萬(wàn)家寨水電站水輪機(jī)運(yùn)行問(wèn)題分析及處理

萬(wàn)家寨水電站水輪機(jī)運(yùn)行問(wèn)題分析及處理

萬(wàn)家寨水庫(kù)位于河流上游，位于里奧峽谷。主要任務(wù)是將供水集中的發(fā)電與峰調(diào)整作用，同時(shí)考慮防洪和防災(zāi)。樞紐年供水量14億m3,水電站裝有6臺(tái)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組,單機(jī)容量180MW,年發(fā)電量27.5億kW·h,首臺(tái)機(jī)組于1998年11月28日投產(chǎn)發(fā)電。電站自首臺(tái)機(jī)(1#機(jī))并網(wǎng)發(fā)電以來(lái),水輪機(jī)運(yùn)行中暴露的缺陷較多,嚴(yán)重影響了電站的運(yùn)行安全和發(fā)電效益,電站對(duì)水輪機(jī)的運(yùn)行問(wèn)題給予了高度關(guān)注并采取了積極措施,取得了初步效果。一、抗磨涂層對(duì)機(jī)組的影響電站坐落的河段多年平均實(shí)測(cè)含沙量5.7kg/m3,含沙量實(shí)測(cè)值最大能達(dá)到37.6kg/m3,考慮到黃河泥沙水對(duì)轉(zhuǎn)輪磨蝕的嚴(yán)重性,水輪機(jī)主要通流部件的防磨和防腐蝕就成為電站設(shè)計(jì)中的重要目標(biāo)。萬(wàn)家寨電站6臺(tái)水輪機(jī)的通流部件都涂有不同的抗磨涂層,但自并網(wǎng)運(yùn)行以來(lái),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(hào)水輪機(jī)為例,在2000年5月20日檢查時(shí)發(fā)現(xiàn),水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪軟涂層已大面積脫落,涂層脫落面積達(dá)95%以上。根據(jù)黃河中下游多泥沙的實(shí)際情況,萬(wàn)家寨水電站水輪機(jī)在設(shè)計(jì)階段就充分考慮了對(duì)磨損的預(yù)防措施,采取了優(yōu)化水庫(kù)泄流排沙設(shè)計(jì)、合理選擇有關(guān)參數(shù)、優(yōu)化水力設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、采用優(yōu)質(zhì)母材和抗磨材料等設(shè)計(jì)方案,以增加水輪機(jī)的抗磨蝕性能。后在運(yùn)行過(guò)程中,又針對(duì)不同的機(jī)組分別進(jìn)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(wú)涂層轉(zhuǎn)輪在渾水期的運(yùn)行對(duì)比,以確定最佳的抗磨損材料及方案,從目前運(yùn)行來(lái)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(kāi)機(jī)組振動(dòng)區(qū)域運(yùn)行也是降低水輪機(jī)磨損的主要措施。二、影響水輪機(jī)運(yùn)行效率的因素萬(wàn)家寨水電站幾年來(lái)機(jī)組的平均負(fù)荷率及運(yùn)行效率均徘徊在較低水平。這是因?yàn)橄到y(tǒng)要隨時(shí)滿(mǎn)足調(diào)峰和潮流調(diào)整的要求而調(diào)整負(fù)荷,使得機(jī)組經(jīng)常在偏離實(shí)際工況的非經(jīng)濟(jì)工況運(yùn)行。萬(wàn)家寨水電站安裝的是混流式水輪機(jī),該機(jī)型特點(diǎn)是最高效率相對(duì)于其他機(jī)型高,但其效率變化較大,高效區(qū)狹窄。以5號(hào)水輪機(jī)水頭為67.4m時(shí)的情況為例,水輪機(jī)負(fù)荷為140~170MW之間時(shí),水輪機(jī)在高效區(qū)運(yùn)行,在負(fù)荷約為160MW時(shí)效率最高達(dá)到95%,負(fù)荷160WM即為5號(hào)水輪機(jī)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行負(fù)荷。當(dāng)水輪機(jī)負(fù)荷低于90MW后,其效率急劇下降,在水輪機(jī)負(fù)荷為80MW時(shí),水輪機(jī)的效率僅有70%。這是因?yàn)?混流式水輪機(jī)的設(shè)計(jì)工況為轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)口水流無(wú)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(duì)水輪機(jī)進(jìn)出口水量要求很高,只有在最優(yōu)工況時(shí)進(jìn)出口水流才能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求,其他工況都不能達(dá)到設(shè)計(jì)工況,且偏離設(shè)計(jì)工況越遠(yuǎn),進(jìn)口沖角越大,出口有旋轉(zhuǎn)速度越大,水力損失越大,水輪機(jī)的效率越低。因此,水輪機(jī)要盡量在設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行,避免長(zhǎng)時(shí)間偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行,保證水輪機(jī)在經(jīng)濟(jì)負(fù)荷下運(yùn)行,高效的利用水能。對(duì)萬(wàn)家寨水輪機(jī)來(lái)說(shuō),根據(jù)實(shí)際觀測(cè),對(duì)機(jī)組在不同水頭下運(yùn)行工況進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析,得出水頭在60m以下時(shí),機(jī)組單擊負(fù)荷不應(yīng)低于80MW;水頭在60~68m以上時(shí),單擊負(fù)荷不應(yīng)低于100MW;當(dāng)水頭在68m以上時(shí),機(jī)組單機(jī)負(fù)荷不得低于120MW,以保證水輪機(jī)在經(jīng)濟(jì)的負(fù)荷率運(yùn)行,有較高的運(yùn)行效率。另外,保持電站較高的水庫(kù)運(yùn)行水位也是提高水輪機(jī)效率,保證水輪機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的主要措施。電站做好與水庫(kù)調(diào)度部門(mén)和電力調(diào)度部門(mén)的溝通與協(xié)調(diào),也是保證電站水輪機(jī)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的工作重點(diǎn)。三、引起機(jī)組振動(dòng)的主要原因水輪發(fā)電機(jī)組由于受力、約束和旋轉(zhuǎn),運(yùn)行設(shè)備的振動(dòng)是不可避免的。振動(dòng)參量是反映水電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的重要參數(shù),同時(shí)異常的振動(dòng)也是損壞設(shè)備的重要原因之一。因而運(yùn)行中對(duì)水輪機(jī)組的振動(dòng)的監(jiān)測(cè)及診斷對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行和使用壽命具有重要意義。機(jī)組發(fā)生振動(dòng)的原因主要是由于機(jī)械、水力和電氣三方面的原因引起的,其中水力振動(dòng)是水輪發(fā)電機(jī)組在大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械中所特有的。在混流式水輪機(jī)中,尾水管內(nèi)低頻渦帶導(dǎo)致的水力不平衡是引起機(jī)組振動(dòng)的常見(jiàn)的不可避免的因素。低頻渦帶是混流式水輪機(jī)普遍存在的振源之一?；炝魇剿啓C(jī)在部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí),水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出口水流具有一定的圓周分速度,轉(zhuǎn)輪出口產(chǎn)生強(qiáng)制旋渦帶。由于旋渦內(nèi)部壓力低,若汽蝕系數(shù)很小時(shí),則強(qiáng)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(yùn)動(dòng),從而引起壓力脈動(dòng)現(xiàn)象。尾水管中的脈動(dòng)壓力,除低頻渦帶外,還有中頻和高頻脈動(dòng)壓力。中頻脈動(dòng)壓力頻率接近機(jī)組的轉(zhuǎn)速頻率,易引起機(jī)組振動(dòng)和壓力管道振動(dòng)。對(duì)于改善此種振動(dòng),我們采取在低負(fù)荷區(qū),補(bǔ)入足夠的氣量,以使尾水管壓力脈動(dòng)振幅大幅度降低,同時(shí)在超負(fù)荷區(qū)采取裝設(shè)具有導(dǎo)流作用的十字架減振裝置,以有效地降低渦帶壓力脈動(dòng),避免機(jī)組的振動(dòng)。四、不同振動(dòng)區(qū)運(yùn)行表現(xiàn)主要是受拉壓萬(wàn)家寨水電站在2002年的機(jī)組檢修中,發(fā)現(xiàn)除5號(hào)機(jī)外,其余機(jī)組的轉(zhuǎn)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(zhǎng)度大都在35~50mm不等,最長(zhǎng)的裂紋甚至達(dá)到了520mm。通過(guò)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(zhuǎn)輪葉片在機(jī)組低負(fù)荷工況時(shí),要承受水壓力脈動(dòng)的動(dòng)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(yīng)力承受部位,在此類(lèi)應(yīng)力集中的作用下疲勞擴(kuò)展,導(dǎo)致葉片疲勞斷裂。而隨著水頭的增加壓力脈動(dòng)值增大,大大加重機(jī)組裂紋生成和發(fā)展速度。同時(shí),每次開(kāi)機(jī)時(shí)的壓力沖擊,也加劇了裂紋的擴(kuò)展。針對(duì)轉(zhuǎn)輪裂紋的原因在裂紋的防止措施上主要有如下兩個(gè)方面:一方面,改善機(jī)組運(yùn)行工況,即避開(kāi)低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行,減小尾水管壓力脈動(dòng)對(duì)葉片的作用力,避免裂紋的產(chǎn)生。目前電站對(duì)機(jī)組劃分了三個(gè)運(yùn)行區(qū)域,禁止運(yùn)行區(qū)、過(guò)渡運(yùn)行區(qū)和穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。要盡量保證水輪機(jī)長(zhǎng)期在穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)工作,減少在過(guò)渡運(yùn)行期運(yùn)行時(shí)間,避免在禁止運(yùn)行期惡劣工況工作,避免開(kāi)停機(jī)過(guò)頻。另一方面,為降低混流式機(jī)組轉(zhuǎn)輪葉片出水邊靠上冠過(guò)渡圓角的應(yīng)力,加焊三角鐵,改善機(jī)組的運(yùn)行方式,避開(kāi)振動(dòng)區(qū)運(yùn)行將會(huì)對(duì)減輕轉(zhuǎn)輪葉片裂紋的效果顯著。分析5、6號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪其裂紋情況較輕的原因,發(fā)現(xiàn)其在出廠時(shí)在葉片上管出口邊焊接了加強(qiáng)三角塊,降低了葉片應(yīng)力集中。因此,電站在機(jī)組大修時(shí),在4號(hào)機(jī)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(guò)近幾年的運(yùn)行,對(duì)4臺(tái)機(jī)組檢修發(fā)現(xiàn),對(duì)4號(hào)機(jī)焊接加強(qiáng)板對(duì)預(yù)防裂紋是有效的。五、確定最佳方案以上簡(jiǎn)單闡述了萬(wàn)家寨水電廠水輪機(jī)在運(yùn)行中常見(jiàn)的幾種運(yùn)行缺陷,在分析了各種缺陷出現(xiàn)的原因的基礎(chǔ)上,給出了目前萬(wàn)家寨水電廠針對(duì)各種運(yùn)行缺陷采取的改進(jìn)措施。例如針對(duì)涂層脫落問(wèn)題,進(jìn)行各種涂層以及無(wú)涂層轉(zhuǎn)輪在渾水期的運(yùn)行對(duì)比,以確定最佳方案;對(duì)于不同的工作水頭,給出各水輪機(jī)的最佳運(yùn)行范圍