水电机组稳定性管理

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摘要：水电是清洁能源，可再生、无污染，运行费用低，便于电力调峰。尽管电站造价，水电成本高于火电成本约40％，然而能满足较高的环保要求，考虑到火电厂燃料的燃烧在脱硫、脱硝、脱尘等方面所需资金约占投资的1／3，水、火电建设成本也就相差不多了。至于运行成本，水电明显优于火电：水电为0．04-0．09元／kwh，而火电为0．19元／kwh(火电燃料的购买和运输费用就占去50％一70％)。除了上述经济效益，开发水电还具有防洪、航运、供水、灌溉、旅游等综合效益。水电亦有其弊端，例如工程投资巨大、工期较长、投资......

水电是清洁能源，可再生、无污染，运行费用低，便于电力调峰。尽管电站造价，水电成本高于火电成本约40％，然而能满足较高的环保要求，考虑到火电厂燃料的燃烧在脱硫、脱硝、脱尘等方面所需资金约占投资的1／3，水、火电建设成本也就相差不多了。至于运行成本，水电明显优于火电：水电为0．04-0．09元／kwh，而火电为0．19元／kwh(火电燃料的购买和运输费用就占去50％一70％)。除了上述经济效益，开发水电还具有防洪、航运、供水、灌溉、旅游等综合效益。水电亦有其弊端，例如工程投资巨大、工期较长、投资回收较慢，此外还有淹没(文物、房屋、土地等)、移民、生态平衡等负面影响。过去美国某水电大坝已建成，又将它炸毁了；日本也建成过水电大坝，没有炸毁，却废弃不用了；我国三峡工程，激烈争论了半个世纪，经过充分准备，具有绝对把握，才下决心建成。

我国水能资源蕴藏量约为6．76亿kW，居世界第一，然而开发利用率仅为20％，水电开发潜力巨大。

2003年我国发电总量为38450万kW，其中水电9217万kW，火电28564万kW，水火之比为1：3。未来很长一段时期，火电量仍将保持绝对优势，但水电比重将稳步上升。发展水电，就应解决水电机组运行稳定性问题。由于电站运行工况(水头、负荷等)的多变，常使机组偏离最优工况运行，从而导致转轮、尾水管等部件的裂纹、开裂，甚至引起机组、厂房以及相邻水工建筑物的共振，危及电站安全运行，这是一个世界性的课题。我国的发电设备国家工程研究中心、哈尔滨大电机研究所、哈尔滨电机厂-有限责任公司对此已从事多年的试验研究，近期将以《专辑》形式公布攻关成果。本文简要论述水电机组的运行稳定性问题，发生事故的机理，有关预防途径，先进的修复措施等。

1、产生裂纹的机理

当今世界水电机组单机容量和尺寸不断增大，电站水头变化幅度也在增大，负荷明显加大，当电站条件偏离甚至远离设计工况时，就会产生脱流和涡带，引起水力振动，导致转轮叶片裂纹、尾水管撕裂。

大型水电机组多采用混流式水轮机，转轮叶片由上冠和下环固定(不像转浆式，叶片可调节，以适应工况之变)。在非设计工况下运行，不可能同时满足转轮进口和出口的最佳流动条件，使流动状态不良，转轮出口的水流环量大小和方向发生变化，在尾水管内形成不稳定的涡带，由于紊乱而又不规则的涡核外表面的触发，涡带会出现突然的暂态抖动，然后又回到原来的稳定状态。这种从稳态过渡到不稳定状态的暂态现象，称为"涡带溃裂"，它能产生很大的冲击力，但其出现完全没有规律可循。这种现象目前还不能用现代最先进的数值流动分析宋进行预测，而且通过模型试验也难以辨认。"涡带溃裂"引起水压脉动以及机组振动，从而引发转轮、尾水管等出现裂纹、开裂甚至破断。

2发生故障的实例

当今世界电力工业最为关心的重大科研课题是提高机组运行可靠性。水电机组的稳定性是指水轮机过流部件的压力脉动及其诱发的振动幅值和区域，以及发电机电磁和机械等原因引起的振动和功率摆动、噪声等。近年来国内外投运的大型机组不少都出现了运行稳定性问题。压力脉动是由混流式转轮本身固有特点所决定的，在水力设计中也是不可能完全消除。最先进的流体动态解析软件也只能限于稳态流动，它能显示稳态流动中是否出现涡带，但是不能给出涡带是否稳定的结论。

迄今为止，国内外的大型水电机组发生了许多诸如此类的振动、裂纹故障，下面提供一些实例(括号数字为机组单机容量)：

2．1转轮叶片出现裂纹或开裂一①二滩(582MW)；②李家峡(408．2MW)；③拉格兰德Ⅱ(338MW，加拿大)；④小浪底(310MW)；⑤岩滩(307．1MW)；⑥白山(300MW)：⑦五强溪(248MW)；⑧江垭(102MW)，⑨契夫约斯(i01MW，国外)；⑩渭源(66．7MW)。

2．2尾水锥管开裂一①塔贝拉(444．6MW，巴基斯坦)：②岸滩(307．1MW)；③天生桥I(300MW)；④安康(204．1MW)：⑤潘家口(154MW)：⑥大东江(129MW)。

2．3机组振动较大一①大古力Ⅲ(716MW，美国)，振动区也较大，②大古力Ⅲ612MW，美国)，振动区较大；③古里I(370，委内瑞拉)，补气运行；④隔河岩(310MW)，振动区扩大；⑤山仔(15．5MW)，振动较大，补气运行。

2．4其他情况一①磨蚀严重的有刘家峡(310MW)；②有待磨蚀考验的有万家寨(204．1MW)；③尚未达到高水头考验的有龙羊峡(326．5MW)、丹江口(154MW)；④前苏联布拉茨气(220MW)因压力脉动产生水力共振导致转轮叶片和导水机机构接力器外壳出现裂纹，所有转轮叶片发生空蚀，只能剖、气运行；⑤巴西依太普(715／740MW)不带400MW以下负荷运行，即当较低部分负荷(相当于额定负荷的一半及更低)时，机组不投入运行。

3．预防途径的探讨

2002年冬季一2003年春季，长江和黄河上游几乎同时出现枯水。仅黄河流域在2003年1～4月份就少发电量40％；国内有些水电站运行多年也达不到设计发电量。电站条件的很大变化导致机组运行在非最佳设计工况下，就会出现压力脉动、裂纹。国家缺电，不大可能停机等待适合的水力条件。按照现有技术水平，混流式转轮叶片因其不可调节的固有特点，决定了它不适于在远离最优设计工况下运行。三峡机组是世界上最先进的机组，能量指标、空化性能、效率等方面都完全符合标书要求，然而在确保运行稳定性方面并不理想。首批招标的左岸机组转轮方案曾被驳回，国外承包厂商重新研制、改进，结果仍是未全面满足合同要求。最后只是有条件地接受左岸模型转轮。现在正在进行右岸机组的招投标，哈电提出的投标方案在稳定性、效率、空化、强度等方面满足要求，优于左岸转轮。下面提出几种预防途径。

3.1开发设计方面

对混流式水轮机的设计要求有两点：即转轮的水流入口处应保证水流对叶片头部没有撞击，并呈正冲角：而出口处的水流方向应为法向并带有正环量。如果转轮进口水流冲角太大，会导致叶片头部脱流、空化，形成叶道涡，进而引起高频或中频水压脉动。这是诱发水电机组振动的水力振源之一。脱流空化时水流对叶片为负压，水流与叶片表面之间形成真空空腔，脱流严重时这种真空负压作用是以将叶片金属表面结晶撕裂、剥层，并导致空蚀破坏。另一个水力振源是当叶片出口处水流环量过大时在尾水管内产生的强裂涡带，它能引起低频压力脉动。因此，在水力学设计时应当避免导叶和转轮叶片出口处出现卡门涡和叶道涡：同时设法减小压力脉动和空蚀。尽量减小水头变化幅度，使它小于平均水头的30％一40％。还应减小单位转速，提高设计水头，以避免高水头下运行的不稳定性。不要单纯追求高参数，运行实践证明，参数较低的机组，运行稳定性较好：参数较高则稳定性差。比如效率要求过高，就要减少转轮叶片数目，减薄叶片厚度，从而降低了稳定性。采用具有负倾角的"X"型叶片可以适应较大的水头变幅高水头电站可采用长和短叶片，中水头电站可增加转轮叶片数目。

除了在水力设计方面考虑上述措施外，在结构力学设计方面也要保证强度、避免共振；提高刚度，降低工作应力，以及适当增加叶片厚度和叶片与上冠和下环的交接圆角r。不要追求重量指标，应保证刚度、强度。固定导叶的卡门涡频率应比其固有频率高30％以上，可防止它裂纹；防止固定导叶和活动导叶的卡门涡频率与其固有频率接近；转轮叶片的卡门涡频率与转轮的固有频率接近；还要注意活动导叶、固定导叶、蜗壳中的压力脉动频率与其固有频率的接近而引起的共振。

3．2制造工艺方面

水轮机过流表面的翼型，是理想的水力设计，但必须要采用先进的制造工艺来实现。采用超低碳钢精炼铸件，转轮叶片采用数控机床加工，减小重量和水力不平衡，采用的焊接、探伤和热处理工艺应能保证减小残余应力，以确保不产生裂纹。岸滩电站，转轮叶片出口出现中频压力脉动，引起共振，叶片出水边裂纹。通过技术改造，采用不锈钢转轮，真空精炼，数控加工，提高刚强度，恢复正常(300MW机组)。小浪底电站装机6台，单机300MW，转轮13个叶片全部出现穿透性裂纹，承制该水轮机的是世界企业德国伏衣特公司，也是三机组首批14台的中标厂商，采用专利技术，转轮焊后不退火，焊后残余应力过高，导致裂纹，这些都是工艺方面典型的经验教训。

3.3安全运行方面

在电站机组运行过程中，起动、停机、加载、卸载都应缓慢运行，急开急停都可能导致叶片产生裂纹。当额定水头值偏低时，应提高发电机出力，以改善高水头大负荷的稳定性，拓宽负荷调节范围。对补气系统应进行优化，改善低负荷区的稳定性。生产厂家根据最先进的流体动态观察成像系统给出了图谱，应该重视厂家提供的稳定运行范围，实现避振运行。如果不能满载运行，也不要在较低的部分负荷下运行，负荷低于50％以下应引起注意。巴西依太普机组单机容量715／740MW，当负荷低于400MW以下就不运行了。当然巴西电力供大于求，大部出口；我国缺电形势严峻，低荷运行争取多发电量，可以理解，但要采取防范和抢修措施。

修复方法的改进

水有洪水期枯水期，电站条件在不断变化，况且当今世界科技水平有限，还不能完全解决水电机组安全运行问题。水压脉动、脱流化空蚀、振动裂纹成为国内外水电机组运行的常见问题，今后也不可能完全避免。所以急需探讨善后处理、抢修措施。

4．1补气消振恢复运行--向水轮机内补充空气能够促使不稳定的涡流达到稳定，并能消除涡带的旋涡或摆动。当补气气泡在水中溃散时还能使压力脉动衰减。补气方法有2种：自然补气和压缩空气补气。自然补气时可在尾水管壁上开孔，或通过主轴和泄水锥中心孔，也可采用稳流板加短管或剖、气支架等；压缩空气时可通过顶盖进行，也可通过底环或基础环进行。采用自然补气可使尾水锥管处的压力脉动减小约30％，涡壳进口处的减小约60％。采用压缩空气补气效果基本上与自然补气相同，但因增设空气压缩机而影响机组效率。

在部分负荷下运行出现较大压力脉动和振动时，可向导叶后部和转轮叶片前部补气(补气量约为机组额定水流量的千分之一左右)，效果较好，国内外许多电站(古里、塔贝拉、山仔、牛路岭等)都采用此法。除了衰减压力脉动外，补气还能消除水流动态变异、脱流引起的真空、空腔、空化和空蚀破坏。日本在尾水管锥管进口安装几个稳流扳并通过其表面上的气孔进行补气，补气量约为水流量的0．3％，效果很好。布拉茨克电站向空化区补气(约为水流量的0．1％～0．2％，不仅防止裂纹发生，还使空蚀强度减少到1／5-l／7。

4．2裂纹空蚀的补焊--水轮机部件、特别是转轮的裂纹、开裂、空蚀、磨蚀等损坏部位的补焊、铺焊、打磨、修型等工作量巨大，劳动强度很大，还难以保证质量。刘家峡电站2台机组的一次大修，堆焊焊条量达7t，补焊、打磨面积达40m2。有的转轮叶片裂纹在补焊后运行很短时间就又开裂了。至今为止还没有较理想的补焊材料。现在急需研究开发高强度、高韧性和高抗疲劳性能的补焊材料。补焊时产生的残余拉应力有时高达材料本身的屈服应力，可使抗疲劳强度降低80％左右。消除这种残余拉应力的办法是采用应力应变补偿法，最好是能产生残余压应力，比如通过锤击方法来实现，这样可使焊接接头抗疲劳强度提高1一2倍。

采用机器人施焊是最好的方法，可减轻劳动强度、提高效率和保证质量。三峡机组已经成功应用机器人施焊，哈电机厂转轮焊接工作量的40％是由瑞典和英国开发研制的埋弧焊接机器人来完成的。最早在电站工地现场采用机器人进行补焊的国家是加拿大，他们80年代初开始研制、90年代初用于机坑修复转轮叶片。法国、德国也都采用了这种具有6个自由度的机器人进行补焊、打磨和修复工作。

5.结论

5．1电站水头、负荷经常变化；水电机组无法适应，就会引发运行稳定性问题，压力脉动、裂纹、空蚀等成为世界性课题。

5．2当前世界技术水平有限，在现实中还不能完全消除这些故障，只能从设计、工艺、运行等方面设法改善，且效果不错。

5．3为了消除故障，实现补气运行，既有效、又实用，但是一定要注意补气位置和气量，如果补气不当，适得其反。这需要经多次反复验证。

5．4三峡机组运行稳定性的保证措施堪称典范，参加右岸机组投标的法国阿尔斯通、德国伏衣特、哈电和东电四家公司的转轮试验已于2003年底结束试验，四家公司都采用了具有负倾角的"X"叶片和带有直管段的半锥体新型泄水锤，证明哈电转轮优于左岸机组转轮。

5．5压力脉动值和大小，国内外尚无统一标准。厂家只能根据大量科研试验来减小其幅值和影响范围。