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摘要：水電是清潔能源，可再生、無污染，運(yùn)行費(fèi)用低，便于電力調(diào)峰。盡管電站造價(jià)，水電成本高于火電成本約40％，然而能滿足較高的環(huán)保要求，考慮到火電廠燃料的燃燒在脫硫、脫硝、脫塵等方面所需資金約占投資的1／3，水、火電建設(shè)成本也就相差不多了。至于運(yùn)行成本，水電明顯優(yōu)于火電：水電為0．04-0．09元／kwh，而火電為0．19元／kwh(火電燃料的購買和運(yùn)輸費(fèi)用就占去50％一70％)。除了上述經(jīng)濟(jì)效益，開發(fā)水電還具有防洪、航運(yùn)、供水、灌溉、旅游等綜合效益。水電亦有其弊端，例如工程投資巨大、工期較長、投資......

水電是清潔能源，可再生、無污染，運(yùn)行費(fèi)用低，便于電力調(diào)峰。盡管電站造價(jià)，水電成本高于火電成本約40％，然而能滿足較高的環(huán)保要求，考慮到火電廠燃料的燃燒在脫硫、脫硝、脫塵等方面所需資金約占投資的1／3，水、火電建設(shè)成本也就相差不多了。至于運(yùn)行成本，水電明顯優(yōu)于火電：水電為0．04-0．09元／kwh，而火電為0．19元／kwh(火電燃料的購買和運(yùn)輸費(fèi)用就占去50％一70％)。除了上述經(jīng)濟(jì)效益，開發(fā)水電還具有防洪、航運(yùn)、供水、灌溉、旅游等綜合效益。水電亦有其弊端，例如工程投資巨大、工期較長、投資回收較慢，此外還有淹沒(文物、房屋、土地等)、移民、生態(tài)平衡等負(fù)面影響。過去美國某水電大壩已建成，又將它炸毀了；日本也建成過水電大壩，沒有炸毀，卻廢棄不用了；我國三峽工程，激烈爭論了半個(gè)世紀(jì)，經(jīng)過充分準(zhǔn)備，具有絕對把握，才下決心建成。

我國水能資源蘊(yùn)藏量約為6．76億kW，居世界第一，然而開發(fā)利用率僅為20％，水電開發(fā)潛力巨大。

2003年我國發(fā)電總量為38450萬kW，其中水電9217萬kW，火電28564萬kW，水火之比為1：3。未來很長一段時(shí)期，火電量仍將保持絕對優(yōu)勢，但水電比重將穩(wěn)步上升。發(fā)展水電，就應(yīng)解決水電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性問題。由于電站運(yùn)行工況(水頭、負(fù)荷等)的多變，常使機(jī)組偏離最優(yōu)工況運(yùn)行，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪、尾水管等部件的裂紋、開裂，甚至引起機(jī)組、廠房以及相鄰水工建筑物的共振，危及電站安全運(yùn)行，這是一個(gè)世界性的課題。我國的發(fā)電設(shè)備國家工程研究中心、哈爾濱大電機(jī)研究所、哈爾濱電機(jī)廠-有限責(zé)任公司對此已從事多年的試驗(yàn)研究，近期將以《專輯》形式公布攻關(guān)成果。本文簡要論述水電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性問題，發(fā)生事故的機(jī)理，有關(guān)預(yù)防途徑，先進(jìn)的修復(fù)措施等。

1、產(chǎn)生裂紋的機(jī)理

當(dāng)今世界水電機(jī)組單機(jī)容量和尺寸不斷增大，電站水頭變化幅度也在增大，負(fù)荷明顯加大，當(dāng)電站條件偏離甚至遠(yuǎn)離設(shè)計(jì)工況時(shí)，就會產(chǎn)生脫流和渦帶，引起水力振動(dòng)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片裂紋、尾水管撕裂。

大型水電機(jī)組多采用混流式水輪機(jī)，轉(zhuǎn)輪葉片由上冠和下環(huán)固定(不像轉(zhuǎn)漿式，葉片可調(diào)節(jié)，以適應(yīng)工況之變)。在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行，不可能同時(shí)滿足轉(zhuǎn)輪進(jìn)口和出口的最佳流動(dòng)條件，使流動(dòng)狀態(tài)不良，轉(zhuǎn)輪出口的水流環(huán)量大小和方向發(fā)生變化，在尾水管內(nèi)形成不穩(wěn)定的渦帶，由于紊亂而又不規(guī)則的渦核外表面的觸發(fā)，渦帶會出現(xiàn)突然的暫態(tài)抖動(dòng)，然后又回到原來的穩(wěn)定狀態(tài)。這種從穩(wěn)態(tài)過渡到不穩(wěn)定狀態(tài)的暫態(tài)現(xiàn)象，稱為"渦帶潰裂"，它能產(chǎn)生很大的沖擊力，但其出現(xiàn)完全沒有規(guī)律可循。這種現(xiàn)象目前還不能用現(xiàn)代最先進(jìn)的數(shù)值流動(dòng)分析宋進(jìn)行預(yù)測，而且通過模型試驗(yàn)也難以辨認(rèn)。"渦帶潰裂"引起水壓脈動(dòng)以及機(jī)組振動(dòng)，從而引發(fā)轉(zhuǎn)輪、尾水管等出現(xiàn)裂紋、開裂甚至破斷。

2發(fā)生故障的實(shí)例

當(dāng)今世界電力工業(yè)最為關(guān)心的重大科研課題是提高機(jī)組運(yùn)行可靠性。水電機(jī)組的穩(wěn)定性是指水輪機(jī)過流部件的壓力脈動(dòng)及其誘發(fā)的振動(dòng)幅值和區(qū)域，以及發(fā)電機(jī)電磁和機(jī)械等原因引起的振動(dòng)和功率擺動(dòng)、噪聲等。近年來國內(nèi)外投運(yùn)的大型機(jī)組不少都出現(xiàn)了運(yùn)行穩(wěn)定性問題。壓力脈動(dòng)是由混流式轉(zhuǎn)輪本身固有特點(diǎn)所決定的，在水力設(shè)計(jì)中也是不可能完全消除。最先進(jìn)的流體動(dòng)態(tài)解析軟件也只能限于穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，它能顯示穩(wěn)態(tài)流動(dòng)中是否出現(xiàn)渦帶，但是不能給出渦帶是否穩(wěn)定的結(jié)論。

迄今為止，國內(nèi)外的大型水電機(jī)組發(fā)生了許多諸如此類的振動(dòng)、裂紋故障，下面提供一些實(shí)例(括號數(shù)字為機(jī)組單機(jī)容量)：

2．1轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)裂紋或開裂一①二灘(582MW)；②李家峽(408．2MW)；③拉格蘭德Ⅱ(338MW，加拿大)；④小浪底(310MW)；⑤巖灘(307．1MW)；⑥白山(300MW)：⑦五強(qiáng)溪(248MW)；⑧江埡(102MW)，⑨契夫約斯(i01MW，國外)；⑩渭源(66．7MW)。

2．2尾水錐管開裂一①塔貝拉(444．6MW，巴基斯坦)：②岸灘(307．1MW)；③天生橋I(300MW)；④安康(204．1MW)：⑤潘家口(154MW)：⑥大東江(129MW)。

2．3機(jī)組振動(dòng)較大一①大古力Ⅲ(716MW，美國)，振動(dòng)區(qū)也較大，②大古力Ⅲ612MW，美國)，振動(dòng)區(qū)較大；③古里I(370，委內(nèi)瑞拉)，補(bǔ)氣運(yùn)行；④隔河巖(310MW)，振動(dòng)區(qū)擴(kuò)大；⑤山仔(15．5MW)，振動(dòng)較大，補(bǔ)氣運(yùn)行。

2．4其他情況一①磨蝕嚴(yán)重的有劉家峽(310MW)；②有待磨蝕考驗(yàn)的有萬家寨(204．1MW)；③尚未達(dá)到高水頭考驗(yàn)的有龍羊峽(326．5MW)、丹江口(154MW)；④前蘇聯(lián)布拉茨氣(220MW)因壓力脈動(dòng)產(chǎn)生水力共振導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪葉片和導(dǎo)水機(jī)機(jī)構(gòu)接力器外殼出現(xiàn)裂紋，所有轉(zhuǎn)輪葉片發(fā)生空蝕，只能剖、氣運(yùn)行；⑤巴西依太普(715／740MW)不帶400MW以下負(fù)荷運(yùn)行，即當(dāng)較低部分負(fù)荷(相當(dāng)于額定負(fù)荷的一半及更低)時(shí)，機(jī)組不投入運(yùn)行。

3．預(yù)防途徑的探討

2002年冬季一2003年春季，長江和黃河上游幾乎同時(shí)出現(xiàn)枯水。僅黃河流域在2003年1～4月份就少發(fā)電量40％；國內(nèi)有些水電站運(yùn)行多年也達(dá)不到設(shè)計(jì)發(fā)電量。電站條件的很大變化導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行在非最佳設(shè)計(jì)工況下，就會出現(xiàn)壓力脈動(dòng)、裂紋。國家缺電，不大可能停機(jī)等待適合的水力條件。按照現(xiàn)有技術(shù)水平，混流式轉(zhuǎn)輪葉片因其不可調(diào)節(jié)的固有特點(diǎn)，決定了它不適于在遠(yuǎn)離最優(yōu)設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行。三峽機(jī)組是世界上最先進(jìn)的機(jī)組，能量指標(biāo)、空化性能、效率等方面都完全符合標(biāo)書要求，然而在確保運(yùn)行穩(wěn)定性方面并不理想。首批招標(biāo)的左岸機(jī)組轉(zhuǎn)輪方案曾被駁回，國外承包廠商重新研制、改進(jìn)，結(jié)果仍是未全面滿足合同要求。最后只是有條件地接受左岸模型轉(zhuǎn)輪?，F(xiàn)在正在進(jìn)行右岸機(jī)組的招投標(biāo)，哈電提出的投標(biāo)方案在穩(wěn)定性、效率、空化、強(qiáng)度等方面滿足要求，優(yōu)于左岸轉(zhuǎn)輪。下面提出幾種預(yù)防途徑。

3.1開發(fā)設(shè)計(jì)方面

對混流式水輪機(jī)的設(shè)計(jì)要求有兩點(diǎn)：即轉(zhuǎn)輪的水流入口處應(yīng)保證水流對葉片頭部沒有撞擊，并呈正沖角：而出口處的水流方向應(yīng)為法向并帶有正環(huán)量。如果轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流沖角太大，會導(dǎo)致葉片頭部脫流、空化，形成葉道渦，進(jìn)而引起高頻或中頻水壓脈動(dòng)。這是誘發(fā)水電機(jī)組振動(dòng)的水力振源之一。脫流空化時(shí)水流對葉片為負(fù)壓，水流與葉片表面之間形成真空空腔，脫流嚴(yán)重時(shí)這種真空負(fù)壓作用是以將葉片金屬表面結(jié)晶撕裂、剝層，并導(dǎo)致空蝕破壞。另一個(gè)水力振源是當(dāng)葉片出口處水流環(huán)量過大時(shí)在尾水管內(nèi)產(chǎn)生的強(qiáng)裂渦帶，它能引起低頻壓力脈動(dòng)。因此，在水力學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)當(dāng)避免導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片出口處出現(xiàn)卡門渦和葉道渦：同時(shí)設(shè)法減小壓力脈動(dòng)和空蝕。盡量減小水頭變化幅度，使它小于平均水頭的30％一40％。還應(yīng)減小單位轉(zhuǎn)速，提高設(shè)計(jì)水頭，以避免高水頭下運(yùn)行的不穩(wěn)定性。不要單純追求高參數(shù)，運(yùn)行實(shí)踐證明，參數(shù)較低的機(jī)組，運(yùn)行穩(wěn)定性較好：參數(shù)較高則穩(wěn)定性差。比如效率要求過高，就要減少轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)目，減薄葉片厚度，從而降低了穩(wěn)定性。采用具有負(fù)傾角的"X"型葉片可以適應(yīng)較大的水頭變幅高水頭電站可采用長和短葉片，中水頭電站可增加轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)目。

除了在水力設(shè)計(jì)方面考慮上述措施外，在結(jié)構(gòu)力學(xué)設(shè)計(jì)方面也要保證強(qiáng)度、避免共振；提高剛度，降低工作應(yīng)力，以及適當(dāng)增加葉片厚度和葉片與上冠和下環(huán)的交接圓角r。不要追求重量指標(biāo)，應(yīng)保證剛度、強(qiáng)度。固定導(dǎo)葉的卡門渦頻率應(yīng)比其固有頻率高30％以上，可防止它裂紋；防止固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉的卡門渦頻率與其固有頻率接近；轉(zhuǎn)輪葉片的卡門渦頻率與轉(zhuǎn)輪的固有頻率接近；還要注意活動(dòng)導(dǎo)葉、固定導(dǎo)葉、蝸殼中的壓力脈動(dòng)頻率與其固有頻率的接近而引起的共振。

3．2制造工藝方面

水輪機(jī)過流表面的翼型，是理想的水力設(shè)計(jì)，但必須要采用先進(jìn)的制造工藝來實(shí)現(xiàn)。采用超低碳鋼精煉鑄件，轉(zhuǎn)輪葉片采用數(shù)控機(jī)床加工，減小重量和水力不平衡，采用的焊接、探傷和熱處理工藝應(yīng)能保證減小殘余應(yīng)力，以確保不產(chǎn)生裂紋。岸灘電站，轉(zhuǎn)輪葉片出口出現(xiàn)中頻壓力脈動(dòng)，引起共振，葉片出水邊裂紋。通過技術(shù)改造，采用不銹鋼轉(zhuǎn)輪，真空精煉，數(shù)控加工，提高剛強(qiáng)度，恢復(fù)正常(300MW機(jī)組)。小浪底電站裝機(jī)6臺，單機(jī)300MW，轉(zhuǎn)輪13個(gè)葉片全部出現(xiàn)穿透性裂紋，承制該水輪機(jī)的是世界企業(yè)德國伏衣特公司，也是三機(jī)組首批14臺的中標(biāo)廠商，采用專利技術(shù)，轉(zhuǎn)輪焊后不退火，焊后殘余應(yīng)力過高，導(dǎo)致裂紋，這些都是工藝方面典型的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

3.3安全運(yùn)行方面

在電站機(jī)組運(yùn)行過程中，起動(dòng)、停機(jī)、加載、卸載都應(yīng)緩慢運(yùn)行，急開急停都可能導(dǎo)致葉片產(chǎn)生裂紋。當(dāng)額定水頭值偏低時(shí)，應(yīng)提高發(fā)電機(jī)出力，以改善高水頭大負(fù)荷的穩(wěn)定性，拓寬負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍。對補(bǔ)氣系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行優(yōu)化，改善低負(fù)荷區(qū)的穩(wěn)定性。生產(chǎn)廠家根據(jù)最先進(jìn)的流體動(dòng)態(tài)觀察成像系統(tǒng)給出了圖譜，應(yīng)該重視廠家提供的穩(wěn)定運(yùn)行范圍，實(shí)現(xiàn)避振運(yùn)行。如果不能滿載運(yùn)行，也不要在較低的部分負(fù)荷下運(yùn)行，負(fù)荷低于50％以下應(yīng)引起注意。巴西依太普機(jī)組單機(jī)容量715／740MW，當(dāng)負(fù)荷低于400MW以下就不運(yùn)行了。當(dāng)然巴西電力供大于求，大部出口；我國缺電形勢嚴(yán)峻，低荷運(yùn)行爭取多發(fā)電量，可以理解，但要采取防范和搶修措施。

修復(fù)方法的改進(jìn)

水有洪水期枯水期，電站條件在不斷變化，況且當(dāng)今世界科技水平有限，還不能完全解決水電機(jī)組安全運(yùn)行問題。水壓脈動(dòng)、脫流化空蝕、振動(dòng)裂紋成為國內(nèi)外水電機(jī)組運(yùn)行的常見問題，今后也不可能完全避免。所以急需探討善后處理、搶修措施。

4．1補(bǔ)氣消振恢復(fù)運(yùn)行--向水輪機(jī)內(nèi)補(bǔ)充空氣能夠促使不穩(wěn)定的渦流達(dá)到穩(wěn)定，并能消除渦帶的旋渦或擺動(dòng)。當(dāng)補(bǔ)氣氣泡在水中潰散時(shí)還能使壓力脈動(dòng)衰減。補(bǔ)氣方法有2種：自然補(bǔ)氣和壓縮空氣補(bǔ)氣。自然補(bǔ)氣時(shí)可在尾水管壁上開孔，或通過主軸和泄水錐中心孔，也可采用穩(wěn)流板加短管或剖、氣支架等；壓縮空氣時(shí)可通過頂蓋進(jìn)行，也可通過底環(huán)或基礎(chǔ)環(huán)進(jìn)行。采用自然補(bǔ)氣可使尾水錐管處的壓力脈動(dòng)減小約30％，渦殼進(jìn)口處的減小約60％。采用壓縮空氣補(bǔ)氣效果基本上與自然補(bǔ)氣相同，但因增設(shè)空氣壓縮機(jī)而影響機(jī)組效率。

在部分負(fù)荷下運(yùn)行出現(xiàn)較大壓力脈動(dòng)和振動(dòng)時(shí)，可向?qū)~后部和轉(zhuǎn)輪葉片前部補(bǔ)氣(補(bǔ)氣量約為機(jī)組額定水流量的千分之一左右)，效果較好，國內(nèi)外許多電站(古里、塔貝拉、山仔、牛路嶺等)都采用此法。除了衰減壓力脈動(dòng)外，補(bǔ)氣還能消除水流動(dòng)態(tài)變異、脫流引起的真空、空腔、空化和空蝕破壞。日本在尾水管錐管進(jìn)口安裝幾個(gè)穩(wěn)流扳并通過其表面上的氣孔進(jìn)行補(bǔ)氣，補(bǔ)氣量約為水流量的0．3％，效果很好。布拉茨克電站向空化區(qū)補(bǔ)氣(約為水流量的0．1％～0．2％，不僅防止裂紋發(fā)生，還使空蝕強(qiáng)度減少到1／5-l／7。

4．2裂紋空蝕的補(bǔ)焊--水輪機(jī)部件、特別是轉(zhuǎn)輪的裂紋、開裂、空蝕、磨蝕等損壞部位的補(bǔ)焊、鋪焊、打磨、修型等工作量巨大，勞動(dòng)強(qiáng)度很大，還難以保證質(zhì)量。劉家峽電站2臺機(jī)組的一次大修，堆焊焊條量達(dá)7t，補(bǔ)焊、打磨面積達(dá)40m2。有的轉(zhuǎn)輪葉片裂紋在補(bǔ)焊后運(yùn)行很短時(shí)間就又開裂了。至今為止還沒有較理想的補(bǔ)焊材料?，F(xiàn)在急需研究開發(fā)高強(qiáng)度、高韌性和高抗疲勞性能的補(bǔ)焊材料。補(bǔ)焊時(shí)產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力有時(shí)高達(dá)材料本身的屈服應(yīng)力，可使抗疲勞強(qiáng)度降低80％左右。消除這種殘余拉應(yīng)力的辦法是采用應(yīng)力應(yīng)變補(bǔ)償法，最好是能產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，比如通過錘擊方法來實(shí)現(xiàn)，這樣可使焊接接頭抗疲勞強(qiáng)度提高1一2倍。

采用機(jī)器人施焊是最好的方法，可減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高效率和保證質(zhì)量。三峽機(jī)組已經(jīng)成功應(yīng)用機(jī)器人施焊，哈電機(jī)廠轉(zhuǎn)輪焊接工作量的40％是由瑞典和英國開發(fā)研制的埋弧焊接機(jī)器人來完成的。最早在電站工地現(xiàn)場采用機(jī)器人進(jìn)行補(bǔ)焊的國家是加拿大，他們80年代初開始研制、90年代初用于機(jī)坑修復(fù)轉(zhuǎn)輪葉片。法國、德國也都采用了這種具有6個(gè)自由度的機(jī)器人進(jìn)行補(bǔ)焊、打磨和修復(fù)工作。

5.結(jié)論

5．1電站水頭、負(fù)荷經(jīng)常變化；水電機(jī)組無法適應(yīng)，就會引發(fā)運(yùn)行穩(wěn)定性問題，壓力脈動(dòng)、裂紋、空蝕等成為世界性課題。

5．2當(dāng)前世界技術(shù)水平有限，在現(xiàn)實(shí)中還不能完全消除這些故障，只能從設(shè)計(jì)、工藝、運(yùn)行等方面設(shè)法改善，且效果不錯(cuò)。

5．3為了消除故障，實(shí)現(xiàn)補(bǔ)氣運(yùn)行，既有效、又實(shí)用，但是一定要注意補(bǔ)氣位置和氣量，如果補(bǔ)氣不當(dāng)，適得其反。這需要經(jīng)多次反復(fù)驗(yàn)證。

5．4三峽機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的保證措施堪稱典范，參加右岸機(jī)組投標(biāo)的法國阿爾斯通、德國伏衣特、哈電和東電四家公司的轉(zhuǎn)輪試驗(yàn)已于2003年底結(jié)束試驗(yàn)，四家公司都采用了具有負(fù)傾角的"X"葉片和帶有直管段的半錐體新型泄水錘，證明哈電轉(zhuǎn)輪優(yōu)于左岸機(jī)組轉(zhuǎn)輪。

5．5壓力脈動(dòng)值和大小，國內(nèi)外尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。廠家只能根據(jù)大量科研試驗(yàn)來減小其幅值和影響范圍。