万家寨水电站水轮机运行问题分析及处理

万家寨水电站水轮机运行问题分析及处理

万家寨水库位于河流上游，位于里奥峡谷。主要任务是将供水集中的发电与峰调整作用，同时考虑防洪和防灾。枢纽年供水量14亿m3,水电站装有6台立轴混流式水轮发电机组,单机容量180MW,年发电量27.5亿kW·h,首台机组于1998年11月28日投产发电。电站自首台机(1#机)并网发电以来,水轮机运行中暴露的缺陷较多,严重影响了电站的运行安全和发电效益,电站对水轮机的运行问题给予了高度关注并采取了积极措施,取得了初步效果。一、抗磨涂层对机组的影响电站坐落的河段多年平均实测含沙量5.7kg/m3,含沙量实测值最大能达到37.6kg/m3,考虑到黄河泥沙水对转轮磨蚀的严重性,水轮机主要通流部件的防磨和防腐蚀就成为电站设计中的重要目标。万家寨电站6台水轮机的通流部件都涂有不同的抗磨涂层,但自并网运行以来,每次大修都能发现不同程度的抗磨涂层破坏脱落现象。以2号水轮机为例,在2000年5月20日检查时发现,水轮机转轮软涂层已大面积脱落,涂层脱落面积达95%以上。根据黄河中下游多泥沙的实际情况,万家寨水电站水轮机在设计阶段就充分考虑了对磨损的预防措施,采取了优化水库泄流排沙设计、合理选择有关参数、优化水力设计和结构设计、采用优质母材和抗磨材料等设计方案,以增加水轮机的抗磨蚀性能。后在运行过程中,又针对不同的机组分别进行各种涂层(环氧金刚砂抗磨涂层、碳化钨抗磨蚀层和非金属材料耐磨涂层)以及无涂层转轮在浑水期的运行对比,以确定最佳的抗磨损材料及方案,从目前运行来看,环氧金刚砂抗磨涂层要优于碳化钨抗磨蚀层和非金属材料耐磨涂层这两种涂层。另外,避开机组振动区域运行也是降低水轮机磨损的主要措施。二、影响水轮机运行效率的因素万家寨水电站几年来机组的平均负荷率及运行效率均徘徊在较低水平。这是因为系统要随时满足调峰和潮流调整的要求而调整负荷,使得机组经常在偏离实际工况的非经济工况运行。万家寨水电站安装的是混流式水轮机,该机型特点是最高效率相对于其他机型高,但其效率变化较大,高效区狭窄。以5号水轮机水头为67.4m时的情况为例,水轮机负荷为140~170MW之间时,水轮机在高效区运行,在负荷约为160MW时效率最高达到95%,负荷160WM即为5号水轮机的经济运行负荷。当水轮机负荷低于90MW后,其效率急剧下降,在水轮机负荷为80MW时,水轮机的效率仅有70%。这是因为,混流式水轮机的设计工况为转轮叶片进口水流无撞击或略带正冲角,出口水流是法向或略带正环量,最优工况对水轮机进出口水量要求很高,只有在最优工况时进出口水流才能满足设计要求,其他工况都不能达到设计工况,且偏离设计工况越远,进口冲角越大,出口有旋转速度越大,水力损失越大,水轮机的效率越低。因此,水轮机要尽量在设计工况下运行,避免长时间偏离设计工况运行,保证水轮机在经济负荷下运行,高效的利用水能。对万家寨水轮机来说,根据实际观测,对机组在不同水头下运行工况进行了经济性分析,得出水头在60m以下时,机组单击负荷不应低于80MW;水头在60~68m以上时,单击负荷不应低于100MW;当水头在68m以上时,机组单机负荷不得低于120MW,以保证水轮机在经济的负荷率运行,有较高的运行效率。另外,保持电站较高的水库运行水位也是提高水轮机效率,保证水轮机经济运行的主要措施。电站做好与水库调度部门和电力调度部门的沟通与协调,也是保证电站水轮机经济运行的工作重点。三、引起机组振动的主要原因水轮发电机组由于受力、约束和旋转,运行设备的振动是不可避免的。振动参量是反映水电机组运行状态的重要参数,同时异常的振动也是损坏设备的重要原因之一。因而运行中对水轮机组的振动的监测及诊断对机组的安全运行和使用寿命具有重要意义。机组发生振动的原因主要是由于机械、水力和电气三方面的原因引起的,其中水力振动是水轮发电机组在大型旋转机械中所特有的。在混流式水轮机中,尾水管内低频涡带导致的水力不平衡是引起机组振动的常见的不可避免的因素。低频涡带是混流式水轮机普遍存在的振源之一。混流式水轮机在部分负荷运行时,水轮机转轮出口水流具有一定的圆周分速度,转轮出口产生强制旋涡带。由于旋涡内部压力低,若汽蚀系数很小时,则强制涡核便产生空腔汽蚀现象,即在旋涡中心形成空腔。中心部分的汽蚀空腔做周期的偏心运动,从而引起压力脉动现象。尾水管中的脉动压力,除低频涡带外,还有中频和高频脉动压力。中频脉动压力频率接近机组的转速频率,易引起机组振动和压力管道振动。对于改善此种振动,我们采取在低负荷区,补入足够的气量,以使尾水管压力脉动振幅大幅度降低,同时在超负荷区采取装设具有导流作用的十字架减振装置,以有效地降低涡带压力脉动,避免机组的振动。四、不同振动区运行表现主要是受拉压万家寨水电站在2002年的机组检修中,发现除5号机外,其余机组的转轮叶片都出现了不同程度的裂纹,且裂纹主要发生在叶片上冠出水边和叶片下环出水边,小裂纹长度大都在35~50mm不等,最长的裂纹甚至达到了520mm。通过观察裂纹的断口,可以判定裂纹为疲劳裂纹。分析原因,主要是由于转轮叶片在机组低负荷工况时,要承受水压力脉动的动载荷作用,而叶片上冠出水边和叶片下环出水边是主要的集中应力承受部位,在此类应力集中的作用下疲劳扩展,导致叶片疲劳断裂。而随着水头的增加压力脉动值增大,大大加重机组裂纹生成和发展速度。同时,每次开机时的压力冲击,也加剧了裂纹的扩展。针对转轮裂纹的原因在裂纹的防止措施上主要有如下两个方面:一方面,改善机组运行工况,即避开低负荷区运行,减小尾水管压力脉动对叶片的作用力,避免裂纹的产生。目前电站对机组划分了三个运行区域,禁止运行区、过渡运行区和稳定运行区。要尽量保证水轮机长期在稳定运行区工作,减少在过渡运行期运行时间,避免在禁止运行期恶劣工况工作,避免开停机过频。另一方面,为降低混流式机组转轮叶片出水边靠上冠过渡圆角的应力,加焊三角铁,改善机组的运行方式,避开振动区运行将会对减轻转轮叶片裂纹的效果显著。分析5、6号机组转轮其裂纹情况较轻的原因,发现其在出厂时在叶片上管出口边焊接了加强三角块,降低了叶片应力集中。因此,电站在机组大修时,在4号机的叶片靠上冠出水边处加焊100mm×150mm与叶片母材相同的不锈钢三角块。通过近几年的运行,对4台机组检修发现,对4号机焊接加强板对预防裂纹是有效的。五、确定最佳方案以上简单阐述了万家寨水电厂水轮机在运行中常见的几种运行缺陷,在分析了各种缺陷出现的原因的基础上,给出了目前万家寨水电厂针对各种运行缺陷采取的改进措施。例如针对涂层脱落问题,进行各种涂层以及无涂层转轮在浑水期的运行对比,以确定最佳方案;对于不同的工作水头,给出各水轮机的最佳运行范围