轴流式水轮机轮轮改换关键问题研究

轴流式水轮机轮轮改换关键问题研究

一、稳定性差,效率低,空蚀严重,易发生严重构造由于其特点，轴流式水力处理厂主要用于开发低水面和高流量的水力资源。在我国的水保护资源开发中，发挥着重要作用，尤其是在经济发达地区。近年来,由于运行时间较长,加之早期水轮机设计水平较低等原因,我国一大批电站的原有水力机组技术指标落后,制造质量较差,稳定性差、效率低、空蚀现象十分严重,大型轴流式水轮机在稳定运行方面出现的问题越来越突出。叶片厚度变小,相对刚度减弱,转轮自振频率明显降低,更易接近激振力频率、诱发共振,不断有机组在运行时产生动力失稳、叶片裂纹破坏甚至疲劳断裂,部件损坏等现象,严重威胁到电站的安全运行。如富春江水电站、三门峡水电站、大化水电站、红石水电站以及叙利亚迪仕林电站等电站的轴流式水轮机均发生了不同程度的叶片裂纹,有的被迫停机几个月,经济损失很大;裂纹的补焊、铺焊、打磨、修型等工作量巨大,劳动强度也很大,还难于保证质量。上述问题使这些老电站的轴流式水轮机函待进行技术改造。随着水轮机优化设计技术的发展,在保证高效率的基础上,提高水轮机的抗空化性能和机组整体的运行稳定性已逐渐成为水轮机领域技术发展的一个重要特点,也为老电站机组的技术改造和新电站的水力设计提出了更高的要求。二、与三大电站的水岸带负荷匹配据不完全统计,目前我国大中型轴流式机组中约20%容量的机组是60-70年代生产的,这些机组技术指标落后,制造质量差,运行中安全隐患较多,存在诸多问题。我国早期兴建的水电站,由于设计条件限制,选择的水轮机和发电机时偏于保守,有些机组水轮机和发电机容量不匹配,不仅使水能不能充分利用,而且大大限制了机组出力。另一方面,随着我国水能资源开发程度的提高,同一流域内开发的水电站逐渐增多使流域内河流水量的分配发生了比较明显的变化,同一河流上梯级电站的开发对己建电站的水文条件影响较大,造成这些电站水头、流量等运行参数发生明显变化,原有的水轮机在新的运行参数条件下效率降低、空化加剧、运行不稳,需要对原有的机组进行技术改造。以葛洲坝水电站为例。按照长江流域综合利用规划,葛洲坝水利枢纽是三峡水利枢纽下游的反调节水库和航运梯级,其主要任务是消除三峡电站日调节时下泄的不稳定流对通航的影响,改善三峡坝址至南津关河段航道和宜昌港区的航行条件,并利用该河段的部分落差进行发电。三峡电站投入运行后,为了充分发挥三峡电站的容量效益,在承担电力系统尖峰负荷时,三峡电站将加大出力运行,尤其是在汛期峰荷时下泄流量将大大超过葛洲坝电站的满出力流量。葛洲坝电站与三峡电站泄流能力的不匹配,必然对葛洲坝电站的运行方式造成一定的约束,对其水轮机的运行参数造成较大影响。因此,对葛洲坝电站的水力机组进行增容改造,增加一定的容量,可使三峡、葛洲坝电站联合运行更加灵活,有利于电网调度运行,同时也可改善机组的运行稳定性。三、水轮发电机组改造前,国外先进轮水轮机的运行效率是水轮机性能的重要指标,关系到水能资源的利用程度。我国有一大批轴流式机组水轮机转轮系国内50-60年代产品,由于投产时间较长,机组效率出现明显下降,加上本身效率较低,与现在国内外先进转轮的效率相比,差距较大,造成了可利用水力资源的巨大浪费。例如富春江水电站2号水轮发电机组1972年2月24日投入运行至今近27年,实际运行近12万个小时,累计发电量54亿kwh,取得了一定的经济效益;由于当时设计和制造水平较低,其生产品存在着质量性能低劣、部件结构不合理等先天不足;经多年运行后,主要部件已严重老化,重大缺陷不断加剧,水轮机效率比设计效率89.2%低5%~6%个百分点,即真机效率只有82%左右。四、司机机叶片出现裂纹,固有频率过轴流转桨式水轮机转轮叶片不同于混流式水轮机转轮叶片,由于结构的特殊性,其叶片与悬臂梁的结构相类似。近年来,国内外轴流式水轮机转轮叶片相继出现裂纹,有的甚至出现断裂等现象,严重影响了机组的正常运行,给电站造成巨大的经济损失,同时也给制造厂家带来信誉危机。轴流转桨式水轮机叶片出现裂纹甚至断裂的现象,除与叶片根部的静应力水平较高有关之外,还与转轮叶片的固有频率有关。随着计算机硬件水平的提高,使得对轴流转桨式水轮机叶片采用联合受力的方法对其进行固有频率分析成为可能,可降低故障率。五、空蚀磨损破坏空蚀是由于流道内局部水流速度增加、压力下降时形成的空穴在溃灭时对过流表面造成的损坏;磨损是过流材料表面长时间受固体微粒切削产生质量体积减少的物理现象,常发生于多泥沙河流上的电站;而水轮机实际运行经验表明,空蚀、磨损的联合作用会使破坏加剧。通常又将水轮机空蚀与磨损联合破坏称为水机空蚀磨损破坏,简称磨蚀。在我国己投产的水电站中,有相当一部分电站由于空蚀磨损破坏,导致机组效率下降、出力减小、振动加剧,不仅威胁水电站的安全运行,而且严重威胁电网的安全运行。葛洲坝水电站二江电厂的1,2号水轮机为ZZSSO-LH-6130型,机组投运以来,#1机组运行41,276h,1号机组运行38.659h;其间加权平均静水头为19.15m;在高于23m水头下#1,#2机组分别运行6,437h和6,547h.运行中,为获取过机含沙量,从#1和#6机蜗壳进入门取水阀处取水测量.并且每次停机检修中,均可在蜗壳包角末端小平台上拾到小石块等杂物。六、提高水力学性能采用现代的优化理论对原水轮机叶片的表面型线进行改型设计,可以提高水轮机的水力性能。例如,在叶片轮缘处加抗空化裙边,可提高机组的抗空蚀性能;在保证强度的条件下,对出水边进行修型,可降低叶片出水边卡门涡产生的几率,改善机组运行稳定性。在转轮改造过程中采用性能预估技术和动态特性分析技术可在设计阶段全方位掌握所设计水轮机的水力性能和动态特性,及时对设计作出修改和调整;数控加工技术,模压成型技术等的应用,使叶片在型线、表面粗糙度等方面都得到保证,还可以避免人为因素造成的加工质量不良。七、实际应用效果轴流转桨式机组在协联情况下运行时,机组效率高,稳定性好。但是在实际工程中,真机的协联关系大多数是根据模型试验数据通过相似换算得到,这与实际的真机协联关系有一定的偏差;另一方面,经过长期运行,水轮机的性能发生变化,使真机和