第３６卷第２期 ２０１３年４月 水电站机电技术 Ｖｏ１．３６ Ｎｏ．２ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆ Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ Ｓｔａｔｉｏｎ Ａｐｒ．２０１３ １９ 龙羊峡水电厂大水头变幅工况下水轮机稳定性运行分析 李江伟 ，黄万全 ，邓义， （１．黄河电力测试科技工程有限公司，青海西宁８１０００３；２．青海电力科学试验研究院，青海西宁８１０００８； ３．黄河水电公司安全生产技术部，青海西宁８１０００８） 摘要：结合龙羊峡水电厂投运初期到２０１０年期间的运行稳定性情况，分析了龙羊峡水电厂水轮机在大水头变幅（ ７５．５ Ｉｎ～１４８．５ ｎ１）工况下的运行特性，并对水轮机运行中出现的问题提出了解决措施。 关键词：水轮机；水头；运行；稳定性；试验 中图分类号：ＴＫ７３０ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７２—５３８７（２０１３）０２—００１９—０３ １概述 众所周知，影响水轮机水力稳定性的因素很多， 其中最重要的是尾水管的水压力脉动。尾水管水压 力脉动与水轮机运行工况有密切关系。运行工况偏 离设计工况，比如运行水头变幅大时，有可能出现强 １９８７年９月、１２月，１９８８年６月，１９８９年６月投入 运行。机组运行过程中，稳定性良好。１９８７年９月１ 号机组投入运行时毛水头８４ ｍ，净水头约８０ ＩＴＩ，机 组运行过程中稳定性状态良好。１号机组空载运行 时，水导轴承摆度双幅值约４０ ｉｎ，下机架垂直双 振幅值约２０ ｍ；过速１３５％Ｎｒ时，水导轴承摆度 双幅值约５Ｏ ｉｎ，下机架垂直双振幅值约４Ｏ Ｉｌｌ。 １９８８年６月２号机组出力为１７０ ＭＷ时尾水管的 烈的水轮机水力不稳定现象，影响水轮机的安全运 行。而龙羊峡水电厂水轮机运行水头变幅很大，从极 限最低水头７５．５ Ｉｌｌ到最高水头１４８．５ Ｉｎ。 水压脉动幅值一般在２ ｋＰａ一３ ｋＰａ，测得的振动值如 表１： 表１ 钡Ｉｆ点 Ｅ棚．架 顶盖 初．座 ２水轮机基本参数 型号：ＨＬＤ０６Ａ—Ｉ２—６００ 最高水头：１５０ｍ 设计水头：１２２ １ＴＩ 极限最低水头：７６ ｉｎ 额定流量：２９８ ｍ３／ｓ 振动值 径向 ６ ８ １０ 加权平均水头：１３２ Ｉｎ 飞逸转速：２５６ ｒ／ａｉｒｎ ／ｐｒｏ 轴向 ２０ ５ ５ ４台机组在投运初期，运行状况良好，各项性能 额定转速：１２５ ｒ／ｍｉｎ 额定出力：３２５．６ ＭＷ 要求均到达技术协议要求。 ３．２随着运行水头增加机运行组稳定性情况 水轮机安装高程：２ ４４８．０ １ＴＩ 发电机基本参数： 型号：ＳＦ３２０—４８／１ ２ ８００一Ｇ 随运行水头的增加，机组的运行稳定性在发生 变化，为此在不同水头工况下进行了机组稳定性试 验。 额定容量：３５５ ６００ ｋＶＡ （１）１９９０年４号机组出现一定程度的出力摆 额定电压：１５．７５ ｋＶ 额定电流：１３ ０３５ Ａ 功率因数：Ｏ．９Ｏ 动、机组振动、水压脉动，在部分负荷工况下运行不 稳定的现象等缺陷。为摸清机组振动存在的这些问 题，１９９０年１１月甘肃电力试验研究所对４号机组 设计点效率：９８．３８％ ３机组不同水头工况下运行情况 ３．１投运初期（低水头工况）机组稳定性运行情况 进行了机组稳定性试验，此时运行水头为１ １２ ｉｎ。试 收稿日期：２０１２—１０—２８ 龙羊峡水电厂１号、２号、３号、４号机组分别于 作者简介：李江伟（１９６３一），男，公司试验部专工，从事金属技术监 督及无损检测、水机试验研究工作。 ２０ 水电站机电技术 第３６卷 验结果表明，机组存在１２０～２２０ ＭＷ不稳定负荷工 （２）补气量测量试验 况区，此不稳定工况区的振动是目前存在的主要问 为详细分析龙羊峡水轮机高水头运行情况下补 题，水力因素是引起机组在此不稳定工况区振动主 气量对机组的影响，２０１０年３月对龙羊峡４号机进 要因素。．就此问题根本的解决办法就是通过补气来 行了一次自然补气量测量试验。试验毛水头为：１３７ ｍ 破坏尾水管涡带，达到减小尾水管水压脉动，进而消 左右。在１４０ ２２０ ＭＷ负荷范围内、不同尾水位状况 减机组的振动和功率摆动。 下的补气量如表３。 （２）１９９４年２月甘肃电力试验研究所对２号机 组进行了机组稳定性试验，此时运行水头为１ １８ ｍ。 试验结果表明机组存在６０—１００ Ｍｗ和１４０～１８０ Ｍｗ 两个振动区，其中１４０～１８０ ＭＷ负荷区以尾水管低 频涡带引起的低频振动为主要特征。整个机组除尾 水进人门振动较大以外其余测点的通频振动幅值均 小于２００ ｍ，且其中仅在振动工况区６０～１００ ＭＷ 注：龙羊峡水电厂机组安装高程为 ２ ４４８．００ ｍ。 顶盖垂直振动和１４０～１８０ ＭＷ上机架径向振动的通 试验数据表明尾水位对机组的补气量有很大影 频幅值大于１２０，其余测点幅值均较小，认为机组稳 响。设计资料说明当尾水壅高不足２＿３ ｍ时对机组 定性较好。 的自然补气条件更为有利。当尾水位壅高超过２＿３ ｍ ３．３高水头工况下运行状况 时，转轮的叶型汽蚀将更轻微，而在某种导叶开度下 （１）振动试验情况 出现不稳定工况时，必须采用强制补气的方法才能 ２００５年龙羊峡水库蓄水增加，水位达到了历史 使机组稳定运行。 最高水位。为了了解机组高水头工况下的运行稳定 低尾水位情况下的补气量测量试验是在系统负 性，在分别为１３４ ｍ、１４０ ｍ、１４５ ｍ水头工况下对机 荷低谷时进行的，龙羊峡机组所带负荷也是很少的。 组进行了稳定性测试。试验表明，在１３４ ｍ水头工况 而龙样峡水电厂作为系统的主力调峰、调频电厂，在 下机组顶盖处处振动主频为０．５ Ｈｚ，而且低频分量 运行中这种低水位的情况几乎不会出现。 影响顶盖的主要振动特性，这与混流式水轮机水力 （３）高水头运行后的情况 特性密切相关；１４０ ｍ水头工况下机组顶盖处处振 ２００５年龙羊峡水库蓄水达到历史最高水位，机 动主频为０．５ Ｈｚ，而且低频分量影响顶盖的主要振 组经历了高水头工况运行。在机组进行检修时过流 动特性，这与混流式水轮机水力特性密切相关；１４５ ｍ 部件检查情况如下：２００６年２月ｌ号机组过流部件 水头工况下机组顶盖处处振动主频为０．５ Ｈｚ，而且 检查时发现水轮机转轮３号、５号、６号、８号、１２号 低频分量影响顶盖的主要振动特性，这与混流式水 叶片出现裂纹，泄水锥也出现了多条裂纹，并且泄水 轮机水力特性密切相关。遗憾的是在高水头运行工 锥有一块掉落，如图１。其它几台机组也出现了诸如 况下的稳定性试验没有进行压力脉动测试，通过这 叶片裂纹、凑合节焊缝裂纹等问题。 些顶盖垂直振动随负荷的变化规律，可以说明这种 振动主要是由涡带压力脉动引起。 表２高水头运行工况下龙羊峡水电厂振动数据表 图１泄水锥脱落 注：９０ ｍ来自ＧＢ／Ｔ ８５６４—２００３（（水轮发电机组安装技术 以上这些高水头运行后出现的问题是龙羊峡水 规范》 电厂自投运以来没有发生过的。 第２期 李江伟，等：龙羊峡水电厂大水头变幅工况下水轮机稳定性运行分析 ２１ ４机组稳定运行措施 ４．１设计方面的措施 对于龙羊峡水电厂水轮机，在设计中采用了三 方面的措施来减弱或控制“振动工况”。 （１）龙羊峡水电厂的Ｄ０６Ａ型转轮是ＨＬ１６０型 转轮的改进型。Ｄ０６Ａ型转轮在ＨＬ１６０型转轮基础 上，调整了叶片出口环量的分布状况，减轻了尾水涡 带，使转轮的运行稳定性增加。 （２）增加机组刚度，特别是发电机负重机架（下 机架）的刚度，以增加机组的“抗振”能力。 （３）向水轮机尾水管或导叶后补人空气，减弱或 消除尾水涡带，使机组稳定运行。 ４．２运行方面的措施 （１）避开振动区运行 龙羊峡机组在系统中担任调频、调峰任务，在满 足电网要求的情况下合理分配机组间的负荷，使机 组尽可能地避开振动区运行。 （２）改进补气方式措施 对于４号机组出现的问题，根据１９９０年ｌ１月 甘肃电力试验研究所对４号机组进行的机组稳定性 试验分析，采取了改进措施。具体为：加长补气短管， 增大补气短管出口面积的技术改造。 ５综合分析 通过对龙羊峡水电厂水轮机在不同水头下的运 行稳定性分析，认为： （１）水轮机稳定性运行是主要的，应排列在各项 指标首位。 （２）引起水轮机运行不稳定的首要因素是水力 因素。以后针对水轮机的水力不稳定因素进行试验 研究。 （３）龙羊峡水电厂机组转轮产生裂纹有两个明 显的特征：ａ）转轮裂纹出现频繁的时期正是机组在 高水头运行期间；ｂ）龙羊峡水电厂在系统中承担调 频、调峰任务，负荷变化范围大。在０ １００％负荷范 围内运行，甚至是在不稳定工况区运行。 （４）泄水锥破坏原因：ａ）空腔气蚀。由于高水头 运行时尾水涡带压力脉动值比要大，产生的空腔气 蚀也比设计水头及以下时严重，造成转轮泄水锥的 空腔气蚀破坏；ｂ）补气量不足，不能消除或减弱尾水 管内涡带。高水头工况下对机组运行时做的尾水水 位统计可知，大多数情况下尾水水位壅高超过２－３ ｍ （Ｖ２４５１．５ ｎ１），因此在高水头工况下通过自然补气 方式补入的空气量是有限的，试验也表明机组补气 量不足，由于补气量不足，就不能有效地控制机组尾 水管内涡带的减弱或消除，机组过流部件的汽蚀破 坏没有得到有效控制。另外，设计资料也说明当尾水 位壅高超过２．３ ｉｎ时，转轮的叶型汽蚀将更轻微，而 在某种导叶开度下出现不稳定工况时，必须采用强 制补气的方法才能使机组稳定运行。 ６建议采取的措施 ６．１采取强制补气 根据机组的具体结构及运行状况采取适当的方 法进行强制补气减小机组过流部件气蚀破坏。利用 现有自然补气管路，加装一套强制补气装置进行强 制补气，但具体补气量和补气效果的关系还需进一 步的试验验证。 ６．２加装大轴中，Ｌ，ｇ：ＬＳｂ气装置 加装水轮机大轴中心孔补气装置。当转轮下部 出现真空时大轴中心孔补气装置阀门打开自然补 气，以减小尾水管压力脉动值，减弱或消除空腔气蚀 破坏。李家峡水电厂、公伯峡水电厂机组都是采用有 大轴中心孔补气装置补气，从多年的实际运行来看， 自投运以来泄水锥没有出现损坏的情况。但是此措 施由于涉及到设计、制造、运行等各方面因素一直没 有实施。 ７结束语 总之，水轮机在不同运行水头下受到的水力激 振是不相同的，尤其是大水头变幅工况下运行的水 轮机，水头变化范围大，在不同水头下水力激振差别 更大。机组投入运行开始，随运行水头的升高，对水 轮机进行不同水头下的振动测试、压力脉动测试，积 累试验数据，为分析水轮机在高水头运行时可能出 现的问题提供依据。 参考文献： 【１】龙羊峡水电站机械部分设计资料【ｚ］． ［２］青海电力试验研究所．龙羊峡水力发电分公司机组１号、２号、４ 号机组稳定性试验报告【Ｒ１． ［３］刘大恺．水轮机［ＭＪ．３版．中国水利电力出版社．