轴流转桨式水轮机抬机的机理分析及改进措施

轴流转桨式水轮机抬机的机理分析及改进措施

由于轴流导向轴的结构特点，很容易将主缸的重量、反水锤的性能和泵的升力进行改进。我们在叙利亚承建的迪什林水电站所用轴流转桨式水轮机组自1999年11月投运以来,十年间发生了24次抬机。抬机发生时,机组转动部分上抬了25~30mm,造成水轮机工作密封跳出、接头撕裂、集电环碳刷和刷架损坏等,特别是伴随着抬机产生的反水锤给轮叶造成了很大的损伤,给电站运行带来了诸多麻烦。1机组停机过程迪什林水电站位于叙利亚境内幼发拉底河上,共6台机组,单机容量是105MW,总装机容量630MW,额定转速90.9r/min,选用ZZ440a-LH-750型轴流转桨式水轮机,SF105-66/12800型发电机。电站为一调峰电站,为平衡电网无功,机组还要承担调相运行任务。前述10年间发生的24次抬机中,有详细记录的为19次。其中,水中调相(转轮室中的水未排出,而机组进入了调相运行工况)6次;在停机过程中,机组发生故障,保护装置动作,快速停机(二段关闭阀未投入)6次;在运行过程中,机组发生故障,保护装置动作,快速停机(二段关闭阀未投入)7次。2典型的五台机组运营结构2.1轮叶受力分析发电机与电网连接,水轮机的导叶开启时的正常发电运转工况。这时,由于上游水位比下游水位高得多,毛水头(上、下游水位差)压在轮叶上,作用在轮叶上各力的合力方向向下。轮叶片受力如图1(a)所示。(p为水流与轮叶的作用力,R为合力,v、w、u为水的速度)2.2导叶和轮叶的协联关系机组从正常发电转为导叶逐步关闭,至一定程度后,发电机与电网解列的停机过程。按原设计,导叶和轮叶先按预先设定的协联关系(如图2)关闭,导叶的开度从100%关至20%后,导叶和轮叶解除协联关系。然后,导叶继续关闭至开度为0,轮叶则关闭至-13°,待停机过程完成后,轮叶开启至启动角,为下次启动做好准备。2.3发电机与机组解列机组从正常发电转为导叶逐步关闭,当开度达全开的11%~13%时,维持此开度,同时,发电机与机组处于解列的运转工况。此时,由于导叶的开度很小,水能所产生的动力很小,仅用于克服机组转动时的摩擦阻力,维持机组空载运转。2.4运行时，设备故障在机组遇到紧急情况的时候,发电机立即与电网解列,同时,水轮机的导叶迅速并完全关闭,为非正常停机工况。2.5发电机发轮叶上的抬机发电机与电网连接,水轮机的导叶完全关闭,同时,用压缩空气将转轮室的水压至尾水时的运转工况。此时,发电机失去了原动力,定子从电网吸收有功,产生电磁力矩,使转子转动,发电机向电网送出无功。如前所述,当机组处于图1(a)所示的水轮机运转状态时,轮叶上的合力方向向下,不可能产生抬机;而当机组处于图1(b)所示的水泵运转状态时,轮叶上的合力方向向上,此时才有可能产生抬机。因此,研究抬机,着眼点就应放在导叶完全关闭以后至停机的这一段短暂时间内,即水轮机转变为水泵以后的受力情况和运转状况的变化。3轴流桨架升降机的机理3.1轮叶受试结果为从图3可以看出,水轮机轮叶以上abcd空间透过导叶与上游水体连系在一起,轮叶以下的空间透过尾水门与下游水体连系在一起。这时,这些空间充满了水体,机组处于水轮机状态,不可能抬机。由于水不可压缩,导叶完全关闭后,水体abcd像一个“液体垫”隔在顶盖和轮叶之间,轮叶及转动部分要上移也是不可能的。只有当水体abcd被排出一部分,且上游水体不能进来补充,空间abcd出现真空时,轮叶及转动部分才可能上移,形成抬机。当机组从正常运转变为导叶迅速并完全关闭,如上述的第4种运行工况时,由于导叶的关闭速度很快,当其完全关闭后,把上游水体与转轮室隔断。这时,一方面,转轮室内的水体会因惯性而继续流动,转轮室的水体会脱离导叶,在转轮室上部形成真空,在轮叶上下端形成压差;另一方面,由于导叶己完全关闭,发电机己与电网解列,水轮机会失去动力,在惯性作用下,变成一个惯性水泵将转轮室的水排出,并产生泵升力;转轮停止转动后,在压差作用下,水体会迅速返回,形成反水锤。泵升力按下列公式计算:Pp———泵升力(t)Kp———系数,前苏联模型试验结果为Kp≤0.05R———转轮半径(m),对于本案,R=7.5/2mω———导叶开度关至0时机组的转速(rad/s)。对于本案,若属第4种工况,由于发电机与电网迅速解列,发电机失去了负荷,转速会升高,导叶迅速关闭过程中,略有回落。粗略计算,若仍以原转速计,则ω=90,9r/min=9.5(rad/s)。这样,Pp=0.05×(7.5/2)4×9.52=892.4(t)。己超过了机组转动部分的重量759t。关于压差问题,说明如下:对于迪什林电站的机组,当轮叶关至最小角度-13°时,相邻两叶片间尚有多于100mm间隙。轮叶上下端水体是连通的。按照帕斯卡原理,上下端水体压力本应一致,但是,由于转轮室上部存在真空,假设在液体表面取一厚度为δ的矩形微元体A(如图4所示),则在该微元体上表面是真空,压力为0,下表面的压力为尾水压力。于是,上、下表面的受力不平衡,微元体会向上运动。同理,整个液体表面会向上运动,形成下游水体返回水流,流过轮叶间的间隙,形成压差。例如,2006年,中国水利水电科学研究院水力机电研究所赴叙利亚迪什林电站现场进行了测试。当时,尾水位为302.5m,机组安装高程为288.5m,即吸高为-14m。根据实测数据,这时,转轮室顶盖下出现了真空,真空度为-5m水柱(-5t/m2)(参见图5第5条曲浅)。这样,转轮上下端压差达△P=19m水柱(19t/m2)。己知转轮直径为7.5m,上端面中间主轴直径为1.5m。假设转轮下端压力为P1,面积为S1;上端压力为P2,主轴面积为S2,则转轮受到的因压差产生的向上作用力为:也超过了机组转动部分的重量。因此,无论哪种情况,抬机都不可避免,这次抬机量达到29mm(参见图5第7条曲浅)。3.2轮室产生抬机如前第5种运行工况所述,调相运转时,若未能及时用压缩空气将转轮室的水体排出,机组会在“水中调相”,发电机会转变为一个同步电动机,整个机组会转变成一个同步电动泵,产生泵升力。若泵升力大于机组重量,会引起抬机。同时,由于该水泵将转轮室的水体排出,因导叶己完全关闭,会在转轮室形成真空,压差产生向上的推力。如果没有压缩空气进入,抗衡这压差产生的推力,待转轮室的水排完后,转轮在真空中旋转,不再起水泵作用,在压差作用下,尾水回流,形成反水锤,并与压差联合作用,抬机将不可避免。前述的第1种工况属水轮机工况,不会产生抬机;第2种工况因关机速度慢,也不会产生抬机;第3种工况因从空载运转转为停机,如果两段关闭阀不及时投入或轮叶关闭不当,转轮室即会产生真空,会出现与这里所述的第4种工况类似的抬机。河海大学曾经对轴流转桨式水轮机的导叶和桨叶关闭规律进行过大量的模型试验研究,所得的结论与本文理论分析所得结论是一致的。4预防转轮室出现真空如前所述,引起抬机的根本原因在于转轮室内出现了真空或产生了“水中调相”。因此,防止抬机应从二方面着手:一,防止转轮室出现真空;二,防止出现“水中调相”。前己述及,真空的出现又存在二种可能:一是由于导叶关闭太快,使转轮室里的水体脱离导叶;二是由于转轮变成了惯性水泵,将转轮室里的水体排向了下游。因此,必须针对这二个原因分别采取措施。对于防止水中调相,需要另外采取措施。(1)分段关闭阀投资由于迪什林电站的机组原来已具有二段关闭功能:第一段关闭从导叶开度100%关至20%,约7.2s;第二段关闭从导叶开度20%关闭至0,约19s(如下页图6实线所示)。我们将其进行了调整,改为第一段开度从100%关至40%,时间调为4~6s;笫二段开度从40%关至0,时间调为26~32s(如图6虚线所示)。目的在于:在第一段,因导叶处于开启状态,不会产生抬机,可适当加快关闭速度,尽快降低转轮转速;在第二段,由于导叶接近关闭,为避免水体流速太快,造成与导叶脱离,宜放慢关闭速度,尽量降低导叶后水体流动惯性。另外,对二段关闭阀的投入条件也进行了调整:原设计的二段关闭阀投入条件是:“在运转过程中,出现正常停机,事故停机或甩负荷(至空载)停机时,二段关闭阀投入”。2002年6月,4号机组在起动过程中,突然发生了电气事故,机组从起动转为停机,不符合上述“在运行过程中”的条件,二段关闭阀未投入,结果导至抬机。鉴于上述,我们将二段关闭阀的投入条件改为了“任何情况下停机,二段关闭都必须投入”。(2)导叶的关闭—改变轮叶的关闭规律众所周知,轴流式水泵的压力(H)和流量(Q)曲线如图7所示,即在一定的转速下,流量越大,泵所能提供的压力越低;反之,流量越小,泵所能提供的压力越高。另外,在同样的流量下,泵的转速越高,所能提供的压力就越高;泵的转速越低,所能提供的压力也越低。按照原设计,在解除协联关系后,将轮叶关闭至-13°的最小角度,即是将转轮变成了一个小流量高水头的水泵,它能够对抗尾水压力,将转轮室里的水排至下游,使转轮室内出现真空。我们将其改造为在解除协联关系后,在继续关闭导叶的同时,将轮叶朝反方向开启至启动角,将转轮改造成一个大流量低水头的水泵。这样,它所能产生的压力将不足以克服尾水压力,不能将水体从转轮室排出,转轮室不出现真空,抬机也就不可能发生了。应当指出,过去,人们总认为导叶快速关闭,使导叶之后的水体与导叶脱离,是导致在转轮室内形成真空的唯一原因。以为只要将导叶的关闭规律改为二段关闭,放慢导叶快速关闭速度,即可使转轮室内不产生真空。其实,仅仅改变导叶关闭规律是不够的,必须在改变导叶关闭规律的同时,再改变轮叶的关闭规律,即在解决水体脱离导叶问题的同时,还必须解决转轮排水问题,才能彻底避免转轮室出现真空。(3)空气不泄漏,调相运转至于调相运转产生的抬机,理论上讲,只要压缩空气系统工作正常,能够提供足够的压缩空气,将转轮室里的水体压出,调相运转是不会引起抬机的。但是,实际上要达到以上所述非常困难。因为,对于大尺寸的水轮机来讲,密封面太大,要确保在大面积的密封面上,长期保持能与尾水压力抗衡的空气不泄漏是非常困难的。另外,转轮室内的abcd空间相当大,要在短时间内向这空间提供足够的,具有一定压力的压缩空气,也是很难的。因为,压缩空气进入转轮室后,由于容积扩大,压力会迅速下降,特别是储气罐容量不足,管道、阀门阻力大时更是如此。为此,现场必须配备很强大的压缩