)現(xiàn)象進(jìn)行了理論分析，并提出了處理措施。

2 問題的發(fā)生

在2018年汛期大發(fā)電時(shí)期，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)深溪溝4臺(tái)機(jī)組在停機(jī)過程中偶爾報(bào)“測(cè)速裝置齒盤測(cè)頻故障”，調(diào)取歷史數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，4臺(tái)機(jī)組在停機(jī)過程中均出現(xiàn)抬機(jī)現(xiàn)象。具體數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

表1 抬機(jī)量原始數(shù)據(jù)

從表1可以看出，2號(hào)機(jī)組出現(xiàn)的抬機(jī)量最大，達(dá)到15.49 mm，對(duì)2號(hào)機(jī)組進(jìn)行詳細(xì)數(shù)據(jù)查詢，數(shù)據(jù)記錄如表2所示。

表2 2號(hào)機(jī)組原始數(shù)據(jù)

分析表1、表2的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，尾水位在625.5 m以上的時(shí)候，機(jī)組基本上有抬機(jī)現(xiàn)象，而且隨著尾水位升高，抬機(jī)量增大，1F在尾水位627.3 m時(shí)抬機(jī)量達(dá)到了12.8 mm，2F在628.1 m時(shí)抬機(jī)量達(dá)到了15.49 mm。而2F在尾水位625.3 m的時(shí)候，抬機(jī)量只有5.57 mm。這說明抬機(jī)現(xiàn)象和尾水位是直接相關(guān)的。從數(shù)據(jù)中還可以發(fā)現(xiàn)，2F在尾水位624.1 m的情況下，而且當(dāng)時(shí)還沒有泄洪，也出現(xiàn)了4.65 mm的抬機(jī)量。這就說明除了尾水位以外，還有其他因素引起抬機(jī)現(xiàn)象。

3 原因分析

水輪機(jī)在甩負(fù)荷過程中，尾水管內(nèi)出現(xiàn)真空，形成反水擊以及水輪機(jī)進(jìn)入水泵工況，產(chǎn)生水泵升力，因而產(chǎn)生反向軸向力，只要反向軸向力大于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的總重量就會(huì)使機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分被抬起一定高度，此現(xiàn)象稱為水輪機(jī)的抬機(jī)[1]。造成抬機(jī)的原因有兩種：一是機(jī)組尾水管內(nèi)出現(xiàn)反水錘；二是水輪機(jī)進(jìn)入水泵工況，產(chǎn)生了向上的軸向水推力[2-5]。

深溪溝水電站水輪機(jī)的安裝高程為-11.6 m，尾水位超過水機(jī)層高，抬機(jī)現(xiàn)象都是在導(dǎo)葉全關(guān)后發(fā)生的，抬起一定高度并維持?jǐn)?shù)秒才落下，從這種現(xiàn)象來看應(yīng)是反水錘和水泵升力共同作用所引起的。

3.1 反水錘抬機(jī)原理

機(jī)組停機(jī)后，反水錘引起轉(zhuǎn)輪室內(nèi)的真空度的最大值計(jì)算可由下式表示：

式中：Hmax為轉(zhuǎn)輪室或尾水管內(nèi)的最大真空度（m水柱）；Hs為水輪機(jī)吸出高度（m）；Vs=Q/Fs，為尾水管最小斷面上的流速（m/s），Q為停機(jī)時(shí)水輪機(jī)的流量（m3/s），F(xiàn)s為尾水管最小斷面的面積（m2）；δs為轉(zhuǎn)輪室或尾水管中的相對(duì)壓力變化；H0為水輪機(jī)工作水頭（m）。

從式中可以看出，抬機(jī)現(xiàn)象與導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)下游尾水位以及所引起的水錘有關(guān)，并與水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量有關(guān)。

3.2 抬機(jī)條件

水輪發(fā)電機(jī)組不發(fā)生抬機(jī)的條件：水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量大于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪受到的負(fù)壓力和反向水推力之和。即：

式中：G為水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量；P-m為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上的負(fù)壓強(qiáng)；S為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪水平面投影面積，S=πD2/4，D為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪直徑；Fz為水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪受到的反向水推力，一般可由經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得出。

4 處理措施

從上面的原因分析推斷，要解決水輪發(fā)電機(jī)組的抬機(jī)問題，可以從以下幾方面考慮：

（1）減少水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪上的負(fù)壓力，可向負(fù)壓強(qiáng)的轉(zhuǎn)輪室補(bǔ)充空氣。深溪溝電站采用真空破壞閥補(bǔ)氣仍然不能消除抬機(jī)現(xiàn)象，原因可能是補(bǔ)氣不足，無法有效地對(duì)尾水的回流給予壓力，從而使尾水回流，形成了上抬力。補(bǔ)氣不足的原因：一是真空破壞閥補(bǔ)充的補(bǔ)氣量不足；二是真空破壞閥只有當(dāng)負(fù)壓達(dá)到一定程度時(shí)才動(dòng)作，而水的沖擊波速度快，因此緊急真空破壞閥防止抬機(jī)的效果不理想。想要通過此種方法解決抬機(jī)問題，需要對(duì)真空破壞閥進(jìn)行重新選型改造。

（2）直接加大水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量，使水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量大于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪受到的反向水推力和水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪受到的負(fù)壓力之和，從而徹底解決抬機(jī)問題。深溪溝電站已經(jīng)投運(yùn)8年，在投運(yùn)的前幾年并未出現(xiàn)過抬機(jī)現(xiàn)象，后期才出現(xiàn)，增大轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重量原理簡(jiǎn)單，但操作復(fù)雜，需要驗(yàn)證靜平衡、動(dòng)平衡一系列試驗(yàn)。

（3）調(diào)速器兩段關(guān)閉時(shí)間的調(diào)整。通過延長導(dǎo)葉的關(guān)閉時(shí)間或者是優(yōu)化導(dǎo)葉分段關(guān)閉規(guī)律，可降低真空度，從而減輕、消除機(jī)組的抬機(jī)現(xiàn)象。深溪溝電站活動(dòng)導(dǎo)葉采用兩段關(guān)閉方式，根據(jù)調(diào)保計(jì)算，取第一段關(guān)閉時(shí)間為7 s，第二段關(guān)閉時(shí)間為11 s，導(dǎo)葉拐點(diǎn)為37%。通過調(diào)速器試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，深溪溝1F～4F機(jī)組經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行，分段關(guān)閉規(guī)律均有不同程度變化。1號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)間整體偏短2 s，2號(hào)機(jī)組第二段關(guān)閉時(shí)間為12.3 s，偏長1.5 s，3號(hào)機(jī)組和4號(hào)機(jī)組導(dǎo)葉拐點(diǎn)位置向前漂移，導(dǎo)致第二段關(guān)閉時(shí)間變長。

（4）鑒于深溪溝電站抬機(jī)情況的特殊性，齒盤測(cè)速裝置頻報(bào)齒盤測(cè)頻故障，可以通過增加齒盤測(cè)頻的齒盤厚度以及改變脈沖探頭的位置，保證不論機(jī)組抬機(jī)與否都能采集到信號(hào)。

5 運(yùn)行試驗(yàn)

運(yùn)行人員對(duì)電站調(diào)速器分段關(guān)閉時(shí)間進(jìn)行重新整定，并且通過更換厚度更大的機(jī)組測(cè)頻齒盤，調(diào)整脈沖探頭初始位置對(duì)應(yīng)齒盤厚度下半部分1/3位置，分別進(jìn)行了事故停機(jī)、正常停機(jī)試驗(yàn)，均未發(fā)生抬機(jī)、過速等缺陷，機(jī)組振動(dòng)、擺度、瓦溫、線圈溫度等都在國標(biāo)允許的范圍之內(nèi)。

6 結(jié)語

水輪機(jī)組在正常停機(jī)或者事故停機(jī)后出現(xiàn)抬機(jī)現(xiàn)象是不可避免的。本文通過對(duì)深溪溝水電站抬機(jī)問題的原因分析及處理，對(duì)于如何消除機(jī)組抬機(jī)現(xiàn)象有了更清晰的思路。在電站設(shè)計(jì)時(shí)，為了防止抬機(jī)現(xiàn)象的發(fā)生，要綜合考慮機(jī)組的機(jī)構(gòu)，特別是補(bǔ)氣裝置的設(shè)計(jì)，以及機(jī)組的吸出高度、機(jī)組調(diào)保計(jì)算、導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律的優(yōu)化等因素。同時(shí)，每臺(tái)機(jī)組需要具體問題具體分析，以采用不同的防治措施，從而最大限度地提高機(jī)組運(yùn)行的安全、可靠性。