水轮机运行稳定性的研究与展望

林道远,林建兴

（福建水口发电集团有限公司,福州 350004）

水轮机运行稳定性的研究与展望

林道远,林建兴

（福建水口发电集团有限公司,福州 350004）

水轮机能否安全可靠的运行是保证水电站正常运转的前提，对水轮机组运行稳定性的研究有助于水电站安全生产和提高检修的效率。本文针对当前国内外水轮机运行稳定性研究状况进行总结，并提出四点关于后续运行稳定性研究的新思路。

水轮机；水电站；运行稳定性

0 前言

随着社会经济迅速发展，商业、工业以及生活等用电需求量不断增长，导致我国供电紧张局面产生，并且传统的火力发电存在高污染和高成本等缺点，急需发展新能源来替代传统的发电形式[1]。而水利发电是传统火力发电站之后最重要发电形式，水利发电成为缓解供电紧张和克服传统火力发电缺点的重要手段。然而水轮机主要由转轮、导叶、导水控制机构、尾水管和蜗壳等基本部件组成，在发电运行中，各个部件能否正常工作又关系整个水轮机组的运行稳定性，直接影响水电站的发电任务。因此，正确对水轮机运行稳定的研究，有助于水轮机科学合理的维护和保障水轮机高效安全的运作，具有一定的实际工程和研究价值。

1 影响水轮机运行稳定性因素分类研究

1.1 水轮机组运行振动稳定性

在水轮机组正常的运维中，水轮机的异常振动是最为常见不稳定性因素之一[2]。水轮机机组一旦出现异常振动现象，不仅会带来严重的噪声，还会带来致命的安全事故造成无法估计的损失，如何有效解决水轮机振动问题成为保障水轮机组安全运行和高效生产的关键。

依据当前的研究状况，影响水轮机组的振动因素可分为机械因素、水力因素以及电磁因素。机械因素引起的振动主要是导轴承出现松动刚性不足等缺陷导致导轴承瓦间隙过大引起水导处振动过大，水轮机压力脉动频率与上机架结构固有频率相接近引起水轮机组上机架振动产生等，目前通过增加对导轴承的实时监测以及在顶盖向转轮内补入高压空气有限减缓振动的产生。水力因素引起的振动主要是水头时常发生变化导致运行处于非工况区域引起流道内的压力脉动产生振动，在无法彻底解决振动问题，可以适当避开这些运行非工况振动区。电磁因素主要是电气部分产生干扰电磁力导致运行磁拉力不均匀引起的振动现象，通过励磁试验给转子磁极加上励磁电流，有效排除磁拉力不均匀现象。由于水轮机组结构的庞大性及工作状态的复杂性，外界产生的各种干扰力都有可能是引起水轮机组振动的影响因素，有必要对其它引起因素进行进一步的研究。

1.2 水轮机叶片抗气蚀稳定性

当前水轮机正在向大容量、高水头、高比转速方向发展，其气蚀危害愈加明显。气蚀会破坏水轮机的过流部件，严重降低水轮机的出力和效率，甚至可能导致发电机组无法安全稳定运行，气蚀已经成为影响水轮机运行稳定性的一大障碍。由于气蚀危害的严重性，各大水利发电研究机构都作了大量的研究，总结一些有效的防止气蚀措施。首先，从设计制造方面，对叶片翼型进行优化设计使其运行受到水压均匀和采用新的耐蚀、耐磨材料进行叶片制造。其次，从运行维护方面，在检修期间，找出气蚀最严重部位，对其部位进行重点修复以及特殊涂层处理。最后，从进水防护方面，在引水口设置防沙、沉沙及排沙设施。由于影响气蚀产生的条件较为复杂，虽然目前找到较多的防止气蚀的措施，但至今并没有完善解决方法，因此有待进一步研究来提高水轮机叶片抗气蚀的稳定性。

1.3 水轮机的调速稳定性

水轮机调速器作为水轮发电机组正常运行的另一关键部件，具备功能多样，运行复杂以及操作力度强等特点。水轮机调速器是依据电脑传达的指令肩负着调节水轮机转速、调节水流量以及自行调整机械运行状况等功能，在实现这些功能的同时，必定引起一些故障的出现，导致水轮机运行的不稳定性。水轮机调速器出现故障主要存在以下几个方面：调速器运用了主用和备用两套电气设备系统进行控制，但备用电气调速系统时常存在测频，大大降低了电气调速器的备用率；安装在主配位置上的传感器稳定性不高，造成机组不能准确开启导叶；外部供给工作电源出现波动造成调速器的失电，在某种程度上降低调速器的可靠性；受到电磁干扰导致控制模块信号采样出现异常，引起发出不必要的故障信号。

针对上述出现的情况，提出相对性的解决方案：通过增加检测测速传感与大轴之间间隙设备解决测频故障；选择结构可靠的传感器防止机组长期运行振动导致的主配传感设备出现故障；在调速柜中增加设置更加稳定的电源模块；进行电磁干扰源分析，通过采用现场抑制干扰源措施和提高调速器本身的电磁兼容性增强抗扰度。但这些解决措施都是针对单一影响因素进行提出并无法保证调速器长期稳定运行的要求，非常有必要对调速器稳定性进行更加系统的研究。

2 水轮机运行稳定性的研究方向展望

针对上述影响因素研究，尽管现在针对各大影响因素提出了针对性的解决方法，但每种方法都存在一定的缺陷或者需要进一步的提升，本文作者依据目前学术以及实际应用中的最新理论，对水轮机运行稳定性的研究方向提出了以下四点思路：

（1）对水轮机实际运行状态进一步的剖析，融合最新智能传感技术和智能分析诊断方法，提升对水轮机的整体监测水平，以及提高水轮机整体运行稳定性。

（2）针对于叶片空化空蚀现象，运用非线性有限元对各种引流状态参数对水流冲击叶片受力分析及磨损进行研究，找出最佳的参数（如叶片表面最适宜粗糙度、水流速度等），最大限度减少水力腐蚀，并且采用新型抗磨蚀材料，提高叶片的使用可靠性和寿命，缩短检修时间创造更大的经济效益。

（3）从设计制造出发，运用一些国际上新型的水轮机机构，降低水轮机组运行的振动不稳定性。

3 总结

总之，水利发电机组运行是否稳定性，不仅关系整个水电站的正常安全生产，而且影响水电站能否承担调峰调频的重大任务，因此，对水力发电机组运行稳定性的探讨具有现实的重大意义。本文阐述影响水轮发电机组运行稳定性的三大方面，简单论述这些不稳定因素产生的原因，总结目前解决不稳定因素的方法，并且分析这些方法存在的不足，根据目前国内外学术以及实际应用最新理论，提出几点研究方向展望，希望可以为从事研究运行稳定性的同行提供一些新的思路。

[1]郑立新.浅谈水电站水轮机的安装方法[J].水利与环保,2014,5（下旬月）:415.

[2]唐聪.试论水轮机异常现象的处理[J].机械与工艺,2014,5（上旬刊）:205.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.01.028