小水电站低负荷运行及气蚀预防措施.doc

小水电站低负荷运行及气蚀预防措施前言小型水电站由于来水受环境因素的制约，运行工况大多偏离额定工况。按照运行规程规定，小水电站所采用的反击式水轮机是不能在低于额定出力的工况下运行的，但是出于经济、环境等因素的综合考虑，只要切实做好防止气蚀的措施，小型水电站在低负荷工况下运行是有必要的。以里石门水库坝后电站为例，其担负着防洪、灌溉和发电三项任务。设计时装机容量为，水轮机型号为，适用水头为，流量为/。除了防洪时（同时也为丰水期）的满负荷运行，大多情况下，都低于额定工况运行。特别是近年来的大旱天气，造成水库水位持续偏低；同时下游农业用水和生活用水的迫切需求，再加上华东电网“电荒”的严峻形势，迫使其基本上处于低负荷运行。另外，丰水期来临时，为了尽量多利用来水发电，一般都将发电机运行功率因素值提高（即减少无功出力）来多发有功，大多情况下将功率因素值提高到。因提高功率因素所欠发的无功，则通过枯水期多发无功给予弥补，即在枯水期机组有功出力不足时，适当调低发电机的运行功率因素值，以增加机组的无功出力，一般把数值设为左右。由于上述情况的存在，里石门水库坝后电站的运行工况大多是偏离额定工况低负荷运行的，当然，机组均是在切实做好防止气蚀的措施和避开气蚀严重区下运行的。预防气蚀措施水轮机是水电站中将水能转换成机械能带动发电机工作的核心设备，其重要性可想而知。而水轮机运行的优劣及其使用寿命的长短，则与“气蚀”有着极为密切的关系。气蚀的产生和危害水轮机的气蚀是怎样产生的呢？在反击式水轮机的流道中，由于边界条件的变化，局部流速的增高，致使压力下降或因转轮叶片迫使水流的力矩发生改变，使转轮叶片背面产生负压。因为水中含有约的空气和气核，当压力低于空化压力时，就会发生空化现象，产生大量气泡。这些气泡进入高压区后，开始凝结并破裂，四周的水质点则高速向气泡中心撞击，形成局部高压，而撞击后的水质点反方向运动时又会形成局部低压，产生大量气泡，这种气泡的产生和溃裂过程称为气蚀。气蚀对金属材料的破坏作用主要是机械作用，一种是属于在屈服点内的疲劳破坏，另一种是属于超过屈服点后塑性变形使它破坏。水在水轮机的流道中产生空化现象后，这些气泡随着水流进入高压区，在高压作用下气泡破裂而四周水质点向中心撞击能形成极高的射流速度，产生对水轮机过流边界的高速冲击，瞬间可达，并且以万的频率进行。在反复冲击载荷的作用下，金属部件的表面质点由韧性状态转为脆性状态，即“疲劳”。它使金属的持久极限即屈服点下降，当水击压力大于屈服点时，金属晶粒脱落，严重时，水轮机叶片会产生空孔、缺口，甚至脱落，造成水轮机过流部件的破坏。同时机组也产生了大量的振动和噪声，降低了水轮机的出力和效率，并且使水轮机的检修周期缩短，增加了检修工作的复杂性和工作量。其后果是造成电站运行成本升高和人力、物力的耗损。所以，在水轮机的生产制造，水电站的设计施工以及运行管理中，都应设法减轻或阻止气蚀的产生。避开气蚀严重区运行防止或减轻气蚀的措施主要有：改善水轮机的设计，提高转轮的加工工艺水平，采用抗蚀材料，采取补气装置，还有就是避免水轮机长期在低水头、低负荷下运行。我从年开始参加电站运行管理工作后，观察到一个现象：当机组出力接近时，机组产生的振动和发出的噪声就急剧增大；当机组出力高于或低于该出力时，机组产生的振动和噪声便逐渐减少。对此，经过与技术人员的讨论分析，再结合本水轮机运转特性曲线，可以认为这个出力范围（）即为电站水轮机的气蚀严重区，也就是实际运行时必须避开的工况。其实，在枯水期只要避开此工况，最低出力至左右时仍可正常运行，在其后的检修中也未发现明显的气蚀现象，只是在敏感部位有些发黑现象。防止气蚀的处理措施里石门水库坝后电站从建成投产以来，一直存在着低负荷运行的情况，为此，电站工作人员采取了许多切实可行的防气蚀措施。由于年前电站由私人承包管理，经过长期的低负荷运行，在年大修时拆出转轮后发现转轮叶片背面已呈蜂窝点状，可见气蚀的严重性。电站工作人员首先采取对转轮叶片的补焊措施，但由于电站的热处理技术不过关，静平衡试验条件有限，在重新装回转轮后发现并没有提高出力和减轻气蚀，于是电站工作人员决定采用不锈钢转轮。由于使金属具有一定的抗腐蚀性，提高了强度和韧性，加、在室温时，材料是不稳定的单相奥氏体，一旦受压变形，就会析出马氏体，使表面高度耐磨，加还会提高金属的韧性和强度，对铁素体有固溶强化作用，提高钢的抗磨性和抗蚀性，同时除外，合金元素都具有使材料晶粒细化的特性，加强了材料抗蚀性能。考虑到价格因素，电站决定委托杭州发电设备厂加工制作普通钢上冠和下环、不锈钢叶片的转轮。使用至今，叶片仍未见明显的气蚀迹象。其次，为减轻气蚀，电站采取了补气措施。补气能破坏真空，降低真空度，减轻气蚀破坏，改善运行稳定性。在水轮机低负荷运行区补气会使机组效率有所提高，负荷在左右时，补气对效率无明显影响，在高负荷区补气反而会使效率下降。根据坝后电站的实际情况，采用尾水短管在低负荷运行时补气，具有减轻气蚀和提高效率的双重功效。最后，电站还对导水机构进行技改。根据转轮中心偏后的实际情况，拓宽转轮内径锥度，使之前移，同时修整导叶两端面和底环端面，提高两者的表面光洁度，有效地减轻了水轮机间隙气蚀的发生，与此同时也提高了水的利用率，增加了机组的发电量。结束语在采取切实的防蚀措施后，避开气蚀严重区，机组在低负荷工况