改善水电机组运行稳定性
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摘要： 水电是清洁能源，可再生、无污染，运行费用低，便于电力调峰。尽管电站造价，水电成本高于火电成本约40％，然而能满足较高的环保要求，考虑到火电厂燃料的燃烧在脱硫、脱硝、脱尘等方面所需资金约占投资的 1／3，水、火电建设成本也就相差不多了。至于运行成本，水电明显优于火电：水电为0．04-0．09元／kwh，而火电为0．19元／kwh(火电燃料的购买和运输费用就占去50％一70％)。除了上述 经济 效益，开发水电还具有防洪、航运、供水、灌溉、 旅游 等综合效益。水电亦有其弊端，例如工程投资巨大、工期较长、投资......
水电是清洁能源，可再生、无污染，运行费用低，便于电力调峰。尽管电站造价，水电成本高于火电成本约40％，然而能满足较高的环保要求，考虑到火电厂燃料的燃烧在脱硫、脱硝、脱尘等方面所需资金约占投资的 1／3，水、火电建设成本也就相差不多了。至于运行成本，水电明显优于火电：水电为0．04-0．09元／kwh，而火电为0．19元／kwh(火电燃料的购买和运输费用就占去50％一70％)。除了上述经济效益，开发水电还具有防洪、航运、供水、灌溉、旅游等综合效益。水电亦有其弊端，例如工程投资巨大、工期较长、投资回收较慢，此外还有淹没(文物、房屋、土地等)、移民、生态平衡等负面 影响 。过去美国某水电大坝已建成，又将它炸毁了；日本也建成过水电大坝，没有炸毁，却废弃不用了；我国三峡工程，激烈争论了半个世纪，经过充分准备，具有绝对把握，才下决心建成。
我国水能资源蕴藏量约为6．76亿kW，居世界第一，然而开发利用率仅为20％，水电开发潜力巨大。
2003年我国发电总量为38450万kW，其中水电9217万kW，火电28564万kW，水火之比为1：3。未来很长一段时期，火电量仍将保持绝对优势，但水电比重将稳步上升。 发展 水电，就应解决水电机组运行稳定性 问题 。由于电站运行工况(水头、负荷等)的多变，常使机组偏离最优工况运行，从而导致转轮、尾水管等部件的裂纹、开裂，甚至引起机组、厂房以及相邻水工建筑物的共振，危及电站安全运行，这是一个世界性的课题。我国的发电设备国家工程 研究 中心、哈尔滨大电机研究所、哈尔滨电机厂-有限责任公司对此已从事多年的试验研究，近期将以《专辑》形式公布攻关成果。本文简要论述水电机组的运行稳定性问题，发生事故的机理，有关预防途径，先进的修复措施等。
1、产生裂纹的机理
当今世界水电机组单机容量和尺寸不断增大，电站水头变化幅度也在增大，负荷明显加大，当电站条件偏离甚至远离设计工况时，就会产生脱流和涡带，引起水力振动，导致转轮叶片裂纹、尾水管撕裂。
大型水电机组多采用混流式水轮机，转轮叶片由上冠和下环固定(不像转浆式，叶片可调节，以适应工况之变)。在非设计工况下运行，不可能同时满足转轮进口和出口的最佳流动条件，使流动状态不良，转轮出口的水流环量大小和方向发生变化，在尾水管内形成不稳定的涡带，由于紊乱而又不规则的涡核外表面的触发，涡带会出现突然的暂态抖动，然后又回到原来的稳定状态。这种从稳态过渡到不稳定状态的暂态现象，称为"涡带溃裂"，它能产生很大的冲击力，但其出现完全没有 规律 可循。这种现象 目前 还不能用 现代 最先进的数值流动 分析 宋进行预测，而且通过模型试验也难以辨认。"涡带溃裂"引起水压脉动以及机组振动，从而引发转轮、尾水管等出现裂纹、开裂甚至破断。
2发生故障的实例
当今世界电力 工业 最为关心的重大科研课题是提高机组运行可靠性。水电机组的稳定性是指水轮机过流部件的压力脉动及其诱发的振动幅值和区域，以及发电机电磁和机械等原因引起的振动和功率摆动、噪声等。近年来国内外投运的大型机组不少都出现了运行稳定性问题。压力脉动是由混流式转轮本身固有特点所决定的，在水力设计中也是不可能完全消除。最先进的流体动态解析软件也只能限于稳态流动，它能显示稳态流动中是否出现涡带，但是不能给出涡带是否稳定的结论。
迄今为止，国内外的大型水电机组发生了许多诸如此类的振动、裂纹故障，下面提供一些实例(括号数字为机组单机容量)：
2．1转轮叶片出现裂纹或开裂一①二滩(582MW)；②李家峡(408．2MW)；③拉格兰德Ⅱ(338MW，加拿大)；④小浪底(310MW)；⑤岩滩(307．1MW)；⑥白山(300MW)：⑦五强溪(248MW)；⑧江垭(102MW)，⑨契夫约斯(i01MW，国外)；⑩渭源(66．7MW)。
2．2尾水锥管开裂一①塔贝拉(444．6MW，巴基斯坦)：②岸滩(307．1MW)；③天生桥I (300MW)；④安康(204．1MW)：⑤潘家口(154MW)：⑥大东江(129MW)。
2．3机组振动较大一①大古力Ⅲ(716MW，美国)， 振动区也较大，②大古力Ⅲ612MW，美国)，振动区较大；③古里I (370，委内瑞拉)，补气运行；④隔河岩(310MW)，振动区扩大；⑤山仔(15．5MW)，振动较大，补气运行。
2．4其他情况一①磨蚀严重的有刘家峡(310MW)；②有待磨蚀考验的有万家寨(204．1MW)；③尚未达到高水头考验的有龙羊峡(3 2 6．5MW)、丹江口(154MW)；④前苏联布拉茨气(220MW)因压力脉动产生水力共振导致转轮叶片和导水机机构接力器外壳出现裂纹，所有转轮叶片发生空蚀，只能剖、气运行；⑤巴西依太普(715／740MW)不带400MW以下负荷运行，即当较低部分负荷(相当于额定负荷的一半及更低)时，机组不投入运行。
3．预防途径的探讨
2002年冬季一2003年春季，长江和黄河上游几乎同时出现枯水。仅黄河流域在2003年1～4月份就少发电量40％；国内有些水电站运行多年也达不到设计发电量。电站条件的很大变化导致机组运行在非最佳设计工况下，就会出现压力脉动、裂纹。国家缺电，不大可能停机等待适合的水力条件。按照现有技术水平，混流式转轮叶片因其不可调节的固有特点，决定了它不适于在远离最优设计工况下运行。三峡机组是世界上最先进的机组，能量指标、空化性能、效率等方面都完全符合标书要求，然而在确保运行稳定性方面并不理想。首批招标的左岸机组转轮方案曾被驳回，国外承包厂商重新研制、改进，结果仍是未全面满足合同要求。最后只是有条件地接受左岸模型转轮。现在正在进行右岸机组的招投标，哈电提出的投标方案在稳定性、效率、空化、强度等方面满足要求，优于左岸转轮。下面提出几种预防途径。
3.1 开发设计方面
对混流式水轮机的设计要求有两点：即转轮的水流入口处应保证水流对叶片头部没有撞击，并呈正冲角：而出口处的水流方向应为法向并带有正环量。如果转轮进口水流冲角太大，会导致叶片头部脱流、空化，形成叶道涡，进而引起高频或中频水压脉动。这是诱发水电机组振动的水力振源之一。脱流空化时水流对叶片为负压，水流与叶片表面之间形成真空空腔，脱流严重时这种真空负压作用是以将叶片金属表面结晶撕裂、剥层，并导致空蚀破坏。另一个水力振源是当叶片出口处水流环量过大时在尾水管内产生的强裂涡带，它能引起低频压力脉动。因此，在水力学设计时应当避免导叶和转轮叶片出口处出现卡门涡和叶道涡：同时设法减小压力脉动和空蚀。尽量减小水头变化幅度，使它小于平均水头的30％一40％。还应减小单位转速，提高设计水头，以避免高水头下运行的不稳定性。不要单纯追求高参数，运行实践证明，参数较低的机组，运行稳定性较好：参数较高则稳定性差。比如效率要求过高，就要减少转轮叶片数目，减薄叶片厚度，从而降低了稳定性。采用具有负倾角的"X"型叶片可以适应较大的水头变幅高水头电站可采用长和短叶片，中水头电站可增加转轮叶片数目。