水轮机防止抬机和减轻反水锤问题的实践与探讨

雷江逵，李建卫

（1.甘肃电投九甸峡水电开发有限责任公司，甘肃 兰州 730050；2.国投甘肃小三峡水电发电有限公司，甘肃 兰州 730050）

水轮机防止抬机和减轻反水锤问题的实践与探讨

雷江逵1，李建卫2

（1.甘肃电投九甸峡水电开发有限责任公司，甘肃 兰州 730050；2.国投甘肃小三峡水电发电有限公司，甘肃 兰州 730050）

反水锤是发生在反击式水轮发电机尾水管流道中的一种特殊水锤现象，在轴流转桨式机组中时有发生，主要表现是在机组事故停机、甩负荷、空载或空转停机过程中发生的抬机现象，更为甚者发生肢解转轮叶片、破坏水轮机顶盖的严重事故。以甘肃洮河峡城水电站机组试验为例，对反水锤的成因进行了探讨，并对取得的成果进行了说明。

水轮机；防止抬机和减轻反水锤；探讨

1 水轮机抬机原因

水轮机抬机，是指水轮机在甩负荷过程中，尾水管内出现真空，形成反水击以及水轮机进入水泵工况，产生的水泵升力因而产生反向轴向力，只要反向轴向力大于机组转动部分的总重量就会使机组转动部分被抬起一定高度，此现象称为水轮机的抬机。

造成抬机的原因可能有两种：一是机组甩负荷时，尾水管内出现反水锤引起的。导叶关闭时，由于水流的惯性作用，会在转轮室中产生一段真空，同时水流在下游水压力作用下减速停止并反向运动，撞击转轮叶片，引起向上的水力冲击，即所谓的反水锤。二是水轮机进入水泵工况，产生了向上的轴向水推力。负吸出高程的轴流式水轮机，即便导叶关闭，切断了上游来水，转轮室仍充满水，机组转动部分的惯性使转轮在水中仍然旋转，就象一个螺旋推进器，将水流向下推动，同时产生一个向上的轴向水推力，也叫水泵升力，这就是水轮机的水泵工况，当水泵升力大于机组转动部分重量时，就会造成抬机。

机组在设备制造、设备改造中采用了防抬机装置予以防范；有的电站在电站设计时为了防止抬机事故的发生，对机组尾水管的结构尺寸、机组的吸出高度、机组的效率、空化系数、机组的刚度强度进行了综合优化，从而最大限度地降低了抬机量。对于已经有抬机现象的机组，应该设法予以解决。

利用调速器功能的拓展解决水轮机抬机不失为一种有效的手段。计算机技术的发展和应用使调速器的调节控制功能有了很大的提高，调速器机械液压系统的随动性和准确性也有了很大的提高。实践证明利用调速器的调节控制功能及调节参数的调整改善机组的抬机现象非常有效。

2 峡城水电站机组结构形式

甘肃洮河峡城水电站水轮机型号LH-ZZ550-360，水轮机额定功率13 MW，额定水头16.2 m，额定流量88.4 m3/s，额定转速166.7 r/min，水轮机转轮直径3.6 m，吸出高度≤-5.02 m，尾水管长度15 820 mm，尾水管上翘角15.4°，水轮机设计抬机间隙为20 mm，调保计算导叶关闭规律：第一段关闭时间4.2 s，第二段关闭时间7 s，拐点为40%导叶开度。

3 现场反水锤试验

3.1 峡城水电站机组试验基本条件

按照调节保证计算结果对调速器进行两段关闭规律进行调整试验，两段关闭动作正确；蜗壳、机组顶盖、尾水管压力测量装置测试正确；试验人员组织到位，进行机组甩负荷试验。

3.2 试验基本现象及结果

（1）甩负荷试验主要数据（表1）

（2）甩负荷时主要现象

1）机组甩负荷后，转速随即上升，导叶在第一段关闭时，机组转速上升不是最大值，蜗壳水压上升出现最大值。

2）抬机现象没有发生在机组转速最大时，也不是机组顶盖压力最小时。

3）抬机现象主要发生在机组转速开始下降的初期。

4）抬机高度和水轮机转轮桨叶的角度有关，桨叶开度越小，抬机量越大；桨叶开度大，抬机量相对较小，但顶盖压力会急剧上升。

（5）补气阀的补气情况和抬机量对比：机组补气阀不动作，抬机现象明显严重；补气充分，抬机现象明显减轻。

（6）水轮机支持盖处防抬机块有明显碰撞痕迹。

3.3 试验现象分析

从以上试验现象可以分析出：在机组导叶紧急关闭时，由于水流的惯性作用，转轮室压力突然降低，在转轮室中产生一段真空，同时水流在下游水压力作用下减速并反向运动，撞击转轮叶片，引起向上的水力冲击，尾水管中的反向水流流向转轮受阻而形成反水锤。在这个过程中，反水锤的形成应该有两个前提：转轮室中产生一段真空，尾水管的反向水流受阻。

但在甘肃洮河峡城水电站投产试验中，尽管没有出现转轮室真空，抬机现象依然发生。分析主要原因是和电站尾水管的结构尺寸有关，设计尾水管较长，顶板上翘较大，甩负荷时尾水水流迅速回流。由于机组转动部分的重量已定，电站水工建筑物的结构已经定型，这两部分没有调整的余度，但反水锤的危害性应设法减轻或消除。

4 利用调速器的功能重新调整调节规律

对于低水头电站，可能会出现过高的反水锤压力，但一般工程在进行调节保证计算时较少用反水锤压力来确定机组导叶的关闭时间。

根据有关文献对水轮机轴向水推力的分析和计算，并结合具体的水轮机，由于转轮、流道都已固定，轴向水推力Pz和转速n、流量Q可用下式加以描述：

式中k1和k2均为常量。

不难看出，只要控制好流量Q使其和转速n保持一定的关系，就可保证轴向水推力Pz之值不会大于机组转动部分的重量G，从而避免抬机。

机组甩负荷时调速器的基本要求是：机组甩100%负荷时蜗壳水压上升率及机组转速上升率均不应超过设计值；要观察励磁系统的稳定性，甩100%负荷时，发电机机端电压超调量不大于15%，调节时间不大于5 s，电压摆动次数不超过3次；甩100%负荷时，超过稳定转速3%以上的波峰不超过2次，机组导叶第一次向开启方向移动起到稳定转速摆动值不超过±0.5%为止,调节时间不应大于40s。从微机调速器应用实践情况表明，微机调速器有可靠、准确、灵活的调节控制功能，现代技术的发展机械液压系统的随动性也越来越好，调速器电气部分和机械液压系统的配合越来越灵活。大量的甩负荷情况表明，由于调速器微机调节器具有PID调节功能，甩100%负荷时，超过稳定转速3%以上的波峰过程都只有1次。根据以上情况可以适当重新调整机组的关闭规律，设法避免机组在甩负荷时发生水轮机抬机量较大的现象。

将导叶分两段关闭改为分三段关闭，机组的转速上升率适当上调3%～5%，保证蜗壳水压不变。由于低水头电站机组转速一般较低，设计所定的转速上升值一般定在140%左右，适当调整转速上升值不会对机组转动部分造成危害。

调节基本思路是，为了控制蜗壳水压，调整导叶关闭规律和时间，机组在甩负荷时导叶第一段快关时间不变，对导叶第二段关闭进行调整，在第二段关闭导叶时将导叶不关到零位，预留5～6%的导开度。这样做的好处是蜗壳水压仍可以得到有效地控制，机组紧急停机过程尾水管不脱流，或者说尽可能避免转轮室真空现象发生。不足之处是，甩100%负荷时，超过稳定转速3%以上的波峰会出现2次，但机组导叶第一次向开启方向移动起到稳定转速摆动值不超过±0.5%。调节时间相对于两段关闭要略长，但不会超过40 s。

经过调整导叶关闭规律后，甩负荷试验测得数据满足了设计要求，转动部分抬机量也有所降低。

主要试验数据如表2：

5 防止抬机和减轻反水锤的有效方法探讨

综合上述各种情况表明，以下几种措施可以防止抬机和减轻反水锤事故。

（1）合理选择导叶关闭时间

在水电站设计中，导叶的关闭时间通常是以蜗壳水压或压力水管的要求按调节保证计算来确定的。但是，对于低水头电站，由于可能出现过高的反水锤压力，因此调节保证计算应考虑防止反水锤事故的发生来确定导叶关闭时间。

（2）合理选择调节规律

当用调节保证计算无法解决反水锤与转速升高的矛盾时，可改变导叶的关闭规律，工程中采用分段关闭导叶的方法非常有效，必要时采用三段关闭导叶，能理想地解决好这一问题。

（3）设备制造时可以适当加大补气阀的尺寸，调整补气阀的动作值，保证可靠补气。

（4）在电站设计中，合理选择尾水管结构尺寸，以降低尾水管反向水流的流速。

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1672-5387（2010）04-0011-03

2010-04-19

雷江逵，男，高级工程师，从事大型水电站建设管理工作。