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摘 要：水头是水轮发电机组的重要参数。水头变幅过大对水轮发电机组的振动有很大影响。为避免机组在振动区运行，就要全面分析大变幅水头机组的运行工况，产生振动的各种原因。本文以紫坪铺电站机组为例，讨论大变幅水头机组的运行工况和运行特点，让机组运行在最有工况。
关键词：水轮机 发电机 水头 故障
中图分类号：TU457 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（b）-0134-02
四川成都市内的紫坪埔铺电站位于都江堰市紫坪铺镇西北60多公里的岷江上游地段。它也是上游岷江干流中六级开发的第5级电站。该电站主要是由供水和灌溉为主，同时具有防洪、旅游、供电以及环境保护等特点，也是综合效益并发的大型水利枢纽工程。该水库总容量为11.12亿m3，正常的水库库容为9.98亿m3，同时正常的蓄水位是877 m，死水位是817 m，汛限制水位为850 m。钢筋混凝土的面板堆石坝中的坝高为156 m，坝顶高位884 m，其中电站装机为4×190 MW，保障出力为168 MW，且每年的平均发电量为34.17亿kW·h。故该工程是一等项目，主要的建筑物为Ⅰ级
1 水轮发电机组特点
紫坪铺电站的水轮发电机组表面上看没有太大的难度，因为，从装机容量上看，其单机只有190 MW，从部件尺寸看，其转轮直径只有4.85 m，发电机机座号只有10.8 m，都不算很大，但电站有一个特点，其最大水头为132.76 m，最小水头为68.4 m，比值高达1.94，且其出力跨度从100 MW到240 MW，比因运行范围宽而引起全国广泛关注的三峡电站机组有过之而无不及（三峡水头变幅为113 m/61 m=1.852，出力变幅为852 MW/497 MW），因此在设计过程中便对机组在超宽运行范围内的稳定性和振动特点给予了充分的关注，采取了如下措施。
其一，为了避免机组在高水头段出现叶片进流冲角过大，要求水轮机厂家尽量提高机组的设计水头（最优水头）。
其二，由于机组最大水头超过额定水头的1.3倍，为了避免机组在高水头运行时开度较小（这种工况很可能会引发水力振动），设计了发电机最大出力，为240 MW（额定为190 MW），这样可以完全避开这个水头段可能的振动区。
其三，对于补气，除了虑常规的自然补气外，还预留了压缩空气补气接口。
其四，在作水轮机参数选择时将稳定性参数放在首位，将经济性和能量指标的先进性放在相对次要的位置。
最终紫坪铺电站的水轮机选择了由东方电机股份有限公司生产提供，他们提供的水轮机转轮部件从俄罗斯LMZ公司进口，水轮机叶片采用负倾角的“X”形叶片，以提高水轮机在高水头运行的稳定性。俄罗斯LMZ公司在水力稳定性方面的成就应该说是世界领先的。LMZ公司提供的类似电站业绩表明，在大水头变幅转轮方面他们是有丰富经验的，所提供的几个电站参数也与紫坪铺电站参数极其接近，并已运行多年，下面是这几个电站及紫坪铺的参数比较表。（如表1）
2 大变幅水头机组的水力稳定性
近年来，我国水电事业迅猛发展，单机容量越来越大，水头越来越高，水头变幅越来越大，而大型混流式机组因水头变幅过大，经常会出现振动、叶片裂纹问题，如中国的岩滩、五强溪、隔河岩、天荒坪、大朝山、小浪底等。经过研究发现：运行不稳定或水力稳定性较差的机组大多数为水头变幅大的混流式机组。这些水头大变幅机组，当额定水头太低时（Hmax/Hr≥1.15），发电机出力限制线在高水头区过分地侵入水轮机高效区，可能导致大部分高效区被发电机出力限制线限制在外。另外，当水轮机在高水头、效率低区域运行时，由于导叶开度小，出现叶片进口水流正冲角过大，造成叶片进口边负压面脱流空化而形成进水边空蚀（叶道涡），而进水边空蚀会产生很大的压力脉动，致使机组强烈振动，对水轮机破坏很大。如巴基斯坦塔贝拉水电站，当运行水头高于设计水头以上时，振动与噪音明显增大，运行2500～4000 h后发现螺丝松动，尾水管里衬开裂，叶片产生裂纹。一般情况下水轮机参数（Hmax—Hmin）/Hp≤0.3～0.4，而紫坪铺电站参数（Hmax—Hmin）/Hp=0.63。在高水头运行时，进水正冲角较大，可能会导致叶道涡产生，因此适当提高紫坪铺电站水轮机的设计水头和发电机最大出力是必要的，另外水轮机采用负倾角的“X”形叶片也可以提高水轮机在高水头运行的稳定性。为此，俄罗斯LMZ公司在2003年7、8月对紫坪铺电站的PO140转轮进行了能量、空化、稳定性、导叶水力矩、轴向水推力等性能试验。通过大量试验俄罗斯LMZ公司得出了以下结论：（1）PO140转轮效率指标比较先进，并且有较大的出力余量；（2）PO140转轮具有较好的空化指标，即使在超发工况下，水轮机也有较好的空化性能。但是，如果较长时间运行在部分负荷工况下，也将使水轮机叶片进水边背面和叶片出水边靠上冠部分及上冠部分产生较严重的气蚀；（3）PO140转轮在水头小于80 m，单位流量450～650 L/s区域有一个压力脉动较大的区域，该区域内主频下得最大压力脉动达7%，属于水力不稳定区，机组运行时应尽量避免运行在该区域，以免给机组造成损坏。
3 大变幅水头对紫坪铺水电站的影响
（1）2011年3月28日，在2#机组计划B修中，发现顶盖止漏环焊缝有严重开裂脱空情况，在3#导叶至7#导叶之间对应止漏环有宽度为0.7 mm、深度为3 mm、长度约3 m的裂缝且锈蚀严重；其它方位也有不同程度的裂纹和锈蚀现象，裂缝长度占焊缝总长度的1/5。在分析测量数据中发现，止漏环总间隙之间的差距较大，且测量数据无明显规律。在顶盖被拆出后还发现活动导叶4#、5#、6#、7#对应的顶盖止漏环表面颜色较深，有烧损迹象。针对止漏环开裂问题，电厂立即通知厂家技术人员现场检查，研究并分析顶盖止漏环焊缝开裂的原因，提出了拆除顶盖返厂，用备品更换现有的止漏环，彻底解决2#机组止漏环存在的问题。而造成紫坪铺电站2#机组顶盖止漏环焊缝严重开裂脱空的一个重要原因就是水头比值高达1.94的大变幅水头对转轮的影响。由于其水轮机在低水头35%～45%预想出力范围内，高水头40%～70%预想出力范围内压力脉动较大，造成了水轮机振动非常严重，这就使得2#机组顶盖止漏环焊缝严重开裂脱空。 （2）紫坪铺电站四台机组技术供水系统减压阀选用的是以色列DOROT减压阀膜片差压式减压阀，2006年10月5日，发现3#机组技术供水减压阀动作异常，全开后无法关闭。于是对3#机组技术供水减压阀进行了拆卸检修，发现减压阀阀杆断裂、中心导向爪损坏、阀座脱落，经更换损坏部件回装后工作正常。在2007年11月，2#机组和4#机组技术供水减压阀又相继出现了类似问题。在机组投运后不到两年时间，先后有3台机组减压阀出现了基本相同的问题，而造成这种问题一个重要的原因就是紫坪铺电厂机组水头在68.4m～132.76 m变化。最初设计考虑采用两级减压方式实现，即第一级减压至0.80 MPa，第二级减压至0.30～0.40 MPa。但由于现场管路布置条件限制，只能安装一台减压阀，因此设计最终定为一级减压，该减压阀的最大减压比为1∶3，当水头达到最大水头132.76 m时，该减压阀出口最低能调至0.46 MPa，而紫坪铺电站机组技术供水水压在0.25～0.40 MPa最为合适。因此该减压阀在技术供水系统中，经常工作于正常工作调节压力范围之外，长期工作在恶劣工况区，导致减压阀使用寿命短，容易损坏。最后紫坪铺电站对技术供水减压阀进行了改造，采用了ZJY46H-16型活塞式减压阀，该减压比能达到10∶1，所以能满足我厂68.4～132.76 m水头下，减压阀后压力为0.25～0.40 MPa的变幅范围，同时一级减压即可。
4 提高紫坪铺水轮机稳定运行的措施
对于紫坪铺电站这样水头变幅达到1.94的机组而言，应该把安全稳定运行放在首位。然而紫坪铺水电站在系统中又要担任调峰调频的任务，这对水轮机是一个严峻的挑战。
（1）从PO140转轮特性看，在水头小于80 m、单位流量450～650 L/s区域内有一个压力脉动较大的区域，该区域内主频下的最大压力脉动多达7，属水力不稳定区，机组运行时，应尽量避免运行在该区域，以免给机组造成损害。
（2）水轮机在低水头35～45预想出力范围内，高水头40～709/5预想出力范围内压力脉动较大，应尽可能避免在该区域运行。
（3）在高水头区域，应尽可能运行在大负荷工况。为适应这一工况，建设下游反调节水库对水轮机安全运行是极其有利的。
5 结语
大变幅水头对水轮发电机组的危害之大，从紫坪铺水电站的运行中便能看出，而要把大变幅水头机组的安全稳定运行放在首位，就必须从设计方面、制造方面、安装方面、运行环境方面入手，全方位考虑，把大变幅水头机组的安全稳定运行切切实实落到实处。大变幅水头在紫坪铺电站中的应用也为未来国内其他大变幅水头电站的建设和运行提供了宝贵的经验。
参考文献
[1] 于波，肖惠民，水轮机原理与运行[M].中国电力出版社，2008.
[2] 四川省水利勘测设计院，紫坪铺水利枢纽工程初步设计报告，1994.
关键词：水轮机 发电机 水头 故障
中图分类号：TU457 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）04（b）-0134-02
四川成都市内的紫坪埔铺电站位于都江堰市紫坪铺镇西北60多公里的岷江上游地段。它也是上游岷江干流中六级开发的第5级电站。该电站主要是由供水和灌溉为主，同时具有防洪、旅游、供电以及环境保护等特点，也是综合效益并发的大型水利枢纽工程。该水库总容量为11.12亿m3，正常的水库库容为9.98亿m3，同时正常的蓄水位是877 m，死水位是817 m，汛限制水位为850 m。钢筋混凝土的面板堆石坝中的坝高为156 m，坝顶高位884 m，其中电站装机为4×190 MW，保障出力为168 MW，且每年的平均发电量为34.17亿kW·h。故该工程是一等项目，主要的建筑物为Ⅰ级
1 水轮发电机组特点
紫坪铺电站的水轮发电机组表面上看没有太大的难度，因为，从装机容量上看，其单机只有190 MW，从部件尺寸看，其转轮直径只有4.85 m，发电机机座号只有10.8 m，都不算很大，但电站有一个特点，其最大水头为132.76 m，最小水头为68.4 m，比值高达1.94，且其出力跨度从100 MW到240 MW，比因运行范围宽而引起全国广泛关注的三峡电站机组有过之而无不及（三峡水头变幅为113 m/61 m=1.852，出力变幅为852 MW/497 MW），因此在设计过程中便对机组在超宽运行范围内的稳定性和振动特点给予了充分的关注，采取了如下措施。
其一，为了避免机组在高水头段出现叶片进流冲角过大，要求水轮机厂家尽量提高机组的设计水头（最优水头）。
其二，由于机组最大水头超过额定水头的1.3倍，为了避免机组在高水头运行时开度较小（这种工况很可能会引发水力振动），设计了发电机最大出力，为240 MW（额定为190 MW），这样可以完全避开这个水头段可能的振动区。
其三，对于补气，除了虑常规的自然补气外，还预留了压缩空气补气接口。
其四，在作水轮机参数选择时将稳定性参数放在首位，将经济性和能量指标的先进性放在相对次要的位置。
最终紫坪铺电站的水轮机选择了由东方电机股份有限公司生产提供，他们提供的水轮机转轮部件从俄罗斯LMZ公司进口，水轮机叶片采用负倾角的“X”形叶片，以提高水轮机在高水头运行的稳定性。俄罗斯LMZ公司在水力稳定性方面的成就应该说是世界领先的。LMZ公司提供的类似电站业绩表明，在大水头变幅转轮方面他们是有丰富经验的，所提供的几个电站参数也与紫坪铺电站参数极其接近，并已运行多年，下面是这几个电站及紫坪铺的参数比较表。（如表1）
2 大变幅水头机组的水力稳定性
近年来，我国水电事业迅猛发展，单机容量越来越大，水头越来越高，水头变幅越来越大，而大型混流式机组因水头变幅过大，经常会出现振动、叶片裂纹问题，如中国的岩滩、五强溪、隔河岩、天荒坪、大朝山、小浪底等。经过研究发现：运行不稳定或水力稳定性较差的机组大多数为水头变幅大的混流式机组。这些水头大变幅机组，当额定水头太低时（Hmax/Hr≥1.15），发电机出力限制线在高水头区过分地侵入水轮机高效区，可能导致大部分高效区被发电机出力限制线限制在外。另外，当水轮机在高水头、效率低区域运行时，由于导叶开度小，出现叶片进口水流正冲角过大，造成叶片进口边负压面脱流空化而形成进水边空蚀（叶道涡），而进水边空蚀会产生很大的压力脉动，致使机组强烈振动，对水轮机破坏很大。如巴基斯坦塔贝拉水电站，当运行水头高于设计水头以上时，振动与噪音明显增大，运行2500～4000 h后发现螺丝松动，尾水管里衬开裂，叶片产生裂纹。一般情况下水轮机参数（Hmax—Hmin）/Hp≤0.3～0.4，而紫坪铺电站参数（Hmax—Hmin）/Hp=0.63。在高水头运行时，进水正冲角较大，可能会导致叶道涡产生，因此适当提高紫坪铺电站水轮机的设计水头和发电机最大出力是必要的，另外水轮机采用负倾角的“X”形叶片也可以提高水轮机在高水头运行的稳定性。为此，俄罗斯LMZ公司在2003年7、8月对紫坪铺电站的PO140转轮进行了能量、空化、稳定性、导叶水力矩、轴向水推力等性能试验。通过大量试验俄罗斯LMZ公司得出了以下结论：（1）PO140转轮效率指标比较先进，并且有较大的出力余量；（2）PO140转轮具有较好的空化指标，即使在超发工况下，水轮机也有较好的空化性能。但是，如果较长时间运行在部分负荷工况下，也将使水轮机叶片进水边背面和叶片出水边靠上冠部分及上冠部分产生较严重的气蚀；（3）PO140转轮在水头小于80 m，单位流量450～650 L/s区域有一个压力脉动较大的区域，该区域内主频下得最大压力脉动达7%，属于水力不稳定区，机组运行时应尽量避免运行在该区域，以免给机组造成损坏。
3 大变幅水头对紫坪铺水电站的影响
（1）2011年3月28日，在2#机组计划B修中，发现顶盖止漏环焊缝有严重开裂脱空情况，在3#导叶至7#导叶之间对应止漏环有宽度为0.7 mm、深度为3 mm、长度约3 m的裂缝且锈蚀严重；其它方位也有不同程度的裂纹和锈蚀现象，裂缝长度占焊缝总长度的1/5。在分析测量数据中发现，止漏环总间隙之间的差距较大，且测量数据无明显规律。在顶盖被拆出后还发现活动导叶4#、5#、6#、7#对应的顶盖止漏环表面颜色较深，有烧损迹象。针对止漏环开裂问题，电厂立即通知厂家技术人员现场检查，研究并分析顶盖止漏环焊缝开裂的原因，提出了拆除顶盖返厂，用备品更换现有的止漏环，彻底解决2#机组止漏环存在的问题。而造成紫坪铺电站2#机组顶盖止漏环焊缝严重开裂脱空的一个重要原因就是水头比值高达1.94的大变幅水头对转轮的影响。由于其水轮机在低水头35%～45%预想出力范围内，高水头40%～70%预想出力范围内压力脉动较大，造成了水轮机振动非常严重，这就使得2#机组顶盖止漏环焊缝严重开裂脱空。 （2）紫坪铺电站四台机组技术供水系统减压阀选用的是以色列DOROT减压阀膜片差压式减压阀，2006年10月5日，发现3#机组技术供水减压阀动作异常，全开后无法关闭。于是对3#机组技术供水减压阀进行了拆卸检修，发现减压阀阀杆断裂、中心导向爪损坏、阀座脱落，经更换损坏部件回装后工作正常。在2007年11月，2#机组和4#机组技术供水减压阀又相继出现了类似问题。在机组投运后不到两年时间，先后有3台机组减压阀出现了基本相同的问题，而造成这种问题一个重要的原因就是紫坪铺电厂机组水头在68.4m～132.76 m变化。最初设计考虑采用两级减压方式实现，即第一级减压至0.80 MPa，第二级减压至0.30～0.40 MPa。但由于现场管路布置条件限制，只能安装一台减压阀，因此设计最终定为一级减压，该减压阀的最大减压比为1∶3，当水头达到最大水头132.76 m时，该减压阀出口最低能调至0.46 MPa，而紫坪铺电站机组技术供水水压在0.25～0.40 MPa最为合适。因此该减压阀在技术供水系统中，经常工作于正常工作调节压力范围之外，长期工作在恶劣工况区，导致减压阀使用寿命短，容易损坏。最后紫坪铺电站对技术供水减压阀进行了改造，采用了ZJY46H-16型活塞式减压阀，该减压比能达到10∶1，所以能满足我厂68.4～132.76 m水头下，减压阀后压力为0.25～0.40 MPa的变幅范围，同时一级减压即可。
4 提高紫坪铺水轮机稳定运行的措施
对于紫坪铺电站这样水头变幅达到1.94的机组而言，应该把安全稳定运行放在首位。然而紫坪铺水电站在系统中又要担任调峰调频的任务，这对水轮机是一个严峻的挑战。
（1）从PO140转轮特性看，在水头小于80 m、单位流量450～650 L/s区域内有一个压力脉动较大的区域，该区域内主频下的最大压力脉动多达7，属水力不稳定区，机组运行时，应尽量避免运行在该区域，以免给机组造成损害。
（2）水轮机在低水头35～45预想出力范围内，高水头40～709/5预想出力范围内压力脉动较大，应尽可能避免在该区域运行。
（3）在高水头区域，应尽可能运行在大负荷工况。为适应这一工况，建设下游反调节水库对水轮机安全运行是极其有利的。
5 结语
大变幅水头对水轮发电机组的危害之大，从紫坪铺水电站的运行中便能看出，而要把大变幅水头机组的安全稳定运行放在首位，就必须从设计方面、制造方面、安装方面、运行环境方面入手，全方位考虑，把大变幅水头机组的安全稳定运行切切实实落到实处。大变幅水头在紫坪铺电站中的应用也为未来国内其他大变幅水头电站的建设和运行提供了宝贵的经验。
参考文献
[1] 于波，肖惠民，水轮机原理与运行[M].中国电力出版社，2008.
[2] 四川省水利勘测设计院，紫坪铺水利枢纽工程初步设计报告，1994.