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摘要：水電是清潔能源，可再生、無污染，運行費用低，便于電力調峰。盡管電站造價，水電成本高于火電成本約40％，然而能滿足較高的環保要求，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、火電建設成本也就相差不多了。至于運行成本，水電明顯優于火電：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輸費用就占去50％一70％)。除了上述經濟效益，開發水電還具有防洪、航運、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，運行費用低，便于電力調峰。盡管電站造價，水電成本高于火電成本約40％，然而能滿足較高的環保要求，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、火電建設成本也就相差不多了。至于運行成本，水電明顯優于火電：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輸費用就占去50％一70％)。除了上述經濟效益，開發水電還具有防洪、航運、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、生態平衡等負面影響。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，激烈爭論了半個世紀，經過充分準備，具有絕對把握，才下決心建成。

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

2003年我國發電總量為38450萬kW，其中水電9217萬kW，火電28564萬kW，水火之比為1：3。未來很長一段時期，火電量仍將保持絕對優勢，但水電比重將穩步上升。發展水電，就應解決水電機組運行穩定性問題。由于電站運行工況(水頭、負荷等)的多變，常使機組偏離最優工況運行，從而導致轉輪、尾水管等部件的裂紋、開裂，甚至引起機組、廠房以及相鄰水工建筑物的共振，危及電站安全運行，這是一個世界性的課題。我國的發電設備國家工程研究中心、哈爾濱大電機研究所、哈爾濱電機廠-有限責任公司對此已從事多年的試驗研究，近期將以《專輯》形式公布攻關成果。本文簡要論述水電機組的運行穩定性問題，發生事故的機理，有關預防途徑，先進的修復措施等。

1、產生裂紋的機理

當今世界水電機組單機容量和尺寸不斷增大，電站水頭變化幅度也在增大，負荷明顯加大，當電站條件偏離甚至遠離設計工況時，就會產生脫流和渦帶，引起水力振動，導致轉輪葉片裂紋、尾水管撕裂。

大型水電機組多采用混流式水輪機，轉輪葉片由上冠和下環固定(不像轉漿式，葉片可調節，以適應工況之變)。在非設計工況下運行，不可能同時滿足轉輪進口和出口的最佳流動條件，使流動狀態不良，轉輪出口的水流環量大小和方向發生變化，在尾水管內形成不穩定的渦帶，由于紊亂而又不規則的渦核外表面的觸發，渦帶會出現突然的暫態抖動，然后又回到原來的穩定狀態。這種從穩態過渡到不穩定狀態的暫態現象，稱為"渦帶潰裂"，它能產生很大的沖擊力，但其出現完全沒有規律可循。這種現象目前還不能用現代最先進的數值流動分析宋進行預測，而且通過模型試驗也難以辨認。"渦帶潰裂"引起水壓脈動以及機組振動，從而引發轉輪、尾水管等出現裂紋、開裂甚至破斷。

2發生故障的實例

當今世界電力工業最為關心的重大科研課題是提高機組運行可靠性。水電機組的穩定性是指水輪機過流部件的壓力脈動及其誘發的振動幅值和區域，以及發電機電磁和機械等原因引起的振動和功率擺動、噪聲等。近年來國內外投運的大型機組不少都出現了運行穩定性問題。壓力脈動是由混流式轉輪本身固有特點所決定的，在水力設計中也是不可能完全消除。最先進的流體動態解析軟件也只能限于穩態流動，它能顯示穩態流動中是否出現渦帶，但是不能給出渦帶是否穩定的結論。

迄今為止，國內外的大型水電機組發生了許多諸如此類的振動、裂紋故障，下面提供一些實例(括號數字為機組單機容量)：

2．1轉輪葉片出現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機組振動較大一①大古力Ⅲ(716MW，美國)，振動區也較大，②大古力Ⅲ612MW，美國)，振動區較大；③古里I(370，委內瑞拉)，補氣運行；④隔河巖(310MW)，振動區擴大；⑤山仔(15．5MW)，振動較大，補氣運行。

2．4其他情況一①磨蝕嚴重的有劉家峽(310MW)；②有待磨蝕考驗的有萬家寨(204．1MW)；③尚未達到高水頭考驗的有龍羊峽(326．5MW)、丹江口(154MW)；④前蘇聯布拉茨氣(220MW)因壓力脈動產生水力共振導致轉輪葉片和導水機機構接力器外殼出現裂紋，所有轉輪葉片發生空蝕，只能剖、氣運行；⑤巴西依太普(715／740MW)不帶400MW以下負荷運行，即當較低部分負荷(相當于額定負荷的一半及更低)時，機組不投入運行。

3．預防途徑的探討

2002年冬季一2003年春季，長江和黃河上游幾乎同時出現枯水。僅黃河流域在2003年1～4月份就少發電量40％；國內有些水電站運行多年也達不到設計發電量。電站條件的很大變化導致機組運行在非最佳設計工況下，就會出現壓力脈動、裂紋。國家缺電，不大可能停機等待適合的水力條件。按照現有技術水平，混流式轉輪葉片因其不可調節的固有特點，決定了它不適于在遠離最優設計工況下運行。三峽機組是世界上最先進的機組，能量指標、空化性能、效率等方面都完全符合標書要求，然而在確保運行穩定性方面并不理想。首批招標的左岸機組轉輪方案曾被駁回，國外承包廠商重新研制、改進，結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輪。現在正在進行右岸機組的招投標，哈電提出的投標方案在穩定性、效率、空化、強度等方面滿足要求，優于左岸轉輪。下面提出幾種預防途徑。

3.1開發設計方面

對混流式水輪機的設計要求有兩點：即轉輪的水流入口處應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為法向并帶有正環量。如果轉輪進口水流沖角太大，會導致葉片頭部脫流、空化，形成葉道渦，進而引起高頻或中頻水壓脈動。這是誘發水電機組振動的水力振源之一。脫流空化時水流對葉片為負壓，水流與葉片表面之間形成真空空腔，脫流嚴重時這種真空負壓作用是以將葉片金屬表面結晶撕裂、剝層，并導致空蝕破壞。另一個水力振源是當葉片出口處水流環量過大時在尾水管內產生的強裂渦帶，它能引起低頻壓力脈動。因此，在水力學設計時應當避免導葉和轉輪葉片出口處出現卡門渦和葉道渦：同時設法減小壓力脈動和空蝕。盡量減小水頭變化幅度，使它小于平均水頭的30％一40％。還應減小單位轉速，提高設計水頭，以避免高水頭下運行的不穩定性。不要單純追求高參數，運行實踐證明，參數較低的機組，運行穩定性較好：參數較高則穩定性差。比如效率要求過高，就要減少轉輪葉片數目，減薄葉片厚度，從而降低了穩定性。采用具有負傾角的"X"型葉片可以適應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輪葉片數目。

除了在水力設計方面考慮上述措施外，在結構力學設計方面也要保證強度、避免共振；提高剛度，降低工作應力，以及適當增加葉片厚度和葉片與上冠和下環的交接圓角r。不要追求重量指標，應保證剛度、強度。固定導葉的卡門渦頻率應比其固有頻率高30％以上，可防止它裂紋；防止固定導葉和活動導葉的卡門渦頻率與其固有頻率接近；轉輪葉片的卡門渦頻率與轉輪的固有頻率接近；還要注意活動導葉、固定導葉、蝸殼中的壓力脈動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

水輪機過流表面的翼型，是理想的水力設計，但必須要采用先進的制造工藝來實現。采用超低碳鋼精煉鑄件，轉輪葉片采用數控機床加工，減小重量和水力不平衡，采用的焊接、探傷和熱處理工藝應能保證減小殘余應力，以確保不產生裂紋。岸灘電站，轉輪葉片出口出現中頻壓力脈動，引起共振，葉片出水邊裂紋。通過技術改造，采用不銹鋼轉輪，真空精煉，數控加工，提高剛強度，恢復正常(300MW機組)。小浪底電站裝機6臺，單機300MW，轉輪13個葉片全部出現穿透性裂紋，承制該水輪機的是世界企業德國伏衣特公司，也是三機組首批14臺的中標廠商，采用專利技術，轉輪焊后不退火，焊后殘余應力過高，導致裂紋，這些都是工藝方面典型的經驗教訓。

3.3安全運行方面

在電站機組運行過程中，起動、停機、加載、卸載都應緩慢運行，急開急停都可能導致葉片產生裂紋。當額定水頭值偏低時，應提高發電機出力，以改善高水頭大負荷的穩定性，拓寬負荷調節范圍。對補氣系統應進行優化，改善低負荷區的穩定性。生產廠家根據最先進的流體動態觀察成像系統給出了圖譜，應該重視廠家提供的穩定運行范圍，實現避振運行。如果不能滿載運行，也不要在較低的部分負荷下運行，負荷低于50％以下應引起注意。巴西依太普機組單機容量715／740MW，當負荷低于400MW以下就不運行了。當然巴西電力供大于求，大部出口；我國缺電形勢嚴峻，低荷運行爭取多發電量，可以理解，但要采取防范和搶修措施。

修復方法的改進

水有洪水期枯水期，電站條件在不斷變化，況且當今世界科技水平有限，還不能完全解決水電機組安全運行問題。水壓脈動、脫流化空蝕、振動裂紋成為國內外水電機組運行的常見問題，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補氣消振恢復運行--向水輪機內補充空氣能夠促使不穩定的渦流達到穩定，并能消除渦帶的旋渦或擺動。當補氣氣泡在水中潰散時還能使壓力脈動衰減。補氣方法有2種：自然補氣和壓縮空氣補氣。自然補氣時可在尾水管壁上開孔，或通過主軸和泄水錐中心孔，也可采用穩流板加短管或剖、氣支架等；壓縮空氣時可通過頂蓋進行，也可通過底環或基礎環進行。采用自然補氣可使尾水錐管處的壓力脈動減小約30％，渦殼進口處的減小約60％。采用壓縮空氣補氣效果基本上與自然補氣相同，但因增設空氣壓縮機而影響機組效率。

在部分負荷下運行出現較大壓力脈動和振動時，可向導葉后部和轉輪葉片前部補氣(補氣量約為機組額定水流量的千分之一左右)，效果較好，國內外許多電站(古里、塔貝拉、山仔、牛路嶺等)都采用此法。除了衰減壓力脈動外，補氣還能消除水流動態變異、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口安裝幾個穩流扳并通過其表面上的氣孔進行補氣，補氣量約為水流量的0．3％，效果很好。布拉茨克電站向空化區補氣(約為水流量的0．1％～0．2％，不僅防止裂紋發生，還使空蝕強度減少到1／5-l／7。

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

采用機器人施焊是最好的方法，可減輕勞動強度、提高效率和保證質量。三峽機組已經成功應用機器人施焊，哈電機廠轉輪焊接工作量的40％是由瑞典和英國開發研制的埋弧焊接機器人來完成的。最早在電站工地現場采用機器人進行補焊的國家是加拿大，他們80年代初開始研制、90年代初用于機坑修復轉輪葉片。法國、德國也都采用了這種具有6個自由度的機器人進行補焊、打磨和修復工作。

5.結論

5．1電站水頭、負荷經常變化；水電機組無法適應，就會引發運行穩定性問題，壓力脈動、裂紋、空蝕等成為世界性課題。

5．2當前世界技術水平有限，在現實中還不能完全消除這些故障，只能從設計、工藝、運行等方面設法改善，且效果不錯。

5．3為了消除故障，實現補氣運行，既有效、又實用，但是一定要注意補氣位置和氣量，如果補氣不當，適得其反。這需要經多次反復驗證。

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

5．5壓力脈動值和大小，國內外尚無統一標準。廠家只能根據大量科研試驗來減小其幅值和影響范圍。