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水力發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行探討

文檔作者：劉曉能文檔來源：湖南省電力公司柘溪水力發(fā)電廠		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年06月06日
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電工技術(shù)電力自動(dòng)化
水力發(fā)電機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行探討
劉曉能
(湖南省電力公司柘溪水力發(fā)電廠，湖南安化413508)
摘要：針對(duì)水電在我國發(fā)電事業(yè)中占據(jù)的重要地位，本文從水電機(jī)組電氣、機(jī)械和水力三個(gè)方面入手，提出機(jī)組運(yùn)
行時(shí)常見問題、影響和危害，并總結(jié)相應(yīng)的預(yù)防措施，以此為實(shí)現(xiàn)機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)提供具體方法。
關(guān)鍵詞：水電機(jī)組；機(jī)組電氣穩(wěn)定運(yùn)行；機(jī)組機(jī)械穩(wěn)定運(yùn)行；機(jī)組水力穩(wěn)定運(yùn)行
Discussion on the Safe and Stable Operation of Hydropower Units
LlUXiaoneng
(Zhexi Hydraulic Power Plant, Hunan Electric Power Company, Anhua 413508,China)
Abstract ： In view of the important position of hydropower in China's power generation industry , from the three electricity , machine and waterpower of hydropower units , this paper proposes the common problems , influences and hazards
m operation , and summarizes the coi^responding preventive measures , so as to provide specific methods for the safe
and stable operation of the units.
Key words： hydropower unit； stable operation of unt electricity； stable operation of machine； stable operation of waterpower
〇引言
在核電、風(fēng)電及光伏風(fēng)電所占比例日益增長(zhǎng)的局勢(shì)
下，我國水電機(jī)組正面臨著更加復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，使人們
對(duì)水電機(jī)組的關(guān)注度不斷提高，特別是機(jī)組運(yùn)行的安全性
與穩(wěn)定性。這是因?yàn)椋瑱C(jī)組實(shí)際運(yùn)行情況會(huì)對(duì)其范圍內(nèi)的
電力系統(tǒng)造成直接影響，如果機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，則勢(shì)必影
響電力系統(tǒng)正常運(yùn)行，造成不可挽回的損失。
勻。該情況下，最小氣隙具體位置一般不固定，趨于變
化。雖然動(dòng)、靜氣隙不均勻的產(chǎn)生原因不同，但影響基
本一致，都會(huì)使機(jī)組發(fā)生劇烈振動(dòng)，對(duì)安全穩(wěn)定運(yùn)行造
成影響。
預(yù)防措施為：保證機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造及安裝施工質(zhì)
量；防止轉(zhuǎn)子磁極運(yùn)行過程中發(fā)生松動(dòng)，從而杜絕氣隙不
均勻。
1 . 3 分?jǐn)?shù)槽次諧波
1 機(jī)組電氣方面運(yùn)行問題與預(yù)防措施
1 . 1 靜態(tài)氣隙不均勻
產(chǎn)生氣隙不均勻現(xiàn)象的原因有很多，如定、轉(zhuǎn)子不
圓、不同心等。在最小氣隙位置相對(duì)固定的情況下，如果
氣隙不均勻，則屬于靜態(tài)氣隙不均勻，易使氣隙磁場(chǎng)無法
保持均勻，同時(shí)定、轉(zhuǎn)子上還會(huì)產(chǎn)生一定磁拉力，導(dǎo)致發(fā)
電機(jī)劇烈振動(dòng)1 。
預(yù)防措施：對(duì)轉(zhuǎn)子圓度進(jìn)行定期、準(zhǔn)確測(cè)量，同時(shí)在
磁軛與磁極之間使用墊片予以調(diào)整；保證上機(jī)架徑向支撐
剛度；保證動(dòng)平衡準(zhǔn)確度；保證機(jī)組的制造與安裝準(zhǔn)確
度。
1 . 2 動(dòng)態(tài)氣隙不均勻
如果轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中松動(dòng)，或者是由其它原因?qū)?
致氣隙在運(yùn)行狀態(tài)無法達(dá)到均勻，則屬于動(dòng)態(tài)氣隙不均
收稿日期：2018-01-03
分?jǐn)?shù)槽繞組如圖1 所示，其磁勢(shì)不僅有主波，還有次
諧波，它和主極磁場(chǎng)發(fā)生相互作用后，產(chǎn)生行波，導(dǎo)致發(fā)
電機(jī)振動(dòng)，且振動(dòng)頻率不同。如果振動(dòng)頻率和定子機(jī)座的
固有頻率相近，則會(huì)引起鐵心振動(dòng)，最終產(chǎn)生次諧波振
動(dòng)。
預(yù)防措施為：對(duì)含有分?jǐn)?shù)槽繞組的機(jī)組幵展次諧波
預(yù)測(cè)分析，確定可能引發(fā)的機(jī)組振動(dòng)及噪音，以便制定
處理方案；對(duì)定子接線進(jìn)行優(yōu)化處理，以減小次諧波量
級(jí)。
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圖1 分?jǐn)?shù)槽繞組
Fig.l Fractional slot winding
50 l www.chinaet.net I 中國電工網(wǎng)
電力自動(dòng)化電工技術(shù)
2 機(jī)組機(jī)械方面運(yùn)行問題與預(yù)防措施
2 . 1 軸線不正與對(duì)中不良
軸線不正與對(duì)中不良主要表現(xiàn)為：上端軸與轉(zhuǎn)子中心
體未能同心；機(jī)組軸線與轉(zhuǎn)子中心體未能同心；發(fā)電機(jī)與
水輪機(jī)二者軸線不處在同一直線；機(jī)組轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)偏心或彎
曲；定、轉(zhuǎn)子未能同心；止漏環(huán)未能同心等。
考慮到以上問題都和生產(chǎn)制造及安裝施工有關(guān)，所以
加強(qiáng)生產(chǎn)制造及安裝施工過程中的質(zhì)量控制是預(yù)防這些問
題發(fā)生的有效措施[2]。
2 . 2 轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量無法達(dá)到平衡
轉(zhuǎn)動(dòng)部分質(zhì)量無法達(dá)到平衡是導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生振動(dòng)的主
要原因，可分成靜態(tài)與動(dòng)態(tài)。其中，動(dòng)態(tài)是指機(jī)組幵始運(yùn)
行時(shí)，或持續(xù)運(yùn)行一定時(shí)間后，因機(jī)組振動(dòng)導(dǎo)致零部件出
現(xiàn)位移和松動(dòng)，進(jìn)而使旋轉(zhuǎn)質(zhì)量無法達(dá)到平衡。比如，因
磁軛緊量較小，在運(yùn)行過程中產(chǎn)生徑向外移，使質(zhì)量難以
達(dá)到平衡。除此之外，如果機(jī)組轉(zhuǎn)速較高，且轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度較
大，則還會(huì)產(chǎn)生不平衡力偶。
預(yù)防措施為：根據(jù)實(shí)際要求嚴(yán)格生產(chǎn)制造，并保證安
裝施工質(zhì)量；通過對(duì)相關(guān)技術(shù)措施的合理應(yīng)用來避免磁軛
在運(yùn)行過程中發(fā)生外移；借助現(xiàn)代檢測(cè)裝置與平衡重配置
計(jì)算機(jī)軟件，幵展平衡分析試驗(yàn)，以解決質(zhì)量無法達(dá)到平
衡的問題[3]。
2 . 3 支撐、軸系剛度有待增加
如果支撐部分剛度較小，則在受到外力后極易產(chǎn)生變
形，而且變形程度往往較大；如果動(dòng)態(tài)剛度較小，則受到
力矩持續(xù)作用后，會(huì)產(chǎn)生一定程度的振動(dòng)。對(duì)此，必須對(duì)
支撐及軸系的剛度給予足夠重視，避免發(fā)生安全事故。
預(yù)防措施為：在對(duì)機(jī)組支撐及軸系進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須
增加剛度，保證機(jī)組實(shí)際運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性，嚴(yán)防為
縮減成本而擅自降低安全儲(chǔ)備[4]。
2 . 4 補(bǔ)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題
補(bǔ)氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題主要針對(duì)水斗式機(jī)組，當(dāng)其轉(zhuǎn)輪周
圍空氣脫空時(shí)，轉(zhuǎn)輪室進(jìn)入真空狀態(tài)，導(dǎo)致尾水發(fā)生倒
流，對(duì)水斗工作造成影響，間接使機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)。
預(yù)防措施為：于機(jī)殼內(nèi)側(cè)或噴管兩側(cè)增設(shè)一定數(shù)量的
補(bǔ)氣孔，確保大氣能夠順利補(bǔ)入，防止轉(zhuǎn)輪室中形成真
空。
3 機(jī)組水力方面運(yùn)行問題與預(yù)防措施
3 . 1 葉道渦
葉道渦起源于混流式水輪機(jī)遠(yuǎn)離最優(yōu)工況時(shí)葉片之間
和上冠進(jìn)口處的脫流，如圖2 所示。為增強(qiáng)機(jī)組性能，在
對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)注重增大葉片包角，使得葉道更容易集
中渦漩。葉道渦初生線是指其發(fā)生點(diǎn)連線，而葉道渦發(fā)展
線是指其發(fā)展點(diǎn)連線。一般發(fā)展線應(yīng)盡可能遠(yuǎn)離運(yùn)行作業(yè)
區(qū)，而對(duì)初生線也提出相關(guān)要求。
預(yù)防措施為：對(duì)葉片頂部葉型及上冠線形進(jìn)行合理優(yōu)
化；以機(jī)組模型特性為依據(jù)，為有效防止高水頭葉道渦的
產(chǎn)生，宜適當(dāng)提高設(shè)計(jì)水頭；在頂蓋處預(yù)留一定數(shù)量的補(bǔ)
氣孔。
3 . 2 卡門渦
當(dāng)流體從物體周圍經(jīng)過時(shí)，尾流兩側(cè)會(huì)有對(duì)稱式渦漩
產(chǎn)生，也就是所謂的卡門渦。當(dāng)水流從葉片周圍經(jīng)過時(shí)，
必定有卡門渦形成，如果渦漩尺度適宜，且吸附一定空
氣，則屬于可見渦；相反則屬于不可見渦。無論是可見渦
還是不可見渦，當(dāng)其頻率和機(jī)組部件固有頻率相對(duì)較大
時(shí)，不會(huì)引起共振；而與機(jī)組部件固有頻率相差較小時(shí)，
則會(huì)引起共振，造成一定危害，主要表現(xiàn)為：繞流部件損
壞；部件共振響應(yīng)；產(chǎn)生強(qiáng)烈噪聲。
預(yù)防措施為：適當(dāng)減薄葉片，以提高渦頻率，從而間
接防止共振；使繞流部件固有頻率與渦頻率錯(cuò)幵。而對(duì)脫
流部件而言，其脫流點(diǎn)具體位置與邊界層厚度一般很難通
過計(jì)算得出，而且葉片出水邊上不同點(diǎn)有著不同的速度，
無法對(duì)其渦頻率進(jìn)行預(yù)測(cè)，這些都需要在實(shí)際工作中得到
足夠重視[5]。
3 . 3 尾水管渦帶
針對(duì)機(jī)組水力不穩(wěn)定問題，尾水管渦帶得到了大量的
研究。當(dāng)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行和最優(yōu)工況發(fā)生偏離時(shí)，就有可能
產(chǎn)生這一現(xiàn)象。一般尾水管渦帶有很大的運(yùn)行工況范圍，
從一定水頭下4 0 % 最佳流量至8 0 % ?9 0 % 內(nèi)都有很大幾
率產(chǎn)生；在流量相對(duì)較大的情況下運(yùn)行時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生不利
的反向渦帶現(xiàn)象，一旦發(fā)生將使管中產(chǎn)生水壓脈動(dòng)，導(dǎo)致
機(jī)組發(fā)生不同程度的振動(dòng)，并發(fā)出刺耳的噪聲，嚴(yán)重時(shí)還
會(huì)引起共振。
預(yù)防措施：對(duì)混流式轉(zhuǎn)輪而言，宜選用負(fù)傾角翼，并
進(jìn)行必要的優(yōu)化處理；當(dāng)機(jī)組水頭較高時(shí)，宜選用帶有副
葉片的機(jī)組轉(zhuǎn)輪；使葉片出口環(huán)量達(dá)到最佳分布；為渦帶
運(yùn)行區(qū)提供自然補(bǔ)氣，在必要情況下進(jìn)行強(qiáng)制性補(bǔ)氣。
3 . 4 壓力脈動(dòng)
以小幵度區(qū)和機(jī)組最優(yōu)工況之間的偏離為最遠(yuǎn)，此時(shí)
(下轉(zhuǎn)第5 4 頁）
2018 |6(下)期 51
電工技術(shù)電力自動(dòng)化
離lk m ，具備自路由、自恢復(fù)、自愈合能力，但繞射及穿
透能力較弱。安裝僅需更換表通信模塊，并根據(jù)需要外接
天線即可。
4 組網(wǎng)方案
4 . 1 全載波方案
全載方式即全部電能表通過電力載波線路傳輸電能數(shù)
據(jù)至集中器處，集中器再通過GPRS或以太網(wǎng)方式將電能
數(shù)據(jù)傳輸至系統(tǒng)主站。該方式的優(yōu)點(diǎn)：充分利用電力線資
源，無需額外施工，節(jié)省投資；不用進(jìn)行專門的線路維
護(hù)，節(jié)省維護(hù)費(fèi)用和適用費(fèi)用。缺點(diǎn)是抄表不穩(wěn)定，載波
信號(hào)易受用電情況干擾，通信速率受載波通信限制。
全載方式建議使用在戶表較為分散、臺(tái)區(qū)用電負(fù)荷較
為穩(wěn)定、載波路由節(jié)點(diǎn)間距較短的臺(tái)區(qū)，例如農(nóng)村臺(tái)區(qū)、
門頭表小區(qū)、別墅小區(qū)。
4 . 2 載波/R S -48 5組網(wǎng)方案(半載方案）
RS~485總線方式是在集中器與電能表之間加人了采集
器，采集器通過RS-485總線的方式抄讀回電能數(shù)據(jù)，集
中器通過電力載波方式由采集器讀取電能數(shù)據(jù)。
半載方式建議用于有集中表箱、用電負(fù)荷較為穩(wěn)定、
載波路由節(jié)點(diǎn)間距較短的臺(tái)區(qū)。該方案可與全載波方案混
合使用，用于解決部分零散電表通信問題。
4 . 3 網(wǎng)絡(luò)采集器直采方案
網(wǎng)絡(luò)采集器直采方案為昆明局特有的居民低壓集抄方
案，該方案在采集器上加裝網(wǎng)口模塊，使采集器通過以太
網(wǎng)絡(luò)向主站傳輸電能數(shù)據(jù)。采集器下行采用R S485總線
方式，因均采用專線傳輸，最高通信速率可達(dá)lOMB/s。
網(wǎng)絡(luò)采集器直采方式建議用于有集中表箱且電信、廣
電光纖覆蓋的小區(qū)，同一接人點(diǎn)采集計(jì)量點(diǎn)越多，運(yùn)行成
本越低。
4 . 4 微功率無線方案
該方案僅需更換表通信模塊，并根據(jù)需要外接天線即
可。該方式的優(yōu)點(diǎn)是改造施工方便，運(yùn)行維護(hù)容易，設(shè)備
自組網(wǎng)絡(luò)，不需人工設(shè)置。缺點(diǎn)是微功率無線繞射及穿透
能力稍弱，阻礙過多會(huì)導(dǎo)致終端抄表不穩(wěn)定。微功率無線
方式建議用于戶表較為分散、供電范圍不大、無線需穿透
繞射建筑較少的臺(tái)區(qū)，例如農(nóng)村臺(tái)區(qū)、城鄉(xiāng)結(jié)合部。
4. 5 雙模方案
目前昆明供電局采用了以下兩種雙模式集抄方案。
(1 ) 光纖直采/微功率無線雙模方案。該方案在網(wǎng)絡(luò)采
集器直采方案的基礎(chǔ)上加裝微功率無線模塊，使采集器通
信模塊具備網(wǎng)絡(luò)通信及微功率無線通信功能，讓無法通過
RS-485方式與采集器通信的電能表具備無線通信功能，既
保證了通信不受載波信號(hào)干擾，又減少微功率無線路由層
級(jí)，保障了通信實(shí)時(shí)性
該方式建議使用在光纖直采小區(qū)，用于解決零散無法
施工電表抄表困難問題。
(2) 全載/微功率無線雙模方案。該方案在網(wǎng)絡(luò)全載方
案的基礎(chǔ)上加裝微功率無線模塊，使電能表同時(shí)具備載波
及微功率無線通信功能，自動(dòng)選擇通信較好的方式與集中
器保證通信，既保持了改造施工方便、成本低廉、運(yùn)行維
護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)，又解決了通信穩(wěn)定性不足的問題。
該方式建議使用在戶表較為分散、用電負(fù)荷較為穩(wěn)
定、載波路由節(jié)點(diǎn)間距較短、供電范圍不大、無線需穿透
繞射建筑較少的臺(tái)區(qū)。
5 結(jié)語
本文介紹了目前昆明地區(qū)電力計(jì)量自動(dòng)化終端采用的
各種通信方式及其優(yōu)缺點(diǎn)，以及各種通信方式組合應(yīng)用方
案，為電力工作人員在計(jì)量自動(dòng)化建設(shè)中提供技術(shù)參考。
(上接第5 1 頁）
在流道內(nèi)容易產(chǎn)生十分復(fù)雜且劇烈的失穩(wěn)現(xiàn)象，如空化、
漩渦及脫流等。進(jìn)而使壓力脈動(dòng)不斷増大，導(dǎo)致頻譜構(gòu)
成趨于復(fù)雜，最終產(chǎn)生一'定高頻動(dòng)應(yīng)力，造成部件破
壞。
預(yù)防措施為：對(duì)混流式機(jī)組而言，盡量避免在小開度
區(qū)進(jìn)行運(yùn)行，即便其壓力脈動(dòng)遠(yuǎn)小于渦帶，但也要進(jìn)行有
效限制；對(duì)貫通式及轉(zhuǎn)槳式機(jī)組而言，需根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)
行合理化限制。
4 結(jié)語
我國水力發(fā)電事業(yè)已經(jīng)過了百年的發(fā)展，將來必定有
更多機(jī)組投人生產(chǎn)，而更加重要的是保證機(jī)組運(yùn)行的安全
性與穩(wěn)定性。實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)機(jī)組類型、特點(diǎn)，有目的
性的預(yù)測(cè)可能發(fā)生的問題，并制定、采取行之有效的預(yù)防
措施，從而做到防范于未然，達(dá)到保證機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)
行的根本目標(biāo)。
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