低水头低负荷对水轮机影响分析

汤　鸿

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙 410004）

低水头低负荷对水轮机影响分析

汤鸿

（湖南五凌电力工程有限公司，湖南 长沙 410004）

摘要：白市水电厂自投产以来，机组长期处于低水头、低负荷下运行。通过对此工况下转轮的过流分析，重点对水轮机转轮的空蚀及振动进行了探讨，并结合白市水电厂现场实际运行情况进行了总结。

关键词：水轮机；低水头；低负荷；分析

1　概述

白市水电厂装机3台型号为HL(PO55)-LJ-630混流式水轮发电机组，单机容量140MW，总装机容量420MW，电站于2013年4月投产发电，水库蓄水采用分期蓄水方案，第一期蓄水至291m，第二期由291 m蓄水至正常蓄水300 m。一期蓄水至291m后，因二期蓄水条件暂不具备，库水位不能超过291m。截止2014年6月，机组运行的上游0水位区间保持在EL.289.5~291m以内。

2　机组运行参数分析

2.1设计参数

正常蓄水位EL.300.0m

死水位EL.294.0m

机组导水机构中心高程247.5m

2.2实际运行参数

蓄水水位EL.289.5m～291.0m

尾水允许最低水位EL.247.7m（主机厂家核算）

根据水轮机特性曲线，上游水库在291m水位左右运行时，机组最大出力约为额定出力的90%。在此水头条件下，白市电站枯水期长期保持30MW单机负荷运行，丰水期满发3台机组，单机约120MW左右运行。

机组长期在低水头、低负荷的运行状况下对电站的出力、发电量及运行费用等水利综合利用效益产生重大影响，更严重的是可能危及到电站设备的安全。

3　低水头、低负荷对水轮机的影响分析

水轮机转轮是气蚀发生的典型部件，因此，对转轮叶片进口、出口边的水流分析，具有代表意义。另外，混流式水轮机转轮的空蚀主要集中在叶片背面，如转轮叶片出口边多发的翼型气蚀等，叶片背面空蚀性能的好坏直接反映转轮空蚀的总体水平。

3.1低水头、低负荷工况下混流式水轮机的气蚀分析

就混流式水轮机而言，水流在转轮中的运动，一方面是水流相对于转轮叶片流动，即相对运动，另一方面随转轮运动，即圆周运动或牵引运动。转轮中的水流的绝对运动可看成是这两种运动的合成（见图1）。

图1速度矢量三角形

当水头降低时，如果保持导叶开度不变（流量不变），转轮出力减小，机组转速不变，即1不变，绝对速度由1降到ν1。因此，水流相对速度由1变为1，水流和叶片间呈负冲角。如图2所示。很明显，此时1的方向角将比1的方向角减小，小于叶片的进口安放角，偏离了进口最优工况条件。此工况下叶片正面头部将发生脱流现象，从而产生局部气蚀。出口三角形中，2不变，2减小，2减小。2方向角由直角变成锐角，则2的

图2进、出口速度三角形

不管是设计水头或者低水头下，由于流量减小，叶片出口相对速度将减小，水流对叶片正面的撞击力也将减小，在气蚀系数相同的情况下，叶片气蚀损坏总量（背面和正面气蚀损坏量之和），在局部范围内是随流量（负荷）减小而减小，即在局部范围内气蚀损坏与叶片出口水流速度成正比。

因此，混流式机组在设计水头或低水头工况下，流速（负荷）减小转轮的气蚀将减轻；在导叶开度一定情况下，随着水头的降低，气蚀情况也将减轻。

3.2低水头、低负荷工况下混流式水轮机的振动分析

图3　叶片出口边水流分析

此时水轮机的运行工作稳定性好，无力摆动，也没有超出规范的振动、噪音和压力脉动。在变工况尤其是低水头、低负荷工况运行时，由于水流相对速度2方向不变，而数值减少为2，出口绝对速度出现较大的圆周分量U2。由于U2的存在，使水流在转轮出口后产生旋转，顺着尾水管排向下游；U2越大，水流所受的离心力越大，沿半径方向，半径大水流压力大，尾水管中心压最小。这种旋转产生的偏心螺旋形涡带，其主要危害是引起低频水力振动，如图4。

图4　尾水管涡带示意图

混流式水轮机尾水管涡带产生的压力脉动，其压力脉动频率接近机组的旋转频率，而引起机组和压力管道的共振。这种管涡带产生的压力脉动也是造成这类机组振动和出力摆动的主要根源。尾水管压力脉动值的大小，直接影响机组的安全稳定运行。尾水管内压力脉动强度大小通常用压力脉动双振幅值与水头之比来衡量，其中，△为压力脉动双振幅值（峰-峰值），为运行水头，该参量即为相对值Δ／。

3.3低水头、低负荷工况对机组出力、效率影响

2013年，白市水电厂机组枯水期长期保持30MW左右单机生态放水运行，丰水期单机约120MW左右运行，机组出力在50%以下效率为86.10%~88.88%，明显小于机组额定工况下的效率；机组在80%负荷情况下，39m水头下机组效率比额定水头下效率稍小（表1）。

表1　水头与效率关系表

低水头、低负荷运行工况偏离设计工况较远，水流流经叶片不再是“无撞击进水，法向出流”流态，汽蚀破坏水流的连续性和流态水力损失增加，水轮机的出力和效率大为降低。

同一机组出力下，当水头降低时，机组流量增加，耗水率随之增加，图5所示为白市水电厂水轮机特性曲线。

图5　白市水电厂水轮机特性曲线

3.4白市水电厂设备工况分析

白市水电厂自2013年4月以来，在低水头、低负荷条件下，3台机组经历了4次检修，对转轮上冠、下环、叶片、及顶盖、导水系统等做了详细检查，未见明显金属缺陷，泄水锥和叶片正、背面均未发现空蚀，部分红丹漆尚存。

白市水电厂低水头、低负荷运行的金属探伤检查结果，也进一步说明了混流式水轮机在低水头、低负荷下运行，转轮的空蚀并不严重。通过对机组实际振动摆度的记录统计，水轮机处大轴摆度及顶盖振动良好，远小于保证值。

但在此工况条件下，白市水电厂机组还是出现了如真空破坏阀损坏，主轴密封损坏，尾水管振动过大等缺陷。

3.4.1白市水电厂机组现场振动摆度统计

白市水电厂水轮机顶盖振动值和水导轴承处大轴相对摆度及绝对摆度保证不大于表2数值。

表2　水轮机顶盖振动及大轴摆度保证值

低水头、低负荷运行工况下，白市水电厂水轮机处实际振动及摆度值测量见表3，由表3可见，低水头、低负荷运行工况下，白市水电厂水轮机振动及大轴摆度均小于保证值，机组振动摆度情况良好。

表3　白市水电厂实际运行水轮机振动摆度记录

3.4.2尾水管振动

前面分析的结果说明，由于机组在低水头、低负荷下运行，偏离了额定工况，在尾水管内旋转水流产生了周期性偏心的低压水管壁面，导致了周期性的水力振动的产生。人孔门处观测到尾水管有明显振感及响声。

3.4.3真空破坏阀损坏

在低水头、低负荷运行工况下，白市水电厂真空破坏阀动作更为频繁，3号机2013年9月，真空破坏阀阀瓣固定螺栓断裂掉落，已进行更换。其余2台机组出现真空破坏阀阀瓣密封件损坏情况。

混流式机组在低水头、低负荷运行工况下，应重点加强振动监测，在威胁到机组安全稳定时，通过科学认证，可在尾水管直锥段设置导流栅,分割真空涡

带,减轻空腔汽蚀的破坏。并针对真空破坏阀损坏，尤其针对阀瓣密封损坏，除适当调整真空破坏阀弹簧动作压力外，更换阀瓣密封材质，更换成耐磨、耐冲击的帆布橡胶，以减少真空破坏阀损坏及漏水风险。

4　结语

就混流式机组而言，在低水头、低负荷的工况下，结合白市水电厂的金属监督检验结果，表明转轮的气蚀情况是较轻的，参照现场实测振动数据，在低水头的工况下，机组运行振动摆度等数据良好，但在此工况下应重点对尾水管直锥段、真空破坏阀的动作监测。

不管是新建电站或已建电站，由于自身发电条件的影响或外加网荷的限制，水电站低水头、低负荷的运行工况是较普遍的。因此，针对此工况下混流式机组的安全、稳定、效率等综合因素，有必要作进一步深化研究。

参考文献：

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[4]张大本，李吉川.混流式水轮机尾水管涡带引起的水力振动[J].广西电力技术，1996（4）.

中图分类号：TK730.7

文献标识码：A

文章编号：1672-5387（2015）08-0001-04

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2015.08.001

收稿日期：2015-05-04

作者简介：汤鸿（1987－），男，工程师，从事水电厂维护工作。