浅析水轮机运行工况与磨蚀

景国强，柴生文

(刘家浪水电有限责任公司，甘肃 岷县 748400)

1 概 述

刘家浪水电站位于甘肃省岷县境内，是在洮河干流上建成的1座低坝、明渠引水式电站。始建于1978年，1984年10月1、2号机组发电运行，1991年竣工，装机容量4×2 000 kW；2002年5月并入电网运行，之前长期处于孤网发电。不稳定运行因素给电站的各类设备带来非常大的安全隐患，也加大了运行和检修困难，给企业的经济效益带来不可估量的损失。为此， 水电站从2002年开始分期对4台水轮发电机组、调速系统、励磁装置、计算机监控系统进行了全面技术改造，装机容量由8 000 kW增至10 500 kW；改善了机组运行稳定性、安全性、经济性，创造了良好的经济效益和社会效益。

运行工况的不断变化和调整是每座水电站发电运行过程中最常见的现象，也是根据水流量变化、机组运行状态、电网调度内外因素导致不断由主动变被动运行的一种实际运行状态；所以水电站运行人员要根据实际情况在不同运行状态下进行运行作业，要不断总结各种运行工况下对水轮发电机组最有利的发电运行模式，也就是最优运行工况；以最大努力降低各种空蚀磨损、过流部件的损坏和磨损，保证设备的安全运行时效，提高设备安全运行寿命，真正做到尽可能的节能降耗、科技创新的新型运行理念。

2 运行工况不良带来的影响

2.1 水头利用率不足

水头是水电站运行的一个重要指标，也是设备安全运行的前提，高水头运行不但可在同等条件下(导叶开度70%，流量17.42 m3/s，额定水头17 m)提高设备出力，也是对过流部件进行无压差、无真空(无差压、无真空指的是进水压力前池拦污栅无堵塞，压力前池水位不低于设计水位，尾水水位不高于设计水位)的保护性运行的重要保障。反之，长期低水头运行或因水流量不足形成带差压强制性运行，会给过流部件带来损坏、磨蚀、振动等十分不利的影响。最为明显的是非过流部件真空破坏阀长期动作，转轮室带压运行引起水力不平衡振动；同时产生大量真空未能及时消除，进而形成空蚀破坏，加大了过流设备表面的磨蚀破坏，从而形成以弱制弱的恶性循环。另外，导水叶轴套常年磨损，导致导水叶之间开度不均匀，未能形成最佳水力环量，致使工作部件(转轮)表面受力大小不一。同时，泄水形成非常可怕的真空破坏和机组异常响声，也给运行人员在工作上带来非常大的技术压力和思想压力。

2.2 水轮机运行过程中正确调节也是一种保护

在设备运行过程中，水轮机调节器(调速器)无论是在自动或手动工况时，均要根据水头、水流量、载荷、设备的性能等参数指标进行合理调整，尤其在泥沙含量过大的情况下更要做到合理调度，不得已时才进行人为停机保护。因此，在正常运行过程中合理调节运行工况也是对整个设备进行保护的重要举措。

图1是刘家浪水电站在不良工况下运行给水轮机转轮造成的空蚀破坏现象(见图1)。更为严重的是长期不良运行在转轮室产生空蚀进而导致转动部件与过流部件的质量损失，形成不平衡运行状态。这样，不但给机组造成严重的水力振动，还会损失大量水原动力，出现机组出力下降、振动过大、机部件损坏等不良现象。最后，迫使整个机组停机，扩大检修内容，给企业带来不可估量的损失。

图1 不良运行工况和磨蚀给设备造成的破坏

过去刘家浪水电站由于长期孤网运行，对设备的运行工况了解不太全面，再加上磨蚀的影响，导致水轮发电机组运行过程中设备缺陷频发；如水轮发电机组轴线严重倾斜，主轴密封损坏加速，水导轴承淹水，转轮叶片边缘侵蚀加速引起水轮机振动、出力下降等。1999年3月，不良运行工况和磨蚀给设备造成的破坏导致1号机组发生水轮机主轴轴颈断裂的恶性事故，严重威胁机组安全运行，给电站造成重大损失。

2.3 泥沙含量过大带来的设备损坏和造成的影响

在我国西部，许多河流泥沙含量较大，在这种河流上修建的水电站，泥沙磨损对水电站的安全运行造成了较大危害，高含沙水流对水轮机的磨蚀十分严重，尤其是在空蚀和泥沙磨损双重破坏作用下特别明显：增加了机组检修周期，水轮机的运行效率下降，水轮机的可靠性降低，机组寿命下降，严重影响电站的安全运行和经济效益，水电站在检修过程中备品备件增多，增加运行成本。图2是甘肃省陇南市白鹤桥水电站导水结构过流面磨蚀断面(见图2)。

图2 导水结构过流面磨蚀断面

3 应对运行工况不良的几点建议

3.1 合理利用水力资源，尽量做到高水头运行

每条河流的水流量大小不同，每座电站的水头高低不同，设备出力不尽相同，因而在设计电站时的理念就不能一概而论；这就要求在设计时经济容量、设备选型、机组分布、运行工况等都要严格按实际情况认真分析，做到因材而用，切不可盲目的不切实际开工。但水头是每座电站的一项重要指标，万变不离其宗，水头、流量是决定设备容量大小的关键参数，两者是相辅相成的，缺一不可；最佳水头也是电站运行工况及电站标志性的参数，是保证设备安全运行、出力工况最优、主副设备处在合理技术范围的安全基本要素。故而合理利用水力资源和正常水头运行是保证设备安全运行的有力保障。另外，高水头也可将一部分漂浮物、杂质、冰块排至溢流道，防止过流部件的卡阻和磨损。

3.2 合理调度，择机运行

水电站在密切配合电网调度的前提下，要根据自身实际情况进行负荷分配和开停机时下达的运行指令；如水情变化、季节差别、设备检修、汛期运行、冰凌期运行、意外解网运行等，都要因势利导，以最大限度地确保设备在安全情况下做到“多发电，发好电”的水电传统。

下面以甘肃省岷县古城水电站在发生重大自然灾害时的合理调度为例进行介绍。当时岷县发生重大泥石流自然灾害，大量泥石流进入库区，为了保护设备的安全且不发生重大事故以及造成过流部件不可预想的损坏，将其运行设备全部停止运行，利用备用电源下泄流量。在不伤及当地老百姓生命财产安全的前提下，电站所有人员在当地政府部门全力配合下及时排泄库区泥石流及大量杂物，不但保护了设备的安全，也给当地的老百姓留下了良好的口碑。由于及时泄洪，降低了区域经济的各类损失，为当地政府减轻了自然灾害的压力，受到县市的一致好评。

3.3 保证检修质量，改善水轮机运行工况

在设备检修安装过程中对于高程、水平、中心以及轴线摆度等质量要求是非常严格的，无论哪个方面出现问题或达不到检修质量要求，都会影响到整个机组的安全运行，对水轮机运行工况产生不良影响；更有甚者会出现重大事故， 给电站带来不可估量的经济损失。水轮机在不良工况下运行，将会加大设备的损坏程度，出现一系列不正常现象，如振动过大，出力不足，磨蚀严重，异常响声，轴承温度偏高，转动部件碰撞、卡阻等情况。因此，检修质量的好坏对水轮机运行工况有重要影响，例如，止漏环间隙调整不当会对水轮机运行工况产生较大影响，会加大机组振动。

3.4 减少磨蚀，尽可能做到最优工况运行

水轮机在检修时，有时会发现水轮机转轮叶片出水边表面(通常是背面)、轴流式水轮机室，甚至尾水管进水口内壁，有一些麻点甚至蜂窝状的孔洞，这是磨蚀造成的不良后果。磨蚀严重时水轮机在运行过程中会形成振动和发出撞击响声，同时引起效率下降；如不及时处理，将会导致叶片破坏，效率急剧下降。因此，在运行过程中应尽量减少磨蚀对运行工况的不良影响。

此外，为了有效地利用水头，提高水轮机的运行效率，应使水轮机在最优工况下运行；因此水流在进入转轮时应尽量无撞击，即切向进口；水流在离开转轮时应绝对速度的圆周分量尽量小，即法向出口。切向进口和法向出口是保证水轮机最优工况运行的条件。

4 结 语

“合理调度，择机运行”是每位水电工作者面对的重要课题。众所周知，运行工况优良时给电站带来良好经济效益和社会效益，反之则会造成不必要的经济损失以及设备损坏，尤其是长期不良工况运行会造成过流部件和固定部件的磨蚀，给电站的检修工作带来很大困难；同时也造成了经济上的重大损失。因此，应根据电站特点，制定合理的运行方法，这样才能取得更好的经济效益。