萬家寨水電站水輪機運行問題分析及處理

萬家寨水電站水輪機運行問題分析及處理

萬家寨水庫位于河流上游，位于里奧峽谷。主要任務是將供水集中的發(fā)電與峰調整作用，同時考慮防洪和防災。樞紐年供水量14億m3,水電站裝有6臺立軸混流式水輪發(fā)電機組,單機容量180MW,年發(fā)電量27.5億kW·h,首臺機組于1998年11月28日投產(chǎn)發(fā)電。電站自首臺機(1#機)并網(wǎng)發(fā)電以來,水輪機運行中暴露的缺陷較多,嚴重影響了電站的運行安全和發(fā)電效益,電站對水輪機的運行問題給予了高度關注并采取了積極措施,取得了初步效果。一、抗磨涂層對機組的影響電站坐落的河段多年平均實測含沙量5.7kg/m3,含沙量實測值最大能達到37.6kg/m3,考慮到黃河泥沙水對轉輪磨蝕的嚴重性,水輪機主要通流部件的防磨和防腐蝕就成為電站設計中的重要目標。萬家寨電站6臺水輪機的通流部件都涂有不同的抗磨涂層,但自并網(wǎng)運行以來,每次大修都能發(fā)現(xiàn)不同程度的抗磨涂層破壞脫落現(xiàn)象。以2號水輪機為例,在2000年5月20日檢查時發(fā)現(xiàn),水輪機轉輪軟涂層已大面積脫落,涂層脫落面積達95%以上。根據(jù)黃河中下游多泥沙的實際情況,萬家寨水電站水輪機在設計階段就充分考慮了對磨損的預防措施,采取了優(yōu)化水庫泄流排沙設計、合理選擇有關參數(shù)、優(yōu)化水力設計和結構設計、采用優(yōu)質母材和抗磨材料等設計方案,以增加水輪機的抗磨蝕性能。后在運行過程中,又針對不同的機組分別進行各種涂層(環(huán)氧金剛砂抗磨涂層、碳化鎢抗磨蝕層和非金屬材料耐磨涂層)以及無涂層轉輪在渾水期的運行對比,以確定最佳的抗磨損材料及方案,從目前運行來看,環(huán)氧金剛砂抗磨涂層要優(yōu)于碳化鎢抗磨蝕層和非金屬材料耐磨涂層這兩種涂層。另外,避開機組振動區(qū)域運行也是降低水輪機磨損的主要措施。二、影響水輪機運行效率的因素萬家寨水電站幾年來機組的平均負荷率及運行效率均徘徊在較低水平。這是因為系統(tǒng)要隨時滿足調峰和潮流調整的要求而調整負荷,使得機組經(jīng)常在偏離實際工況的非經(jīng)濟工況運行。萬家寨水電站安裝的是混流式水輪機,該機型特點是最高效率相對于其他機型高,但其效率變化較大,高效區(qū)狹窄。以5號水輪機水頭為67.4m時的情況為例,水輪機負荷為140~170MW之間時,水輪機在高效區(qū)運行,在負荷約為160MW時效率最高達到95%,負荷160WM即為5號水輪機的經(jīng)濟運行負荷。當水輪機負荷低于90MW后,其效率急劇下降,在水輪機負荷為80MW時,水輪機的效率僅有70%。這是因為,混流式水輪機的設計工況為轉輪葉片進口水流無撞擊或略帶正沖角,出口水流是法向或略帶正環(huán)量,最優(yōu)工況對水輪機進出口水量要求很高,只有在最優(yōu)工況時進出口水流才能滿足設計要求,其他工況都不能達到設計工況,且偏離設計工況越遠,進口沖角越大,出口有旋轉速度越大,水力損失越大,水輪機的效率越低。因此,水輪機要盡量在設計工況下運行,避免長時間偏離設計工況運行,保證水輪機在經(jīng)濟負荷下運行,高效的利用水能。對萬家寨水輪機來說,根據(jù)實際觀測,對機組在不同水頭下運行工況進行了經(jīng)濟性分析,得出水頭在60m以下時,機組單擊負荷不應低于80MW;水頭在60~68m以上時,單擊負荷不應低于100MW;當水頭在68m以上時,機組單機負荷不得低于120MW,以保證水輪機在經(jīng)濟的負荷率運行,有較高的運行效率。另外,保持電站較高的水庫運行水位也是提高水輪機效率,保證水輪機經(jīng)濟運行的主要措施。電站做好與水庫調度部門和電力調度部門的溝通與協(xié)調,也是保證電站水輪機經(jīng)濟運行的工作重點。三、引起機組振動的主要原因水輪發(fā)電機組由于受力、約束和旋轉,運行設備的振動是不可避免的。振動參量是反映水電機組運行狀態(tài)的重要參數(shù),同時異常的振動也是損壞設備的重要原因之一。因而運行中對水輪機組的振動的監(jiān)測及診斷對機組的安全運行和使用壽命具有重要意義。機組發(fā)生振動的原因主要是由于機械、水力和電氣三方面的原因引起的,其中水力振動是水輪發(fā)電機組在大型旋轉機械中所特有的。在混流式水輪機中,尾水管內低頻渦帶導致的水力不平衡是引起機組振動的常見的不可避免的因素。低頻渦帶是混流式水輪機普遍存在的振源之一?；炝魇剿啓C在部分負荷運行時,水輪機轉輪出口水流具有一定的圓周分速度,轉輪出口產(chǎn)生強制旋渦帶。由于旋渦內部壓力低,若汽蝕系數(shù)很小時,則強制渦核便產(chǎn)生空腔汽蝕現(xiàn)象,即在旋渦中心形成空腔。中心部分的汽蝕空腔做周期的偏心運動,從而引起壓力脈動現(xiàn)象。尾水管中的脈動壓力,除低頻渦帶外,還有中頻和高頻脈動壓力。中頻脈動壓力頻率接近機組的轉速頻率,易引起機組振動和壓力管道振動。對于改善此種振動,我們采取在低負荷區(qū),補入足夠的氣量,以使尾水管壓力脈動振幅大幅度降低,同時在超負荷區(qū)采取裝設具有導流作用的十字架減振裝置,以有效地降低渦帶壓力脈動,避免機組的振動。四、不同振動區(qū)運行表現(xiàn)主要是受拉壓萬家寨水電站在2002年的機組檢修中,發(fā)現(xiàn)除5號機外,其余機組的轉輪葉片都出現(xiàn)了不同程度的裂紋,且裂紋主要發(fā)生在葉片上冠出水邊和葉片下環(huán)出水邊,小裂紋長度大都在35~50mm不等,最長的裂紋甚至達到了520mm。通過觀察裂紋的斷口,可以判定裂紋為疲勞裂紋。分析原因,主要是由于轉輪葉片在機組低負荷工況時,要承受水壓力脈動的動載荷作用,而葉片上冠出水邊和葉片下環(huán)出水邊是主要的集中應力承受部位,在此類應力集中的作用下疲勞擴展,導致葉片疲勞斷裂。而隨著水頭的增加壓力脈動值增大,大大加重機組裂紋生成和發(fā)展速度。同時,每次開機時的壓力沖擊,也加劇了裂紋的擴展。針對轉輪裂紋的原因在裂紋的防止措施上主要有如下兩個方面:一方面,改善機組運行工況,即避開低負荷區(qū)運行,減小尾水管壓力脈動對葉片的作用力,避免裂紋的產(chǎn)生。目前電站對機組劃分了三個運行區(qū)域,禁止運行區(qū)、過渡運行區(qū)和穩(wěn)定運行區(qū)。要盡量保證水輪機長期在穩(wěn)定運行區(qū)工作,減少在過渡運行期運行時間,避免在禁止運行期惡劣工況工作,避免開停機過頻。另一方面,為降低混流式機組轉輪葉片出水邊靠上冠過渡圓角的應力,加焊三角鐵,改善機組的運行方式,避開振動區(qū)運行將會對減輕轉輪葉片裂紋的效果顯著。分析5、6號機組轉輪其裂紋情況較輕的原因,發(fā)現(xiàn)其在出廠時在葉片上管出口邊焊接了加強三角塊,降低了葉片應力集中。因此,電站在機組大修時,在4號機的葉片靠上冠出水邊處加焊100mm×150mm與葉片母材相同的不銹鋼三角塊。通過近幾年的運行,對4臺機組檢修發(fā)現(xiàn),對4號機焊接加強板對預防裂紋是有效的。五、確定最佳方案以上簡單闡述了萬家寨水電廠水輪機在運行中常見的幾種運行缺陷,在分析了各種缺陷出現(xiàn)的原因的基礎上,給出了目前萬家寨水電廠針對各種運行缺陷采取的改進措施。例如針對涂層脫落問題,進行各種涂層以及無涂層轉輪在渾水期的運行對比,以確定最佳方案;對于不同的工作水頭,給出各水輪機的最佳運行范圍