简论水力发电中的水轮发电机组稳定策略

张永兴

摘要：水轮发电机组作为水电站的核心设备，一旦不稳定，就会影响水电站的综合效益。本文阐述了水力发电中的水轮发电机组稳定影响因素及其原因对策与危害性，对水力发电中的水轮发电机组稳定策略进行了论述分析。

关键词：水力发电；水轮发电机组；稳定；影响因素；策略

水力发电中的水轮发电机组不稳定是电气、機械、流体等多种原因引起，为了保障水能动力发电的安全运行，以下就水力发电中的水轮发电机组稳定策略进行了探讨分析。

一、水力发电中的水轮发电机组稳定影响因素及其原因对策分析

（一）影响水轮发电机组稳定的因素。主要表现为：（1）水力因素。水力不平衡引起的振动。卡门涡列引起的振动。尾水管涡带引起的振动。尾水管中空腔压力脉动。轴流式水轮机叶片振动，导叶开度的变化，当开度减小到一定程度，叶片表面脱流或空化引起叶片振动和机组振动，实际运行中须考虑这一问题。导叶数和转轮叶片数不匹配引起的压力脉动。（2）电磁因素。发电机组气隙不均匀；负序电流引起的反转磁势；定子不圆，机座合缝不好；定子铁芯铁片松动；转子匝问短路。

（二）影响水轮发电机组稳定的原因及其对策分析。（1）空载带励。其主要表现为振动强度随励磁电流增加而增大；逐渐降低定子端电压，振动强度也随之减小；在转子回路中自动灭磁，振动突然消失。第一、空载带励的原因主要有：转子线圈短路；定子与转子的气隙有很大不对称或定子变形；转子中心与主轴中心偏心。第二、对策分析。针对上述原因，要求采取以下对策：用示波器测出线圈短路位置并进行处理；停机调整气隙间隙。气隙的最大值或最小值与平均值之差不应超过10%；如偏心很大时，需要调整定子与转子中心的方法予以消除等手段进行处理。（2）空载无励。主要表现为振动强度随转速增高而增大，第一、原因分析。笔者认为其原因主要有：发电机转子或水轮机转轮动不平衡；轴线不直；中心不对；推力轴承轴瓦调整不当；主轴联接法兰连接不紧；与发电机同轴的励磁机转子中心未调好；水斗式水轮机喷咀射流与水斗的组合关系不当；转轮叶片数与导叶数组合不当。第二、对策分析。针对上述原因，需要采取以下对策：动平衡试验，加平衡块，消除不平衡；调整轴线和中心，调整推力轴瓦；调整励磁机转子中心；改善组合关系；改善组合关系。（3）空载或带负荷。其表现为主轴摆度或振动与转速无关，当负荷增加后，摆度或振动有所降低。第一、原因分析。主要是由于机组主轴轴线不正；推力轴承轴瓦不平整，处理方式是调整轴线；校正轴瓦。此外是振动强度随转速和负荷增加成正比增大，空载或带负的原因往往是多方面的，如转轮轮缘上突出部件布置不对称。第二、对策分析。可以采取以下对策：刮去突出部件或用盖板遮盖，使其平滑过渡；清除堵塞物；调整修理止漏环；加固支承结构等等。最后还有一种振动特征是在所有工况下主轴摆度都大，这通常是由于瓦隙过大，或主轴折曲，或机架松动，可以采取在开停机过程中越过此振动区；改变结构的固有振动频率。

二、水力发电中的水轮发电机组不稳定危害性分析

水力发电中水轮发电机组的不稳定危害性有很多，笔者认为主要有：（1）造成机组各部位紧固连接部件松动，导致这些紧固连接部件本身的断裂，加剧被连接部分的振动，促使它们迅速损坏。（2）加速机组转动部件的磨损，如大轴的剧烈的摆动，使轴与轴瓦的温度升高，使轴承或轴瓦烧毁；转子振动过大，增加滑环与碳刷的磨损，使碳刷跳火花。（3）共振引起的后果更严重。如机组设备和厂房产生共振时可使整个设备和厂房毁坏；卡门涡列引起叶片的周期振动，当卡门涡列的振动频率与叶片固有频率接近时就会发生共振，将产生严重的噪音，使叶片产生疲劳断裂。

三、水力发电中的水轮发电机组稳定策略分析

（一）严格改进水轮机水力设计。水轮机空化和空蚀的主要类型是翼型空化和空蚀，而翼型的空化和空蚀与很多因素有关，诸如翼型本身的参数、组成转轮翼栅的参数等等。就翼型设计而言，要设计和试验空化性能良好的转轮。一般考虑两个途径：一种是使叶片背面压力的最低值分布在叶片出口边，从而使汽泡的溃灭发生在叶片以外的区域，可避免叶片发生空化和空蚀破坏。若改变转轮的叶型设计，就可使汽泡溃灭和水流连续性的恢复发生在叶片尾部之后，这样就可避免对叶片的严重破坏。实践证明，叶型设计得比较合理时，可避免或减轻空化和空蚀。因此在水轮机选型设计时，要合理确定水轮机的吸出高度，水轮机的比转速，空化系数。比转速越高，空化系数越大，要求转轮埋置越深，选型经验表明，这三个参数应最优配合选择。对于在多泥砂水流中工作的水轮机，选择较低比转速的转轮有利于减轻空蚀和磨损。

（二）改善相关运行条件。翼型设计时只能保证在设计工况附近不发生严重空化，在这种情况下，通常不会发生严重的空蚀现象。但在偏离设计工况较多时，翼型的绕流条件、转轮的出流条件等将发生较大的改变，并在不同程度上加剧翼型空化和空腔空化。

（三）强化水轮发电机组维护。（1）定期对所有设备进行严格检查。具体的检查要点包括：第一、将水轮发电机组运行过程中的相关参数控制在合理的范围内，对于超出规定范围的参数进行及时地纠正；第二、对机组一次回路与二次回路的连接处安全性能进行综合地评估，确保这些区域工作电流、电压的稳定；第三、采取有效的措施对发电机进行异味检查，加强对发电机使用过程中的振动检测；第四、加强对水轮发电机组运行过程中的轴承温度实时把控，优化机组的服务功能。（2）合理应用信息化技术。结合水轮发电机组各部分组成结构的功能特性，选择可靠的信息化技术对机组的正常运行进行全程把控，最大限度地降低水轮发电机组的故障发生率。在可靠的信息化技术支持下，构建出功能完善的信息监控系统，对水轮发电机组不同工作时段的实际概况进行实时地分析，加强各类故障有效处理的同时，为水轮机发电机组的正常运行提供可靠保障。

四、结束语

综上所述，水轮机是水电厂进行电力生产的主要动力设备，是水电站的重要组成部分，其稳定运行关系着整个水电站安全，并且在一定的程度上影响到整个水电站的稳定及经济效益，因此对水力发电中的水轮发电机组稳定进行分析具有重要意义。