水轮机运行稳定性的研究与展望

水轮机运行稳定性的研究与展望
摘要：近些年来，随着科技水平的提高，我国相继在一些较大江河流域建立了
四个大型水电站。

经过专业人员的努力钻研和探索，使得巨型水轮机自身质量和
工作状态都上升到了一个新的台阶。

在本文中将以其中的两个水电站为例，对巨
型水轮机的构造特点分别给出具体的说明，也从安全性的角度对其工作状态进行
了对比，以此对巨型水轮机内部构造的升级做出预见性的总结，以期对巨型水轮
机整体的优化提供参考。

关键词：水轮机；运行稳定性；研究
引言
随着社会经济迅速发展，商业、工业以及生活等用电需求量不断增长，导致我国供电紧
张局面产生，并且传统的火力发电存在高污染和高成本等缺点，急需发展新能源来替代传统
的发电形式。

而水利发电是传统火力发电站之后最重要发电形式，水利发电成为缓解供电紧
张和克服传统火力发电缺点的重要手段。

然而水轮机主要由转轮、导叶、导水控制机构、尾
水管和蜗壳等基本部件组成，在发电运行中，各个部件能否正常工作又关系整个水轮机组的
运行稳定性，直接影响水电站的发电任务。

因此，正确对水轮机运行稳定的研究，有助于水
轮机科学合理的维护和保障水轮机高效安全的运作，具有一定的实际工程和研究价值。

1、当前水轮机运行中常见的故障
1.1、相位共振
相位共振是动静干涉引起的压力脉动通过导水流道传播至蜗壳并反射和叠加所形成的共
振现象。

影响相位共振的主要因素有流道的几何参数与流动参数，几何参数通常包括转轮叶
片数、活动导叶数、固定导叶数、蜗壳流道的等效直径等，流动参数则包括波速、流速、压
力等参数。

根据相关学者的分析张河湾机组存在相位共振的风险极高[7]。

目前对这一因素的
研究主要集中在理论分析阶段，由于影响共振发生的参数难以保证原型与模型一致，因此通
过模型试验对其进行预测尚存在很大难度，故原型观测的方式对其进行综合分析亟需开展，
以对未来新机组进行指导。

1.2、机组过速故障
所谓的机组过速故障主要是指在正常开机停机的过程中出现调速器失控而引发的机组转
速骤增现象，一般情况下，机组的转速大于铭牌上的规定数值就会增大转动部位的离心率与
摆度，进而直接导致转动部分与固定部分相碰撞脱节，经过科学的调查研究资料显示，客观
精准的超过转速是40%，如果机组带负荷运行的过程中使得负荷被甩掉，也会出现导叶关闭
过慢或失去功能引发水轮机故障（如下图1所示）。

1.3、水轮机叶片抗气蚀稳定性
当前水轮机正在向大容量、高水头、高比转速方向发展，其气蚀危害愈加明显。

气蚀会
破坏水轮机的过流部件，严重降低水轮机的出力和效率，甚至可能导致发电机组无法安全稳
定运行，气蚀已经成为影响水轮机运行稳定性的一大障碍。

由于气蚀危害的严重性，各大水
利发电研究机构都作了大量的研究，总结一些有效的防止气蚀措施。

首先，从设计制造方面，对叶片翼型进行优化设计使其运行受到水压均匀和采用新的耐蚀、耐磨材料进行叶片制造。

其次，从运行维护方面，在检修期间，找出气蚀最严重部位，对其部位进行重点修复以及特
殊涂层处理。

最后，从进水防护方面，在引水口设置防沙、沉沙及排沙设施。

由于影响气蚀
产生的条件较为复杂，虽然目前找到较多的防止气蚀的措施，但至今并没有完善解决方法，
因此有待进一步研究来提高水轮机叶片抗气蚀的稳定性。

2、水轮机运行中故障的预防
一方面预防水轮机运行中最行之有效的策略就是加强实时状态监测，旨在及时准确的发
现问题并在短时间内予以解决，强化故障处理效率，所谓强化水轮机的状态检修工作主要是
充分利用先进的计算机互联网监控系统，从宏观上实时检测、记录与分析水轮机设备的整体
运行情况与数据参数等。

此外，如果水轮机在运行中出现故障，应该在第一时间内向上级主
管部门汇报，并进行详细精确的归纳总结与反馈，因为只有提高计算机传感元件的科学灵敏
性，才能更好的确保数据的科学合理性，这有利于为后期的水轮机故障检修打下坚实的基础。

另一方面预防水轮机运行故障的另一大措施就是日常检修，通常水轮机存在小问题与小故障，大多选择在枯水季节进行统一的检修与处理，这不仅有利于充分发挥出良好的社会经济效益，减少由于停机检修产生的发电损失，还有利于尽可能满足丰水期的发电需求，需要特别注意
的是，假如定期维修工作不到位而在丰水期发现水轮机难以正常高效的运转，这会增加停机
损失，对于电网来说，只有保障一定的备用容量，才能开展机组维修工作。

3、应对水轮机运行中出现故障的有效策略
3.1、减小水轮机工况尾水管压力脉动幅值
混流式水泵水轮机由于设计时以水泵为主，水轮机工况运行时，单位转速高于最优单位
转速，在偏离最优工况运行。

由于混流式水轮机固有特性，叶片进口撞击和叶片出口有涡带
产生，从而使尾水管压力较大。

大量的工程案例表明，通过对通流部件的优化，使尾水管压
力脉动值不超过6%，可以有效保证机组安全稳定运行。

在水泵工况运行时，由于尾水管水流较平顺，压力脉动值较小，不会对稳定运行产生不利影响。

3.2、轴承瓦温度过高的处理方法
（1）如果温度快速上升，同时伴有摆度与机组振动变化幅度较大的情况，应及时紧急停机，可以拆开轴承来检查瓦面与轴承瓦间隙有无毁坏问题，更要详细排查油水管路、轴承油位、冷却水系统与测温系统有无异常。

（2）如果温度是循序渐进的缓慢上升，而且摆度与
机组振动处于正常运转的状况下可以不用停机，首先要排查油位、测温系统、冷却水流量与
压力有无异常，如果短时间内难以诊断出原因，在温度持续攀升的情况下可以立即停机检查。

3.3、水轮机出力不足的处理方法
①如果水轮机在出力不足的过程中还时常伴有异响与剧烈振动等各种波动问题，需要始
终秉持“实事求是、因地制宜”的原则理念来有针对性的诊断问题，并提出精准的应对措施；
②在水轮机满负荷运行的状态下看有无负荷波动幅度较大的现象，仔细观察水轮机的导叶有
无气蚀，更要管控好导叶的角度；③为了杜绝由于杂物堵塞水轮机而影响其正常机组出力，
必须要及时清理拦污栅中的杂质，这有利于从根本上促进水轮机运转的安全稳定性，尽可能
降低故障的发生几率。

结束语
总之，水利发电机组运行是否稳定性，不仅关系整个水电站的正常安全生产，而且影响
水电站能否承担调峰调频的重大任务，因此，对水力发电机组运行稳定性的探讨具有现实的
重大意义。

本文阐述影响水轮发电机组运行稳定性的三大方面，简单论述这些不稳定因素产
生的原因，总结目前解决不稳定因素的方法，并且分析这些方法存在的不足，根据目前国内
外学术以及实际应用最新理论，提出几点研究方向展望，希望可以为从事研究运行稳定性的
同行提供一些新的思路。

参考文献：
[1]罗成宗，张飞.大型抽水蓄能机组水力稳定性分析及其预控措施[J].水电站机电技术，2018，41（03）：1-5+15+71.
[2]张铭一.水轮机运行中的故障分析及处理措施[J].建材与装饰，2018（06）：286-287.
[3]林道远，林建兴.水轮机运行稳定性的研究与展望[J].山东工业技术，2018（01）：35.。