水电站水轮机稳定运行技术措施分析

周国洪

（浙江省磐安县五丈岩水库管理处 浙江 磐安 322312）

1 水电站运行概况

临江二级水电站位于云南省，距市区约15km。该水电站以发电为主，同时具有灌溉等综合功能，水库总库容量为0.9亿m3，是低水头的河床式水电站。其设计装机容量为10MW，多年的平均发电量为6000万kW·h。设计年利用小时数为4880 h(实际为5000 h～6000 h)。表1为水电站的主要参数。

2 水电站运行过程中存在的主要技术故障

2.1 磨蚀故障

该水电站处于临江上游，在实际的运行过程中，水轮机磨蚀故障问题难以避免，容易导致包括转轮、导水机构在内的流道部件破坏，在机组检修过程中主要对该类问题予以解决。该水电站在汛期河流中的含沙量较大、水头变幅明显，所以在机组设计、水轮机制造、正常运行过程中，应该通过合理选择水轮机参数、优化水力设计、采用抗磨蚀材料等方式最大限度的减少磨蚀影响，形成一整套行之有效的抗磨蚀运行技术。

2.2 转轮叶片出现裂纹

运行时，水轮机的转轮上出现了问题，就是出水边接近上冠处出现了裂纹，长约100mm～400mm。而且裂纹绝大部分在整个端面上，贯穿着整个端面。这些裂纹的形状均有相似之处，裂缝的起点都是从叶片负压侧和出水端的交线处开始，和上冠的距离大约在50mm。而且起始端和叶片的出水边相垂直，之后按照不规则的抛物线形式朝着叶片中心延伸，同时还在其尾部逐渐扩展为树枝形状。

图1 叶片出水边裂纹

2.3 水轮机调速故障

该水轮机组采用Y WT型调速器进行调速。整个调速系统单独设置1面控制柜，其中配备了主用和备用两套电气调速器系统进行控制。通常，在水轮机组运行过程中，主要由调速系统调节及控制整个机组，一旦主用系统存在故障，就能够自动切换至备用调速系统。在实际运作之时，所用的电器调速系统同样也具备手动控制功能。并且，主用调速系统使用了电气P T的测频方式，备用的系统在测速上使用了齿盘测速的方式。水电站的水轮机组在十多年的运行过程中发生的故障问题，主要包括下面几种：

表1 水电站相关参数

(1)在刚刚开始投产运行时，机组的调速柜上调速系统中外部开关就发出指令，这个指令是由计算机监控系统中L C U单元来实现的，但监控系统中L C U单元上的电源消失后，其开机指令回路就会撤消自保护状态，造成调速系统上的开机指令失掉，而关闭了机组导叶，就会出现机组溜负荷的问题。

(2)当调速系统的电调速柜在投入运行初期，其主要电气调节器的工作电源是由外部的A C 220 V电源供给的，而备用的电气调节器及其对应的控制回路则是由外部的D C 220 V电源供电。一般运行中调速电气柜运行在电气的调节器上，一旦外部所提供交流电出现了波动，必然会造成失电，就会自动转换到备用调节器上去，在一定程度上降低了调速器的可靠性。

(3)备用电气调速系统存在测频故障问题，降低了电气调速器备用率。由于调速设备采用齿盘测频的方式进行测频。在齿盘测速传感设备与大轴齿的间隙发生变化、测速传感设备被污染、测速传感设备出现故障时，都将导致备用电气调速设备出现事故，使其不能正常工作，不能发挥备用作用，备用可靠性下降。

(4)在实际运行过程中，另一个主要故障就是主配位置上所安装的传感器发生故障，具体表现为：传感器的反馈超出量程，使得主用以及备用调速设备出现主事故，造成机组不能正常开导叶。

3 水电站水轮机稳定运行技术措施

3.1 提高水轮机组的抗磨蚀运行技术

3.1.1 合理进行水力设计，提高机组水力性能

对于轴流式水轮机组，水轮机组的导叶出口到转轮叶片的进口，属于一段水流相对复杂的区域。导叶出口处，水流在出口下端与底环之间构成的楔形区域存在脱流现象。另外，在导叶出口边的水流还存在相对紊乱的脱流漩涡。同时，水流在这些部位还需要转弯，若转轮的底环型线设计不合理，将会在其上环形成脱流漩涡，导致在该部位出现空蚀破坏问题。因此，在水力设计过程中，经过计算，将导叶的分布圆直径增加至1.2 D1，同时对流道进行优化设计，将水轮机的蜗壳包角增加至225°。

在设计过程中，可以采用有限元方法进行分析计算，将转轮轮毂比调至0.43，其对应的空蚀系数也调整至0.465，使得水轮机转轮室的空蚀裕量明显增加。同时，在水力设计过程中，通过对固定、活动导叶，双排叶栅损失等进行计算，叶片局部修型等方式，对过流部件、转轮等进行合理优化，最大限度的降低了水力磨蚀，使得空蚀发生概率下降，最终达到优化机组水利设计、保证机组运行稳定的目的。

3.1.2 优化水轮机结构，优选抗磨蚀材料

为了有效提高水轮机的抗磨蚀能力，在结构设计过程中有必要采取对应的抗磨蚀措施，以达到延长水轮机抗磨蚀寿命的目的。

图2 抗磨板环形凸台

（1）导水结构的优化。在底环以及顶盖的过流面设置抗磨板，对于活动导叶上下断面、进出水边等采用不锈钢型材进行加工。其中，选择45号钢作为顶盖的抗磨板。由于底环表面在运行过程中更容易磨损，因此选择抗磨性能良好的高分子聚乙烯作为抗磨板，使其抗磨性能较不锈钢材料提高了9倍左右。同时，该材料还具有很强的韧性，硬度低，加工性能良好。在使用该种材料之后，导叶端面密封时，可以采用直接在抗磨平面上加工凸台的方式进行，结构简单、有效。

（2）连接结构的优化。水轮机在运行过程中要经常检修，而部分连接部位的螺栓头部在运行过程中容易出现磨蚀问题，导致其难以拆卸。因此在水力设计过程中，为了提高抗磨板部位连接螺栓头部的抗磨蚀性能，避免由于磨蚀导致的拆卸困难，可以采A、B两种形式的螺栓头盖帽。其中，A型盖帽用于六角螺栓，空间面积较大；而B型盖帽则适合于圆柱头、内六角螺钉，空间占用较小。在安装过程中，可以在盖帽螺丝上涂抹胶水，提高连接的紧固程度，如图3所示。

图3 抗磨板的连接安装

3.2 调速故障处理措施

3.2.1 对电气调速柜的外部开机令予以改造

在改造过程中，将开机令的自保持回路从之前的计算机监控调整为在电气调速柜内自保持的方式。完成改造后，一旦计算机上的监控系统发出了脉冲指令继电器动作，电气调速柜中的R 0开机令回路将由其常开点实施自保持。在这种环境下，就是L C U单元出现了失电，也不可能影响到R 0开机令回路复位。在实际运行中，一旦改造后，就不会出现由于调速设备故障导致的导叶全关故障。其中，电气调速柜调节设备电气结构图，如图4所示。

图4 电气调速柜系统开机令回路改造前后电气图示

3.2.2 调速电源模块改造

为了提高调速电气系统工作的可靠性，可以在调速柜中增加设置一套电源模块，将外部输入的A C 220 V、D C 220 V电源作为调速柜的输入，然后输出一路A C 220 V电源作为主用电气调速系统的工作电源。

3.2.3 电气调速系统测频设备的运行技术措施

针对机组运行过程中的测频故障问题，可以通过检测测速传感设备与大轴齿之间的间隙、清理测速传感设备等方式来解决。由于该故障在整个水电站工作之时较为多发，所以日常检修中，必须要对安装齿盘测速传感器的可靠性、大轴齿与传感设备的间隙变化等进行检查，提高电气调速设备运行的可靠性。

3.2.4 合理选择反馈传感器

水电站调速系统的主配运行反馈传感器通常是位移传感器，在运行过程中容易出现反馈电流值超出上下限，造成电气调速设备出现主事故，导致主配停止、导叶不开的问题。分析其原因，可能是在机组的日常启动运行过程中，现场存在较大振动，导致主配传感设备出现故障。因此，在反馈传感器选型以及更换过程中，应该选择结构可靠的传感器。

4 结语

水轮机组是水电站的关键设备，由于其制造精密、运行水力环境复杂等原因，在日常运行过程中，必须采用对应的措施保证其处于稳定高效的运行状态。磨蚀和调速故障是运行过程中的两个主要故障，在运行过程中应该予以重点关注。

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