贯流式机组低负荷运行及气蚀预防措施

　　摘要：贯流式机组转动惯量小、工作水头低、过水流量大，且是导叶、桨叶双调节，速动性能较好，但是稳定性相对较差，分析了贯流式机组负荷波动的原因。而且小型水电站经常在低负荷工况下运行，其后果会造成气蚀增加，对此采取了预防措施。

　　关键词：气蚀预防措施,水电站,水轮机,低负荷

　　小型水电站经常在低负荷工况下运行，其后果会造成气蚀增加。要从根本上避免气蚀，则必须使水轮机过流表面上每一点的压力高于气穴形成的临界值，但为了提高水轮机的运行效果，则要不断向低压、高速方向发展。另外，水轮机也需在各种环境下运行，包括有时明知要发生气蚀仍要继续运行。因此，要保证水轮机转轮有较好能量特性，气蚀现象就不可避免地会发生，只不过是有些由于叶型设计较合理，或加工质量较好，或过流部件材料较好，气蚀破坏程度不同罢了。

　　1.贯流式机组负荷波动的原因。

　　贯流式机组自投产以来存在负荷波动的情况，以红花电厂为例，如果上位机设定机组负荷为38MW时，机组的负荷经常在20~32MW之间振荡波动，在上位机设定机组负荷为10MW、35MW时偶尔也会出现波动情况。上述现象在主汛期时尤为明显，在非主汛期时也有出现。当负荷振荡波动时，调速器油泵频繁启停加载,如上位机不对负荷进行调整，振荡波动现象会一直持续。因存在该缺陷，电厂在可选择的情况下贯流式机组开机顺序落后于其他机组，发电时也尽量跳开负荷波动频繁的高效率区域。水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。

　　2.预防气蚀措施

　　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。通过对气蚀成因的分析，结合多年来在实践中处理气蚀的经验，提出如下防止或减轻水轮机气蚀的措施。

　　2.1设计制造方面。

　　2.1.1设计出合理的叶型。气蚀的形成及其有关因素都受水流内部结构所制约，而水流流动又是受叶型控制的。因此，采用合理的设计改善叶型可改进气蚀性能。例如，改善叶片的头部，使水流无撞击进人叶片流道;叶片曲面设计成光滑流线型，避免或减少水流的脱流现象;尽可能使叶片上压力分布均匀，以缩小低压区;叶片上特别是背面无鼓包，使水流平顺流畅;叶片出水边应较薄，以使正背面水流在出水边能平稳汇合;增加叶型弦长，在动量矩一定的条件下以减少正背面的压差;减小从轮毅到叶片尖端的升力系数，因为越靠近叶片尖端流速越大，压力越低，越容易产生气蚀，所以减小叶片尖的升力系数可达到缩小低压区的目的。

　　2.1.2选择合适的水轮机吸出高度。吸出高度愈小，对改善气蚀性能愈有利，但机坑开挖工程量增大，造价升高。因此，选择吸出高度，既要保证叶片背面压力最低点的压力不低于当时温度下水的气化压力，又要考虑不致于因开挖工程太大造成不必要的投资增加。

　　2.1.3提高制造工艺水平，保证加工精度。在水轮机运行中有由于翼型设计不良而使水轮机气蚀严重的情况，也常发现由于制造时翼型误差较大而加剧水轮机的气蚀。实践证明，设计出了再好的转轮翼型，若不能保证加工精度，也是不能达到预定的效果的。同一台机上的叶片之间也存在很大汽蚀差异，这足以说明加工精度对汽蚀的影响。为了提高加工工艺水平，保证使转轮叶片加工后的翼型与设计木模图一致，应使用数控铣床联入计算机的加工系统,严格控制加工精度。

　　2.1.4保证叶片表面质量和内部质量。加工工艺另一个重要的质量标准是表面质量和内部质量。实践证明，水轮机转轮叶片表面打磨粗糙、光洁度和波纹度不够标准、叶片出水边厚薄不均，这些都加速气蚀破坏和严重影响其它运行指标。另外，叶片毛呸质量和材质差，例如夹砂、气孔、疏松、裂缝等也都严重加剧气蚀。因为粗糙的过流表面会大大增加气穴发生与溃灭的概率，而且气泡在金属颗粒缝隙中溃灭比在金属表面产生更大的破坏性。此外，粗糙的表面容易产生局部应力集中，而且在很大程度上吸收弹性振动能量。因此，要求叶片特别是背面尽可能提高表面光洁度，一般应达到▽6.4～▽3.2。

　　2.1.5选用抗气蚀性能好的材料做过流部件。实践证明，不锈钢材料具有较好的抗气蚀性能，虽然造价较贵，但比起由于频繁停机检修处理气蚀而造成的电能、费用损失来说还是合算的。

　　2.2运行方面。

　　2.2.1合理确定运行方式。水轮机的运行条件主要指水头、流量(负荷)及吸出高度的变化情况。对于运行中的水轮机，由于它的装置气蚀系数不能随意地改变。因此，主要应改善水轮机的负荷，尽量避免水轮机在气蚀工况运行。

　　2.2.2对于转桨式水轮机应尽量保证在协联工况下运行。

　　2.2.3气蚀补气。补气能够形成气泡，它是一种吸收振动的减振介质。此外，补进的空气能破坏转轮下部及尾水的真空，冲散涡带，以减轻空腔气蚀的破坏。

　　2.3检修方面。

　　2.3.1对气蚀破坏部位应及时补焊，并尽量打磨光滑符合原流线，避免恶性循环。由于气蚀破坏潜伏期较长，气蚀区从初生气蚀到金属表面起毛变暗这一期间，气蚀的侵蚀强度较弱，持续时间长。这期间，及时检查及时处理气蚀痕迹能有效控制气蚀损坏，从而避免从气蚀痕迹发展为气蚀凹坑。因此，缩短检修周期，采用以小修为主的检修方法是实现零气蚀运行的有效途径。

　　2.3.2选用抗气蚀性能好的堆焊材料补焊，如采用堆507、A202、A207、A237、3oCrl3Mn12Mo等。

　　2.3.3以气蚀最轻或没有气蚀的叶型为模样，修改其它叶型，这种改型方法经试验效果很好。

　　2.3.3在叶片表面涂刷非金属抗蚀涂层。在叶片过流表面涂刷非金属抗蚀涂层，对叶片有较好的保护作用。如：以环氧为基础材料加人矿石粉或金属粉的钢性涂层;以氯丁、聚氨脂、液态橡胶及磺化聚乙烯等基本材料的弹性涂层;以粉末塑料为基本材料的热塑涂层等。

　　3.结束语。

　　经过综上所述，水电厂贯流式机组运行稳定，消除了负荷波动的缺陷。单从消除了负荷波动的缺陷考虑气蚀问题是永远不够的，今后对抗气蚀措施的研究首先应把主要精力放在对抗蚀材料的研究上，研制出抗气蚀性能和强度均优的材料;其次是在加工工艺质量方面下功夫，尽量减小加工误差;再次是设计出能量特性和气蚀特性均优的新型叶轮。

　　参考文献：

　　[1]魏守平.水轮机调节.武汉：华中科技大学出版社,2009.

　　[2]蔡卫江,陈登山,黄嘉飞.贯流机组调速器的控制策略.水电自动化与大坝监测, 2008,32(3):12-14.

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文章名称： 贯流式机组低负荷运行及气蚀预防措施

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