浅析水轮机的运行过程

摘要：随着电力系统容量的不断增大，水电机组尺寸和容量在不断增大，转速得到了提高，这就使得机组的运行稳定性成为电站机组设计、制造、安装和运行中极为关注的问题。文章介绍了水轮机运行过程中可能影响到机组运行稳定性的过渡过程，水力机组在运行中的空蚀破坏、泥沙磨损问题和相应的解决措施及能够有效提高水轮机运行性能的认识。

关键词：水轮机；运行稳定性；过渡过程；空蚀破坏；泥沙磨损 文献标识码：A

中图分类号：TK733 文章编号：1009-2374（2016）18-0124-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.061

水能是目前公认最经济的一次能源，而水力发电则被认为是电能转换方式中最为经济的一种。水电具有独特的优越性，与火电相比，水电的运行成本低；与核电相比，水电的安全性高且发电投资省。同时，水力机组的高速动性、运转灵活性、在偏离设计工况运行时也能具有较高的运行效率等，使它成为电力系统最可靠的事故备用、负荷备用、承担调峰填谷任务等的不二之选。因此，水力发电在参与电力系统运行时，占据一个十分独特的地位，并且随着电力系统容量的不断增大，这种独特优势会越来越显著。

水轮机是水电站不可或缺的动力设备之一，是用来生产电能的水利原动机。水流在经过水轮机后将自身所蕴藏的能量转换成旋转的机械能，然后旋转的机械能通过电动机后将转换为电能，之后送至电网供给给用户。由此可见，水轮机的运行性能好坏，直接关系到水电站发出的电能的质量，甚至影响到整个电力系统运行的技术经济水平。要提高水轮机的运行性能，就要先了解水力机组的各种过渡过程，进而知道在这各种过渡过程中水轮机内部水流特性和外部机械特性的变化规律以及对水轮机工作性能的影响。再以此为基础，让这些过程得到合理的控制，来保证水轮机可能出现的不稳定工作状态的安全，继而改善过渡过程中水轮机及其零部件的工作条件，提高机组的运行质量。

水轮机过渡过程是一种瞬变过程，它是指水轮机由一种工作状态转向另一种工作状态但两者的工况性质完全不同的过程。当水电站的运行工况改变时，水力过渡过程就会发生。大致分为机组启动过渡过程，机组增、减负荷过渡过程，机组甩负荷过渡过程和机组脱离飞逸过渡过程四类。

机组启动过渡过程就是指在机组停止后从停机状态开始转动，继而同步和并入电网的过程。研究这个过渡过程，是为了改善推力轴承的工作条件、缩短启动时间并且为发电机的并网创造良好的同步条件。

以转桨式水轮机启动过渡过程为例，在给出機组启动脉冲后，随着导叶开度的逐渐增大，水轮机转轮的输功率矩也逐渐增大，当该力矩超过摩擦力矩时，水轮机就开始转动。轴向水推力的变化特点与水轮机力矩的变化相同，在导叶开度不断变大的过程中也在不断增大。但两者的最大值不同，水轮机力矩的最大值是在导叶处于启动开度点时，而轴向水推力的最大值出现在水轮机的开始转动点和导叶启动开度点之间。若机组继续增加转速，则水轮机力矩和轴向水推力都会相应地减小。除此之外，随导叶开度和流量而变化的还有包括水锤和水力损失在内的作用水头的偏差值，当导叶开度增加，水轮机水头降低，作用水头的偏差值就成为负值。

水电机组在电力系统中运行时，可分为两类的负荷变化：一类是从空载增加负荷到规定值或机组减负荷到零（空载），然后发电机脱离电网和停机（正常停机）；另一类是在既定的功率调整范围内，机组改变负荷，即机组在允许的最小功率到额定功率范围内的增、减负荷。

以转桨式水轮机减负荷到零和停机时的过渡过程为例。在给出停机信号后，导叶关闭，过一段时间后，转轮桨叶也开始关闭。转轮桨叶的关闭时间一般比导叶的关闭时间长2～3倍，所以协联关系在过渡过程内遭到破坏。机组与电网达到解列状态，此时机组的功率接近于零，随后水轮机的转速开始下降，机组进入制动工况区。投入制动是在转速下降到50%左右时开始作用使机组停机，机组转速继续下降，降低到某一值时，转轮的桨叶转角将增大到启动安放角。在这个过程中，水轮机力矩的变化与轴向水推力的变化相似。水轮机力矩变化的开始点略微迟于导叶的开始关闭点，而轴向水推力和其初始值相比有暂时增大的现象。当机组从电网切除后，导叶继续关闭，水轮机就进入制动工况区，此时的力矩变为负值，轴向水推力的方向向上。

当带负荷的机组突然从电网脱离，随后在自动调节系统的控制下机组转为空载运行的过程称为机组甩负荷过渡过程。在这个过程中，机组的转速上升、压力引水管道和蜗壳中的压力上升等为变化的主要参数。

以转桨式水轮机甩负荷过渡过程为例。当发电机从电网脱离时，转速会迅速增高，导叶也会开始关闭。从时间角度来看，导水机构接力器所对应的全行程动作时间一般为8～16s，而叶片安放角需要30～60s才能从最大值变化到最小值。在导叶的关闭和叶片安放角不断变小的过程中，流量也在逐渐变小。由于水锤的作用，水轮机水头增加，力矩也会相应地有所变化，刚开始有所增大，最终会随着导叶的关闭减小到零，而此时机组的转速达到了最大值。机组进入制动工况区后，水轮机力矩变为负值，转速降低，导叶打开，机组就处于空载运行状态。在调节装置的主要系统发生故障的情况下，机组甩负荷时就会出现飞逸工况。出现飞逸工况，对水轮机和发电机来说都是一种严重的事故。由于离心力、旋转体质量不平衡等所引起的动力作用会使机组动负荷大大增加，并且转速增加越多，动负荷也就越大，越难以控制。因此机组是不能在飞逸工况下长期运行的，一些专门的防飞逸保护装置在电站中也是必须要配备的。

以轴流式水轮机采用事故配压阀时脱离飞逸的过渡过程为例，当机组从电网脱离并调节系统发生故障后，机组就会处于飞逸状态，此时水轮机轴向水推力和力矩都会减小。导叶接收到事故配压阀的动作信号后，开始关闭，此时机组的转速达到与转速传感器的整定值相对应。机组转速继续增加，当力矩等于零、轴向水推力变为负值时，转速达到最大值，然后下降。在导叶全关后，机组转速仍在下降，机组受到制动而正常停机，转轮叶片转到了启动安放角的位置。

在水轮机运行过程中，还有许多问题等待解决，如通流部件特别是转轮的空蚀破坏、水轮机的泥沙磨损等。这些问题都严重地影响着水轮机运行的稳定性。

从整个水轮机的发展历史来看，空蚀是水轮机发展中的重大障碍之一。空蚀与水轮机通流部件中水流的速度有很大的关系。翼型空蚀发生在叶片表面，当转轮中水流速度很高，叶片背面压力很低时，就可能导致；间隙空蚀大多发生在转轮与之耦合的静止零件的间隙中；而旋涡空蚀是由于设计和制造的缺陷所引起的过流表面不平整，能够诱发局部脱流。

研究表明，对于材料的损伤，主要由微观水击和液体介质对材料的电化学腐蚀作用叠加的结果。微观水击垂直于固体壁面的冲击力有时可能会超过材料的屈服极限，致使其发生塑性形变；冲击力较小时，也会由于高的作用频率导致材料疲劳破坏。冲击力在切向方向会促使金属已遭破坏的局部松动或剥落。金属的强烈电化学腐蚀也会伴随在空蚀微观冲击的过程中，当材料遭受冲击时，会将冲击时所吸收的能量转换为热能，致使局部温度升高，加快电化学腐蚀过程。

水轮机性能好坏的重要指标之一就是空蚀性能的好坏。要改善空蚀性能，就要从如下方面着手：设计水轮机转轮时，在满足功率要求的基本前提下，要保证具有较高的能量指标，要保证具有令人满意的空蚀性能；通过往空蚀区域通入空气可以达到降低空蚀破坏强度的目的；在过流表面采取防护措施或者选择空蚀性能高的材料制作水轮机转轮，是改善水轮机空蚀性能的有效办法。除了有效地改善空蚀措施，还要对已发生空蚀的地区进行检测和在线监测，运用灵敏的监测技术，使在空蚀初期就探测到破坏成为可能，为可靠诊断和优化检修提供了大量数据。

我国大部分地区水土流失比较严重，河流中大量的泥沙导致水轮机的泥沙磨损问题尤为突出。泥沙磨损可使水輪机过流部件遭受不同程度的破坏，在流速较高的转轮、导叶部件中破坏更为严重，有些破坏甚至无法修复。当高速的水流夹带着泥沙撞击固体表面时，大的冲击应力可能超过材料的屈服极限而使材料发生塑性变形，小的冲击应力由于频率高会导致材料疲劳损坏。

针对我国实际情况，从设计到制造、运行，已经开展了大量的科学实验与研究工作，取得了不少的经验，也成功应用于很多水电站中，行之有效的方法大概为如下种类：在电站设计与水库调度运行中，尽可能让水轮机中减少泥沙的通过；改进水轮机的设计，选择较低的单位转速，减小过流速度；对易磨蚀部位，采用相应的磨蚀性能较好的材料或表面防护；合理运行与检修，在泥沙较多时，不宜超负荷运行。

通过对前面所述问题的分析，在水电站所有的动力设备中，工作环境最为严酷的当属水轮机。为了避免空蚀破坏、泥沙磨损等对水轮机造成的威胁，需要提高对水轮机运行稳定性的认识。

提高水轮机运行平稳性，可以尽可能将水头变幅控制在平均水头的30%～40%以内，合理选择额定水头，使额定水头尽量靠近较高水头，避免最高水头的工况在偏离最优单位转速较远下运行。选择稳定性能较好的负倾角也是个有效的办法，高水头电站宜选用长短叶片转轮，中水头电站宜选用叶片数较多的转轮。另外，对额定工况点不能要求过高的效率，可能会导致机组稳定运行的负荷调节范围变窄，这样将使高水头的部分负荷区处于不利的工况。提高运行平稳性的方法还有很多，但都要根据电站的实际情况来选择最为适合的。

改善水轮机的运行性能，是提高水电站运行水平的关键之一。运行性能良好的水轮机具备较高的运行稳定性、灵活性、可靠性和经济性，只有水轮机的运行性能处于良好状态，水电站的经济效益才能够得到提升。

参考文献

[1] 常近时.水力机械过渡过程[M].北京：机械工业出版社，1991.

[2] 程良骏.水轮机[M].北京：机械工业出版社，1981.

[3] 常近时，寿梅华，于希哲.水轮机运行[M].北京：水利电业出版社，1983.

[4] 郑莉媛，朱爱菁.水轮机调节[M].北京：机械工业出版社，1988.

作者简介：王璐琰（1994-），女，河南汝州人，武汉大学动力与机械学院本科学生。

（责任编辑：小 燕）