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摘 要：随着我国水利事业的快速发展，对水力发电机组整体运行也提出更高的要求。尤其近年来的的水力发电机组运行中因水力、机械以及电气等引起的不稳定运行情况频繁出现，极易造成整个系统难以发挥其应有的功能，更无从谈及实现经济效益与社会效益共同提高的目标。对此，本文将对水力、机械以及电气三方面分析影响发电机组安全运行的原因及相应的解决策略进行探析。
关键词：水力发电机组；运行；原因；指标
前言：不可否认我国近年来在水电发展方面取得的突破性的成就，如在装机规模方面，典型的白鹤滩、三峡等水电在都超出千万千瓦，且在单机容量上呈现逐年上升趋势。但因电网建设中新能源的应用如风能、核能等比重逐渐增大，使发电机组处于较为复杂的运行环境，一旦以不安全、不稳定的转改运行将使整个电力系统受到影响，甚至瘫痪。因此，正确分析水力发电机组不稳定运行的原因并提出对应的防治措施成为当前水力发电建设中需考虑的重要内容。
一、从水力角度分析影响发电机组运行的原因与对策
（一）对称涡旋与叶道涡问题
关于对称漩涡，其又被称为卡门涡，通常在轮转叶片、水轮机导叶处有水流途经时便可发生此现象。若卡门涡在具有较为合适的尺度且可对流体内空气进行吸附，将称其为可见涡，而尺度不合理且无法吸附空气的则为不可见涡。无论哪种漩涡，假定其频率接近绕流部件频率便易出现共振现象。如传统洪门水轮机，其在共振中便可能使整体部件出现疲劳破坏情况，严重情况下叶片将直接出现裂纹。再如许多水力发电中共振下将出现严重的噪声，尤其叶片频率、卡门涡频率二者达到耦合状态，噪声将更为明显。对其可采取的解决策略主要需从叶片厚度着手，通过卡门涡频率的提高使共振得以避开，也可对相关频率进行进行预测计算，通过频率比较以解决共振问题。另外，在叶道涡问题方面，其主要指混流式水轮机无法保持良好运行状态时产生的脱流情况，其危害更多表现在叶片出现裂纹、振动较为强烈等方面。要求做好叶片叶型的优化，并在水轮机模型方面进行改善以使叶道涡得以避开，或直接采取空气补气孔的预留，也可达到设计的目标。实际上，混流式水轮机在应用中也存在尾水管涡带的问题，其可能导致管内水压出现脉动情况，机组整体噪声与振动都较为明显，需要从叶片出口环量、水轮机转轮方面着手进行优化，或直接利用强迫补气的方式[1]。
（二）压力脉动问题的存在
压力脉动问题多表现在小开度区与高部分负荷情况下。其中小开度区出现的水利不稳定多受流道中脱流、漩涡等问题影响，在压力脉动幅值增大的情况下使频谱构成逐渐复杂，其危害主要在于造成部件疲劳破坏。一般在预防过程中对于脱流、漩涡等小开度区应避免混流式水轮机运行，且对其他包括贯流式、转浆式等类型水轮机也需采取相应的限制策略。另外，在高部分负荷状态下，通常尾水位不断变化下便可能导致压力脉动表现出较多的差异。对其可采取的解决措施主要集中在优化水力设计并通过避阵运行的方式实现压力脉动消除的目标[2]。
（三）不稳定情况在多度中的存在
对于多度，其主要指发电机组在负荷变化、启动或停止工作中发生的变化情况，此时水轮机运行中将表现出极为复杂的水流状态。其直接导致高频动应力在转轮部件中出现，或机组整体发生振动问题。其中在启动状态下，振动危害多表现在上冠、叶片相交位置有裂纹问题的存在，可通过压缩空气的补入或导叶开启的优化以达到稳定运行的目标。而对于负荷压力下存在的不稳定问题，其多会造成机组各部振动情况过大，且机组转速、输水系统压力等各方面都将出现变化。要求通过对输水系统、导叶与节水阀等各部件的调节完成优化过程。另外，对于停机引起的不稳定问题，需要做好机组转速控制以及跳动现象的消除以解决振动问题[3]。
二、从机械角度分析影响发电机组运行的原因与对策
从机械角度自身，影响发电机组稳定运行的因素主要体现在其各部件的性能方面，具体包括：第一，发电机组转动部分问题。机组振动问题的出现多表现在质量不平衡方面，对其可细化为动态质量不平衡、静态质量不平衡两方面。以其中动态质量不平衡为典型代表，机组运行中零部件因振动而发生位移，便出现质量不平衡。可采取的措施主要集中在保证安装质量的基础上通过相关软件的引入进行动平衡试验，确保转动部分问题得以解决。第二，因机组轴线偏离而引起的不稳定运行问题。机组中转轴通常出现轴心不在同一条直线的情况或水斗、喷管难以对应问题，要求在安装制造过程中保证其精度。第三，支撑结构问题。发电机组出现振动问题多因支撑结构在刚度上发生变化，如其静态刚度无法满足运行要求时，因外力荷载会使机组结构发生变形，而在动态刚度难以满足运行要求情况下便会使振动问题更为严重。对其可采取的解决策略主要表现在设计支撑结构中便保证动态与静态刚度保持足够，避免存在为节约材料成本而使安全裕度减少。第四，因导轴承缺陷引起的振动问题。现行许多水力发电中引入的大型卧式机组，一旦出现轴承设计不合理且存在外力干扰，便容易发生油膜振荡问题。因此，在预防中应从轴承支架设计方面着手，通过对轴瓦冷态间隙的调整使支架刚度提高，这样可达到稳定运行的目标。除此之外，现行大中型水力发电机组也存在其他如轴密封不当、补气系统设计问题，要求采取针对性的解决策略以保证发电机组稳定运行[4]。
三、从电气角度分析影响发电机组运行的原因与对策
发电机組因电气问题而无法稳定运行的根源主要可归纳为以下几方面。首先，在静态气隙方面。通常转子、定子无法保持同心的情况下可能引起气隙不均匀，从发电机组实际运行状况便可看出，尽管安装中间隙可符合相关标准，但在分布形式上，大、小间隙多以空间集中为主。对其，在解决过程中需要做好转自愿赌的测量、机架支撑刚度的增加以及安装精度的保证等工作。其次，在动态气隙方面。其产生的原因主要体现在发电机运行中出现转子磁极松动问题，如典型的灯泡贯流式类型，设计过程中便因气隙偏小而产生转子扫膛现象。需要保证安装设计质量的同时，有效控制转子磁极的运行，避免松动情况的出现。再次，次谐波的存在。分数槽绕组在系统运行中产生的谐波可分为主波与较多次谐波，其中次谐波极易与主极磁场发生作用，出现更多行波，进而影响发电机频率。实际预防过程中要求做好次谐波分析工作，判断其可能引起的噪声与振动，并做好定子接线方式的优化。最后，定子铁心问题。一般发电机组运行中往往受电磁力影响，该过程中便易出现铁心冲片松动情况，若热膨胀作用较为明显，铁心可能发生瓢曲，相关噪声、振动问题由此出现。实际预防中应做好材料的选取工作，使冲片、冲片漆等具备较高质量，或在铁心结构上进行优化，通过可径向浮动形式可解决飘曲等问题[5]。
结论：发电机组稳定运行是提升水力发电整体效益的重要途径。为达到稳定运行的目标，要求从电气、机械以及水力等各方面对发电机组不稳定运行原因进行分析，并提出相应的解决策略。除此之外，现行关于发电机组稳定运行问题，还需引入相应的评价标准，对于发电机组性能的保障可起到至关重要的作用。
参考文献：
[1]樊世英. 大中型水力发电机组的安全稳定运行分析[J]. 中国电机工程学报，2012，09：140-148.
[2]黄剑峰. 水轮机内部非定常湍流的数值模拟研究[D].昆明理工大学，2013.
[3]肖孝锋. 水轮发电机组气隙监测与转轮应力测试研究[D].华中科技大学，2006.
[4]刘娟. 大型水轮发电机组关键部件动力特性分析[D].湖南大学，2013.
[5]孔祥彬. 水轮发电机组状态监测与故障诊断系统设计与应用[D].西安理工大学，2010.
关键词：水力发电机组；运行；原因；指标
前言：不可否认我国近年来在水电发展方面取得的突破性的成就，如在装机规模方面，典型的白鹤滩、三峡等水电在都超出千万千瓦，且在单机容量上呈现逐年上升趋势。但因电网建设中新能源的应用如风能、核能等比重逐渐增大，使发电机组处于较为复杂的运行环境，一旦以不安全、不稳定的转改运行将使整个电力系统受到影响，甚至瘫痪。因此，正确分析水力发电机组不稳定运行的原因并提出对应的防治措施成为当前水力发电建设中需考虑的重要内容。
一、从水力角度分析影响发电机组运行的原因与对策
（一）对称涡旋与叶道涡问题
关于对称漩涡，其又被称为卡门涡，通常在轮转叶片、水轮机导叶处有水流途经时便可发生此现象。若卡门涡在具有较为合适的尺度且可对流体内空气进行吸附，将称其为可见涡，而尺度不合理且无法吸附空气的则为不可见涡。无论哪种漩涡，假定其频率接近绕流部件频率便易出现共振现象。如传统洪门水轮机，其在共振中便可能使整体部件出现疲劳破坏情况，严重情况下叶片将直接出现裂纹。再如许多水力发电中共振下将出现严重的噪声，尤其叶片频率、卡门涡频率二者达到耦合状态，噪声将更为明显。对其可采取的解决策略主要需从叶片厚度着手，通过卡门涡频率的提高使共振得以避开，也可对相关频率进行进行预测计算，通过频率比较以解决共振问题。另外，在叶道涡问题方面，其主要指混流式水轮机无法保持良好运行状态时产生的脱流情况，其危害更多表现在叶片出现裂纹、振动较为强烈等方面。要求做好叶片叶型的优化，并在水轮机模型方面进行改善以使叶道涡得以避开，或直接采取空气补气孔的预留，也可达到设计的目标。实际上，混流式水轮机在应用中也存在尾水管涡带的问题，其可能导致管内水压出现脉动情况，机组整体噪声与振动都较为明显，需要从叶片出口环量、水轮机转轮方面着手进行优化，或直接利用强迫补气的方式[1]。
（二）压力脉动问题的存在
压力脉动问题多表现在小开度区与高部分负荷情况下。其中小开度区出现的水利不稳定多受流道中脱流、漩涡等问题影响，在压力脉动幅值增大的情况下使频谱构成逐渐复杂，其危害主要在于造成部件疲劳破坏。一般在预防过程中对于脱流、漩涡等小开度区应避免混流式水轮机运行，且对其他包括贯流式、转浆式等类型水轮机也需采取相应的限制策略。另外，在高部分负荷状态下，通常尾水位不断变化下便可能导致压力脉动表现出较多的差异。对其可采取的解决措施主要集中在优化水力设计并通过避阵运行的方式实现压力脉动消除的目标[2]。
（三）不稳定情况在多度中的存在
对于多度，其主要指发电机组在负荷变化、启动或停止工作中发生的变化情况，此时水轮机运行中将表现出极为复杂的水流状态。其直接导致高频动应力在转轮部件中出现，或机组整体发生振动问题。其中在启动状态下，振动危害多表现在上冠、叶片相交位置有裂纹问题的存在，可通过压缩空气的补入或导叶开启的优化以达到稳定运行的目标。而对于负荷压力下存在的不稳定问题，其多会造成机组各部振动情况过大，且机组转速、输水系统压力等各方面都将出现变化。要求通过对输水系统、导叶与节水阀等各部件的调节完成优化过程。另外，对于停机引起的不稳定问题，需要做好机组转速控制以及跳动现象的消除以解决振动问题[3]。
二、从机械角度分析影响发电机组运行的原因与对策
从机械角度自身，影响发电机组稳定运行的因素主要体现在其各部件的性能方面，具体包括：第一，发电机组转动部分问题。机组振动问题的出现多表现在质量不平衡方面，对其可细化为动态质量不平衡、静态质量不平衡两方面。以其中动态质量不平衡为典型代表，机组运行中零部件因振动而发生位移，便出现质量不平衡。可采取的措施主要集中在保证安装质量的基础上通过相关软件的引入进行动平衡试验，确保转动部分问题得以解决。第二，因机组轴线偏离而引起的不稳定运行问题。机组中转轴通常出现轴心不在同一条直线的情况或水斗、喷管难以对应问题，要求在安装制造过程中保证其精度。第三，支撑结构问题。发电机组出现振动问题多因支撑结构在刚度上发生变化，如其静态刚度无法满足运行要求时，因外力荷载会使机组结构发生变形，而在动态刚度难以满足运行要求情况下便会使振动问题更为严重。对其可采取的解决策略主要表现在设计支撑结构中便保证动态与静态刚度保持足够，避免存在为节约材料成本而使安全裕度减少。第四，因导轴承缺陷引起的振动问题。现行许多水力发电中引入的大型卧式机组，一旦出现轴承设计不合理且存在外力干扰，便容易发生油膜振荡问题。因此，在预防中应从轴承支架设计方面着手，通过对轴瓦冷态间隙的调整使支架刚度提高，这样可达到稳定运行的目标。除此之外，现行大中型水力发电机组也存在其他如轴密封不当、补气系统设计问题，要求采取针对性的解决策略以保证发电机组稳定运行[4]。
三、从电气角度分析影响发电机组运行的原因与对策
发电机組因电气问题而无法稳定运行的根源主要可归纳为以下几方面。首先，在静态气隙方面。通常转子、定子无法保持同心的情况下可能引起气隙不均匀，从发电机组实际运行状况便可看出，尽管安装中间隙可符合相关标准，但在分布形式上，大、小间隙多以空间集中为主。对其，在解决过程中需要做好转自愿赌的测量、机架支撑刚度的增加以及安装精度的保证等工作。其次，在动态气隙方面。其产生的原因主要体现在发电机运行中出现转子磁极松动问题，如典型的灯泡贯流式类型，设计过程中便因气隙偏小而产生转子扫膛现象。需要保证安装设计质量的同时，有效控制转子磁极的运行，避免松动情况的出现。再次，次谐波的存在。分数槽绕组在系统运行中产生的谐波可分为主波与较多次谐波，其中次谐波极易与主极磁场发生作用，出现更多行波，进而影响发电机频率。实际预防过程中要求做好次谐波分析工作，判断其可能引起的噪声与振动，并做好定子接线方式的优化。最后，定子铁心问题。一般发电机组运行中往往受电磁力影响，该过程中便易出现铁心冲片松动情况，若热膨胀作用较为明显，铁心可能发生瓢曲，相关噪声、振动问题由此出现。实际预防中应做好材料的选取工作，使冲片、冲片漆等具备较高质量，或在铁心结构上进行优化，通过可径向浮动形式可解决飘曲等问题[5]。
结论：发电机组稳定运行是提升水力发电整体效益的重要途径。为达到稳定运行的目标，要求从电气、机械以及水力等各方面对发电机组不稳定运行原因进行分析，并提出相应的解决策略。除此之外，现行关于发电机组稳定运行问题，还需引入相应的评价标准，对于发电机组性能的保障可起到至关重要的作用。
参考文献：
[1]樊世英. 大中型水力发电机组的安全稳定运行分析[J]. 中国电机工程学报，2012，09：140-148.
[2]黄剑峰. 水轮机内部非定常湍流的数值模拟研究[D].昆明理工大学，2013.
[3]肖孝锋. 水轮发电机组气隙监测与转轮应力测试研究[D].华中科技大学，2006.
[4]刘娟. 大型水轮发电机组关键部件动力特性分析[D].湖南大学，2013.
[5]孔祥彬. 水轮发电机组状态监测与故障诊断系统设计与应用[D].西安理工大学，2010.