水电厂混流式水轮机自动化控制系统

摘 要：水轮机是水力发电的核心设施,如何使其在最优工况下稳定运行,是应当考虑的重要问题之一.本文以混流式水轮机自动化为主要探讨对象,通过对于水轮机在正常使用条件下由于汽浊、振动、水锤以及抬机的不利影响的讨论,论述这些现象产生的原因,并提出了具体的防治措施,最后结合水轮机在提高效率方面措施进行了探讨,对于相关从事检修、发电值班人员认识以混流式水轮为代表的水轮机最优工况运行有一定意义.

【关 键 词】电厂混流式水轮机汽浊

1引言

水电站自动化是一项旨在提高水电站安全、稳定和可靠运行水平、降低运行维护成本、提供高经济效益、保证高质量电能提供的技术措施.自动化的程度高度是衡量水电站现代化水平高低的重要指标,自动化正是水电站安全经济运行的不可或缺的手段之一.机组容量的持续加大的同时,也使自动化技术的作用在水电站的安全经济运行中越来越突出重要.但是在实际运行过程中,由于水流的不稳定以及潜在危害的影响,造成流量以及水头的变化差异较大,就会使得水轮机偏离最优工况,因而,为了使水轮机能够趋近于最优工况状态,应当在首先考虑潜在危害对于水轮机的影响的前提下,应当根据所需负荷的变化,及时调整水轮机流量,进而趋近于最优工况条件.就目前而言,对水轮机运行工况影响较大的因素主要有汽浊、振动、水锤、抬机等方面,下面就具体的因素的产生和防止措施进行相关探讨.

2水轮机自动化控制中遇到的问题及防治措施

2.1气浊现象及产生原因

（1）翼型汽蚀一般产生于水轮机的转轮叶片之上.一般认为,当水轮机运转过程中,叶片会同时受到两个面的压力,并且这两个面的压力相反,正面表现为正压力,背面一般表现为负压力.背面的负压力与环境压力相当时就会引起翼型汽蚀的产生.

（2）真空涡带在尾水管中的造成的汽蚀,也就是所谓空腔汽蚀.通常状态下,真空涡带是因为水轮机运行时偏离最优工况而形成的,并且在汽化压力同涡带中心负压相比较大时,就会导致水流空化,进而引起空腔汽蚀.

（3）间隙汽蚀主要发生于叶片外缘与转轮室的间隙处以及导水叶端而间隙处,一般由于水流因通过狭小通道而导致流速增大而引起的.

（4）局部汽蚀是指水流流过某些局部凹凸不平表而时,由于局部压力降低而发生的汽蚀.局部汽蚀主要发生在叶片表而局部区域、叶片与转轮体焊接处、转轮室表而局部区域等.引起原因主要是叶片表而打磨不光滑、叶片与转轮体焊接质量不好.

汽蚀的主要危害有直接破坏水轮机的过流部件；由于汽蚀的发生,叶片受力情况变坏,造成水流特性的改变,水力损失增大,机组出力下降；水轮机在汽蚀区运行时,可引起机组震动、摆度和噪声的增大,出力摆动,使机组运行不稳定；汽蚀也缩短了保养周期,不仅减少了年发电量,而且浪费了电力系统的备用容量.因此,必须采取有效的措施防止或者减轻汽蚀对水轮机的危害.

2.2预防汽蚀的方法

（1）科学的选取叶型、叶片数以及耐蚀材料是设计过程中非常重要的一步.并且水轮机安装高程必须按照不产生翼型汽蚀的条件允许洗出高度来决定.

（2）尾水管中高真空的水流涡带可以使用补气装置向尾水管送气方式来解决

（3）通过配置电厂的运行状态,从而尽可能减少产生过重汽蚀的运行工况区域.通常,水轮机在低水头、低出力状态下工作易导致汽蚀.

（4）叶片被汽蚀破坏需要使用不锈钢堆焊的方式,而且必须控制好叶片的型线,避免其变形.这样就对检修工艺提出了更高的要求,保证维修后的叶片光洁,避免产生汽蚀.

（5）通过往涂刷抗汽蚀涂料在叶片上,经常使用的是环氧树脂、聚酰胺脂等材料.

3水轮机控制系统常见影响因素原因分析及消除措施

3.1振动

3.1.1引起振动的因素

机械和水力是在运行过程中水轮机振动主要的两个因素.机械层面原因大致包括：未校正好推力轴承,轴弯曲,偏大的轴承间隙,主轴连接松动或机未对准中心造成的空载低转速振动；静止部件和转轮等部件彼此摩擦造成剧烈振动同时产生声响；这振动平率与水轮机平率一致是此种震动的突出问题；水力方面的因素主要有：尾水管水流涡带造成的压力脉动产生的振动,混流式水轮机偏离正常的运行状况后,尾水管就会产生涡流,造成水轮机产生振动,发出声响,一般会产生于30%至60%的额定负载范围内,强大的旋涡,也可能会造成整个房屋振动；卡门涡列同样也会造成振动.水流的尾流通过非流线型不光洁物体过程中,尾流中就会产生很多的变态漩涡,就是所谓的卡门涡列,这样的涡行彼此交替,依顺时针方向,有时逆时针打转,在这样的产生和消失交替过程中,就会在垂直主流方向产生交变的振动力,一旦卡门涡列的频率和叶片的固有频率相近时,振动剧烈,有时还会伴随着声音；振动有时也会因为转轮止漏间隙不均引起,采用梳齿式止漏装置降低水轮机的容积损失,一旦结构不合理,又或者间隙过小,会引起间隙内压力的变化和波动,因而造成间隙内压力分布不均和侧向水推力,引起转轮偏心变大和振动.

3.1.2消除振动的常用方法

（1）针对不同的引起振动原因必须采取相应的措施,机械引起振动相对简单一些,通常通过平衡,调整轴线和整轴承间隙的方式就可以解决问题,减少振动.

（2）水力所造成的振动,根据具体的原因不同而进行处理.水电厂大都有涡带造成振动的问题,通常采用的方式是,安装十字架补气装置,在转轮出口附近的尾管上部,也可以轴心补气,另外使用加长泄水锥或加同轴扩散型内层水管段,通过改变止漏间隙,能够减小转轮偏心运动对转轮背压和止漏间隙中压力,调整机组负荷,避免机组在低水头、低负荷和振动区域的工况下运行.

3.2水锤

3.2.1造成水锤的原因

突然关闭或者开启阀门,水泵的突然启动或停止这样的情形,会使液体在压力管道中流动时,造成瞬间改变液体流速,使得管道中压力反复的、急剧的发生变化,我们称这种现象叫做水锤.这种现象会造成管道压力的数量达到正常压力的几十倍甚至几百倍,使得关闭材料及管道上的设备遭受强大的压力作用,严重的会造成设备管道变形甚至不能使用.这样的压力不断的变化就会产生声响和振动,犹如管道受到锤击的声音,将严重损害管道和设备.水轮机引水钢管很容易引起水锤,如导水叶关闭时间太短或者导水叶开启太快,将会造成管道的压力薄弱环节损坏.

3.2.2水锤的预防措施

（1）尽量缩短管道长度；

（2）增大导水叶开启关闭的时间；

（3）降低管道中的流速,避免水锤造成的压力也可以通过增加管道的直径来解决.

（4）通过安装安全阀在管道上,在压力升高时,放掉一部分液体,使得管内压力减少有效预防水锤.

4水轮机控制系统的工作效率及提高措施

4.1水轮机自动化控制系统的效率

水轮机在自动工作过程中不可避免地要产生一些能量损失,因此,在水轮机轴上的输出功率总是小于水轮机水流功率,在近代,大型水轮机的效率为90%--95.8%,中、小型的为75%--85%,我们分别使用容积效率、水力效率和机械效率来评测水轮机的能量消耗的容积、水力和机械三部分消耗损失.

（1）容积效率,进入水轮机的流量并未完全进入转轮做功,其中一小部分从水轮机的旋转部分与固定部分之间的间隙漏掉了进入转轮的有效流量与进入水轮机的流量之比,即为容积效率；

（2）水力效率,从水轮机进口断面开始,水流经引水部件、导水部件、转轮、尾水管,直至出口断面,由于摩擦、撞击、漩涡、脱流等,将产生能量损失水流转换的功率与进入转轮的水流功率之比,为水力效率；

（3）机械效率,机组的导轴承、推力轴承、以及各种轴承的轴封、水封和其他密封装置的转动与精致部分之间的相对运动,都要产生摩擦损失,水轮机大轴输出机械功率与水轮机水轮机输入有效功率之比.

水轮机总效率为容积效率、水力效率和机械效率三者的乘积,数值始终小于1.

4.2加大运行中水轮机控制效果的常用方式

（1）保证水轮机的最有工作状况,减少在低水头、低负荷的情形,尽可能避免水力消耗；

（2）适当向尾水管补气用以减少尾水管内的水流漩涡,进一步降低汽蚀和振动情形,保证提高水轮机的效率.

（3）保证检修后的转轮和导叶表面的光洁程度和线性,减少波浪度；

（4）通过检查密封间隙的情况,维持标准,降低转轮止漏装置和大轴轴封的漏水情形,进而降低容积消耗；

（5）做好转动和固定部分的润滑工作；

5结论

综上所述,水轮机作为水力发电的核心部件之一,如何保证水轮机安全、稳定、最优运行,从而确保其高效率运转,是当前值得我们应该认真注意的问题.

[3]张兰金,任岩,李延频.座环对微型混流式水轮机水力效率的影响[J].中国农村水利水电,2012.

作者简介

姚元强（1972-）,专科,技师,主要从事水轮机组运行值班工作.

作者单位

湖南省电力公司柘溪水力发电厂湖南省安化县413508