第二節 水輪機運行

一、水輪機工況及特性曲線

（一）水輪機運行工況

水輪機工作的水頭、流量、出力、轉速等工作參數，在水輪機的運行過程中隨時發生變化，轉輪內的水流流態也是不斷變化的，我們把水輪機運行中這種不斷變化工作狀態稱為水輪機運行工況。不同的運行工況，對水輪機的性能有很大的影響。其中效率最高的工況，稱為最優工況。最優工況以外的工況，稱為非最優工況（一般工況）。

水輪機最優工況時，能量轉換最充分，水力損失最小。在水輪機的各項損失中，水力損失是最主要的。在水力損失中，局部撞擊損失和漩渦、脫流損失的比重很大。水輪機流道設計時，要按水力損失最小的工況作為依據。水輪機最優工況的必要條件，是無撞擊進口和法向出水。

（二）水輪機的特性曲線

表示水輪機各參數之間相互關系的曲線稱為水輪機的特性曲線。水輪機的特性曲線可分為線性特性曲線和綜合特性曲線兩類。

表示兩個參數之間關系的特性曲線稱為線性特性曲線。線性特性曲線按其所表達的內容不同，又分為轉速特性曲線、工作特性曲線和水頭特性曲線。其中，工作特性曲線在實際運行中有一定的指導意義。

表示水輪機工作在固定的轉速和水頭下的特性而繪制的曲線，稱為水輪機工作特性曲線，如圖2-26所示。

水輪機的工作特性曲線有三個重要的特征點：

（1）當功率為零時，流量不為零，此處的流量Q稱為空載流量，對應的導葉開度稱空載開度。這時的流量很小，水流作用于轉輪的力矩僅夠克服阻力而維持轉輪以額定轉速旋轉，沒有輸出功率。

（2）效率最高點對應的流量為最優流量。

（3）功率曲線最高點處的功率，稱為極限功率，對應的流量稱為極限流量。

三種工作特性曲線可以相互轉換，將一種形式變換成任何其他一種形式。從任何一種工作特性曲線上都可以看出水輪機的空載開度及所對應的流量，也可以看出水輪機的最優工況所對應的水輪機導水葉開度、流量與出力。

（三）綜合特性曲線

能反映水輪機各參數變化的曲線稱為綜合特性曲線。綜合特性曲線又分為模型（主要）綜合特性曲線和運轉綜合特性曲線。

1.模型（主要）綜合特性曲線

根據水輪機相似理論，在以n′₁為縱坐標和以Q′₁為橫坐標的坐標系中，通過模型試驗，計算繪出等效率線η=f（n′₁,Q′₁）、等導葉開度線a₀=f（n′₁,Q′₁）等汽蝕系數線σ=f（n′₁,Q′₁）及相應出力限制線。該坐標系中的任意一點就表示了該輪系水輪機的一個工況（工作狀態）。由這些曲線所組成的圖形就可全面反映該輪系水輪機的特性，這個圖形就稱為水輪機的模型（主要）綜合特性曲線。圖2-27~圖2-30為不同類型水輪機的模型（主要）綜合特性曲線示例。模型（主要）綜合特性曲線是由模型試驗得出的，反映的是模型水輪機的全面特性，因此，在換算為原型參數時需進行修正。

2.運轉綜合特性曲線

模型（主要）綜合特性曲線雖然能全面反映水輪機的特性，但只能顯示某個水輪機轉輪輪系的綜合特性，不能直觀地反映水電站真實水輪機主要參數之間的關系，查用不便。運轉綜合特性曲線是表示某一真實運行水輪機（D₁和n為定值）各主要運行參數之間的關系曲線，即在以H、N為縱橫坐標的坐標系中，繪出等效率曲線、等吸出高度曲線及出力限制線等，如圖2-31所示。運轉綜合特性曲線一般由水輪機廠家提供，是由模型（主要）綜合特性曲線根據水電站實際運行參數通過水輪機相似理論換算繪出。圖中出力限制線受兩方面的影響：水頭較高時，水輪機出力較大，此時出力受發電機容量限制，其限制線為一條豎直線；水頭較低時，水輪機出力較小，達不到發電機額定容量，此時出力受水輪機最大過流能力、抗空蝕性能、效率等限制，限制線近于一條斜直線。所以在運轉綜合特性曲線上，出力限制線為一折線，折點處對應的水頭即為水輪機達到額定出力的最小水頭，也就是水輪機的設計水頭。混流式水輪機的出力限制線由5%出力限制線換算而來，而轉槳式水輪機則是受空蝕性能的限制。運轉綜合特性曲線對水輪機的選型，特別是水輪機的經濟運行都有著重要意義。

特別需要說明的是：運轉綜合特性曲線是原型水輪機的特性曲線，曲線上的數據均反映真實水輪機在某一工況的實際運行參數。

二、水輪機的空蝕、吸出高度與安裝高程

（一）空蝕

1.空蝕現象

液態水轉化為氣態水時我們通常稱為汽化現象。汽化現象產生既與水溫有關也與壓力有關，壓力越低，水開始汽化的溫度越低。水在某一溫度下開始汽化的臨界壓力稱為該溫度下的汽化壓力。水在各種溫度下的汽化壓力值見表2-1。

由上述可見，對于一定溫度的水，當壓力下降到某一汽化壓力時，水就開始產生汽化現象。通過水輪機的水流，如果在某些地方流速增高了，根據水力學的能量方程知道，必然引起該處的局部壓力降低，如果該處水流速度增加很大，以致壓力降低到在該水溫下的汽化壓力時，則此低壓區的水就開始局部汽化產生大量氣泡，同時水體中存在的許多肉眼看不見的氣核體積驟然增大也形成可見氣泡，這些氣泡隨著水流進入高壓區（壓力高于汽化壓力）時，氣泡瞬時破滅。由于氣泡中心壓力較低，氣泡周圍的水質點將以很高的速度向氣泡中心撞擊形成巨大的壓力（可達幾百甚至上千個大氣壓力），并以很高的頻率沖擊金屬表面。在初始階段，由于金屬材料固有的抵御能力，一般表現為表面失去光澤而變暗；而后隨著時間的推移，表面變毛糙并逐漸出現麻點；接作表面逐漸形成疏松的海綿蜂窩狀，嚴重時甚至可能造成水輪機葉片的穿孔破壞。上述物理電化學作用破壞現象就稱為空蝕現象，簡稱空蝕。

2.空蝕的危害

空蝕對水輪機的運行主要有下列危害：

（1）降低水輪機效率，減小出力。

（2）破壞水輪機過流部件，影響機組壽命。

（3）產生強烈的噪聲和振動，惡化工作環境，從而影響水輪機的安全穩定運行。

3.空蝕的主要類型

空蝕是水輪機流道內必然發生的現象，不同部位，不同運行工況產生的空蝕破壞作用不同，主要分為翼型空蝕、間隙空蝕、局部空蝕、空腔空蝕，其常的破壞形式是局部產生麻點、凹坑、蜂窩狀穿孔脫落等。

（1）翼型空蝕。翼型空蝕是發生在水輪機轉輪上的空蝕，是反擊式水輪機轉輪空蝕的常見形式，主要發生在葉片背面靠近出水邊，或葉片與上冠、下環連接處。

（2）間隙空蝕。間隙空蝕常發生水輪機中產生漏水的部位，如軸流式水輪機葉片與轉輪室、葉片根部與輪轂連接處等，還有導葉關閉時止水不嚴，也會產生導葉出水邊的空蝕作用。對于水斗式水輪機，高速射流沖出噴嘴時，出會產生空蝕作用。

（3）局部空蝕。局部空蝕主要發生在水輪機流道內凹凸不平的部位。水輪機流道內，如加工、裝配不良，結構設計不合理等造成流道產生突出或凹陷，水流在流經這些部位，會發生繞流，從而可能產生真空而發生空蝕，這種空蝕稱為局部空蝕。

（4）空腔空蝕?？涨豢瘴g是發生在反擊式水輪機尾水管中的空蝕現象。當水輪機偏離最優運行工況時，流出轉輪水流還呈高速旋轉狀態，從而可能就在轉輪下方尾水管產生一個旋轉的真空渦帶，這個真空渦帶狀態極不穩定，在尾水管中不停地掃動，當其與尾水管壁發生碰撞時，真空渦帶破壞而產生空蝕作用，造成尾水管噪聲、振動、壓力脈動和水輪機出力波動等。

4.水輪機空蝕的防護

為防止和減輕空蝕對水輪機的危害，一般從以下幾個方面來考慮。

（1）水輪機設計制造方面。合理設計葉片形狀、數目使葉片具有平滑流線；盡可能使葉片背面壓力分布均勻，減小低壓區；提高加工工藝水平，減小葉片表面粗糙度。采用耐空蝕性（耐磨、耐蝕）較好的材料。

（2）運行方面。擬定合理的水電站運行方式，盡可能避免在空蝕嚴重的工況區運行。在發生空腔空蝕時，可采用在尾水管進口補氣增壓，破壞真空渦帶的形成。對于遭受破壞的葉片，及時采用不銹鋼焊條補焊，并采用非金屬涂層（如環氧樹脂、環氧金剛砂、氯丁橡膠等）作為葉片的保護層。

（3）工程措施方面。在進行水電站廠房設計時，合理確定水輪機安裝高程，使轉輪出口處壓力高于汽化壓力。多沙河流上設防沙、排沙設施，防止粗粒徑泥沙進入水輪機造成過多壓力下降和對水輪機部件的磨損。

（二）水輪機的吸出高度

1.空蝕系數

水輪機轉輪運行過程必然會產生空蝕現象，但不同的轉輪型式和運行工況，這種空蝕作用強弱不同。那么用什么表達水輪機轉輪空蝕特性呢?轉輪發生空蝕的原因是產生了空化，也就是在轉輪的某些區域產生了動態真空，動態真空的產生與運行工況、轉輪型式密切相關，因此，我們用動態真空的相對值來表示，稱此相對值為空蝕系數，用σ表示。對于空蝕系數的確定，由于其影響因素較復雜，采用理論計算或直接在葉片流道中測量很困難，目前采用水輪機模型空蝕試驗求取。

2.吸出高度

水輪機的吸出高度是指轉輪中壓力最低點（k）到下游水面的垂直距離，常用H_s表示。其計算公式為

式中——水輪機安裝地點的大氣壓力；

——當時水溫下的汽化壓力。

海平面標準大氣壓力為10.33m水柱高，水輪機安裝處的大氣壓隨海拔高程升高而降低，在0～3000m范圍內，平均海拔高程每升高900m，大氣壓力就降低1m水柱高，若水輪機處高程為 m時，則當地大氣壓力為

水溫在5～20℃時，汽化壓力=0.09～0.24m水柱高。為安全和計算的簡便，通常取=0.33m水柱高。所以，滿足不產生空蝕的吸出高度為

σ由模型空蝕試驗得出，因客觀因素和主觀因素的影響，試驗得出的σ與實際的σ存在著一定的差別，所以在計算水輪機的實際吸出高度H_s時，通常引進一個安全裕量Δσ或安全系數k（取1.1~1.2），對σ進行修正。實際計算吸出高度H_s時，采用計算公式如下：

或

Δσ為空蝕系數修正值，Δσ與設計水頭有關，可由圖2-32查得；H_s有正負之分，當最低壓力點位于下游水位以上時H_s為正，最低壓力點位于下游水位以下時H_s為負。

吸出高度H_s本應從轉輪中壓力最低點算起，但在實踐中很難確定此點的準確位置，為統一起見，對不同形式水輪機的H_s作如下規定：

（1）立軸軸流式水輪機，H_s為下游水面至葉片轉動中心的距離。

（2）立軸混流式水輪機，H_s為下游水面至導葉下部底環平面的垂直高度。

（3）立軸斜流式水輪機，H_s為下游水面至葉片旋轉軸線與轉輪室內表面相交點的垂直距離。

（4）臥軸混流式、貫流式水輪機，H_s為下游水面至葉片最高點的垂直高度。

（三）水輪機安裝高程

水輪機規定作為安裝基準的某一平面的高程稱為水輪機安裝高程，一般情況下，由水輪機各種工況下允許吸出高度值和相應尾水位確定；地下廠房機組的安裝高程還取決于水電站水力過渡過程有關的參數，甚至對導葉關閉規律的優化、洞室間距的確定，以及調壓井型式和尺寸的選取有著重要的影響。

1.設計尾水位

確定水輪機安裝高程的尾水位通常稱為設計尾水位。設計尾水位可根據水輪機的過流量從下游水位與流量關系曲線中查得。

2.反擊式水輪機安裝高程確定

（1）立軸混流式水輪機。

式中 Z_s——安裝高程，m；

Z_a——下游尾水位，m；

H_s——吸出高度，m；

b₀——導葉高度，m。

（2）立軸軸流式和斜流式水輪機。

式中 X——結構系數，轉輪中心與導葉中心之間的距離與D₁的比值，一般取X=0.38~0.46；

D₁——轉輪標稱直徑，m；

Z_s、Z_a、H_s意義同上。

（3）臥軸混流式和貫流式水輪機。

3.沖擊式水輪機安裝高程確定

沖擊式水輪機無尾水管，除噴嘴、針閥和斗葉處可能產生間隙空蝕外，不產生翼型空蝕和空腔空蝕，故其安裝高程確定應在充分利用水頭又保證通風和落水回濺不妨礙轉輪運轉的前提下，盡量減小水輪機的排水高度h_p。

式中 Z_amax——下游最高水位，采用洪水頻率p=2%~5%洪水相應的下游水位，m；

h_p——泄水高度，取h_p≈(1~1.5)D₁，立軸機組取大值，臥軸機組取小值。

三、水輪機泥沙磨損

水輪機在工作時，如果通過其內的水流含有大量的泥沙，則堅硬的泥沙顆粒將撞擊和磨損過流部件的表面，從而使機件發生疲勞甚至損壞，這種現象稱為水輪機的磨損。水輪機磨損會產生嚴重的后果，輕時需檢修處理，重時需要更換零部件甚至更換轉輪。水輪機磨損還會加劇空蝕破壞，增大水輪機的振動。當水輪機的導水機構磨損嚴重時，漏水量將增大，從而影響正常停機。由此可見，水輪機泥沙磨損的危害是很大的。

自然界中完全不含有固相介質的水是沒有的。但是，只有工作水流中含砂量達到一定數量時，水輪機過流部件才會遭到泥沙磨損而破壞。地處我國華北和西北的廣大地區，大多數河流的流域流經黃土高原和黃土丘陵地區，在這些地區的汛期，暴雨頻繁且強度大，在水土保持工作尚未完全奏效的情況下，大量的泥沙被汛期的地表徑流帶走，匯入河流，造成這些河流中含有大量的泥沙。以黃河為例，三門峽上游陜縣水文站實測的多年平均輸砂量竟高達1.3億t。水庫建成初期，泥沙大部沉積，水輪機的工作水中含有數量不大的、粒徑較小的泥沙，水輪機的泥沙磨損并不嚴重。隨著庫區逐步的淤積，數量多而粒徑較大的泥沙被帶入水輪機，從而使水輪機遭到嚴重的泥沙磨損。

泥沙磨損是一種強烈的破壞形式。水輪機過流部件均會遭到不同程度的破壞，而尤以水輪機的轉輪、葉片、轉輪室等流速較高的零部件為甚，破壞非常嚴重的水輪機甚至無法修復。因此，多泥沙河流水電站機組大修周期差不多完全由水輪機泥沙磨損的破壞程度來決定，而檢修的工作量是很大的。例如，黃河上某水電站HL123-LH-410型水輪機，大修周期為兩年左右，工期30~40天，轉輪一次修復補焊耗用電焊條約1t，磨損部件的處理占大修工作量的80%。修復后的轉輪經一個汛期的運行，效率明顯下降，電能損失巨大。

泥沙磨損的破壞強度與含砂水流的特性、水輪機過流元件的材料特性、水輪機工作條件和運行工況有關。具有很高運動速度的水流夾砂撞擊固體壁面，有時一次撞擊產生的應力可能超過材料的屈服極限而使材料發生塑性變形，即使產生較小的沖擊應力由于作用頻繁也會使材料疲勞破壞。有時泥沙磨損和汽蝕同時發生，導致一種更為復雜的聯合破壞過程。近些年來，國內外曾對泥沙磨損的機制、各種金屬與非金屬抗磨材料的抗磨穩定性、防止水輪機泥沙磨損的各種技術措施等進行了大量的實驗室和現場的試驗研究，取得了很多的成果。我國黃河上的一些水電站也積累了諸如轉輪的補焊修復，轉輪葉片抗泥沙磨損的非金屬材料復涂等方面的成功經驗。但是，水輪機泥沙磨損領域存在的問題仍很大，有待進一步的研究。特別是要根除泥沙磨損給水輪機運行帶來的嚴重危害，必須從水庫和水電站沉砂設備的合理設計和運用，改善在含砂水流中工作的水輪機抗磨性能，研制抗泥沙磨損穩定性高的金屬與非金屬材料等方面入手，采取綜合技術措施才能達到這一目的。

四、水輪機的過渡過程

（一）水擊現象

水輪機調節中突然開關導葉或噴針時，會使壓力水管內水流量、流速發生急劇變化，內水壓力也將急劇降低或升高。在水流的慣性作用和水體與管壁彈性的影響下，這種降低或升高的壓力，以壓力波的形式和一定的波速在壓力水管中往復傳播，形成壓力交替升降的波動現象，同時伴有如錘擊的聲響和振動，這種水力現象稱為水擊（或水錘），壓力波稱為水擊波。

由水擊引起的壓力升降數值往往很大，由水擊所產生的附加壓力與原工作水壓疊加到一起作用在壓力管道、蝸殼等壓力部件上，如果超過這些部件所能承受的極限壓力時，就會產生爆裂而發生嚴重的安全事故。水擊壓力是波的形式傳播，會產負壓值，嚴重時會造成壓力部件內水體脫流而產生真空，從而在大氣壓力作用下發生壓力部件被壓癟或破裂。因此，在水輪機運行過程中應避免發生嚴重的水擊作用，確保安全生產。

（二）預防水擊的措施

1.選擇合適的導葉或噴針關閉時間

能通過水輪機調節保證計算，初步確定導葉或噴針關閉時間和關閉規律，再進行機組大波動試驗，整定調速器最短開關時間，如有分段關閉裝置，還應調整調速器的動作規律。機組在大波動時，水擊壓力上升和轉速上升都不超過允許值。

2.設置調壓井或調壓室

對于某些有壓引水的水電站，不找到一個合適的導葉關閉時間或關閉規律，使水擊壓力上升和轉速同時滿足要求時，就必須采取其他措施來防止水擊的破壞作用，如在壓力引水系統尾端合適的位置設置調壓井或調壓室，大大縮短水擊波的傳播路徑，從而減小水擊壓力的上升值。

3.設置調壓閥

對于流量相對較小的長輸水管道的混流式機組，受地形條件或投資的限制，不宜采用調壓井或調壓室，可在壓力管道末端設置調壓閥，調壓閥由水輪機調速器聯動控制，當出現大波動時，在關閉導葉的同時，打開調壓閥，將壓力管道水流直接排至尾水，從而減小水擊壓力，防止水擊事故的發生。

4.水斗式水輪機設置偏流器

水斗式水輪機常用于高水頭、小流量、長輸水管道的電站，如果在波動時噴針關閉過快，將產生很高的水擊壓力，嚴重時造成爆管危險；如果噴針關閉過慢，又會有飛逸的危險。如何防止呢?在水斗式水輪機噴管操作機機構中，設置有偏流器。當水輪機正常運行時，偏流器靠近射流但不切入射流，不影響射流。當發生機組甩負荷事故時，調速器首先作用于偏流器，以很短的時間將偏流器切入射流，將噴嘴射出的高速水流偏折入尾水道，不再作用于水輪機轉輪，機組轉速將不再上升，同時在協聯裝置作用下，調速器作用慢關噴針，這樣水擊壓力就不至于上升過高，從而防止爆管和飛逸事故的發生。

5.其他措施

（1）在有條件的情況下，縮短壓力管道長度或增大壓力管道直徑，可有效降低水擊壓力上升。

（2）為減小轉速上升，可增加機組的轉動慣量。

（3）對于轉槳式水輪機，設置制動葉片可降低飛逸轉速，也可改善水輪機的過渡過程。

五、水輪機運行參數監測

對水電站來說，需對攔污柵前、后壓差，水電站上、下游水位及裝置水頭，水輪機工作水頭和引用流量等水力參數進行測量。

（一）上、下游水位的測量

常用的測量方法有讀水尺、液位計。最簡單的水位測量裝置是直讀水尺，直讀水尺通常裝在上游水庫進水口附近（引水式水電站則設在調壓井或壓力前池）和下游尾水渠附近明顯而易于觀測的地方。優點是直觀而準確，缺點是觀測不夠方便，故多用于中小型水電站的水位測量，在大中型電站中，一般作為水位測量的輔助裝置。

隨著自動化水平的提高和微機監控要求，大多數水電站都應利用自動裝置對上、下游水位進行測量，目前常用的測量方法是采用浮標式遙測液位計和聲波液位計。

（二）水輪機工作水頭的測量

水輪機的工作水頭一般由位置水頭、壓力水頭和速度水頭三部分組成。

位置水頭：實際上是指蝸殼進口和尾管出口處的兩壓力水頭的測量儀表位置之差，一旦測量儀表安裝完畢，位置水頭即為常數。

壓力水頭：采用壓力表測量蝸殼進口和尾管出口處的壓力，兩者之差即為壓力水頭，或采用差壓計直接測量蝸殼進口和尾管出口處的差壓，該值即為壓力水頭。

速度水頭：根據差壓測流原理，在獲得蝸殼進口與尾管出口的壓差后，即可求得機組的流量，再由相應的斷面面積，即可求出相應斷面的速度，從而求得速度水頭。

毛水頭：利用水位信號計自動監測前池或水庫與尾水位之差。

（三）水輪機引、排水系統的監測

1.進水口攔污柵前后壓力差監測

攔污柵在清潔狀態時，其前后的水位差只有2~4cm。當被污物堵塞時，其前后壓力差會顯著增加，輕則會影響機組出力，重則導致攔污柵被壓垮的事故。因此，一般水電站要設置攔污柵前后水位差監測設備，以便隨時掌握攔污柵的堵塞情況，并及時進行清污，確保水電站的安全和經濟運行。攔污柵前后壓力差監測設備可選擇與裝置水頭測量相似的設備，并考慮壓力差超標時具有自動報警功能。

2.蝸殼進口壓力的測量

在水輪機引水系統中，蝸殼進口斷面的特性具有較大的意義。在正常運行時，測量蝸殼進口壓力可得到壓力鋼管末端的實際壓力水頭值以及在不穩定流作用下的壓力波動情況；在機組做甩負荷試驗時，可測量水錘壓力的上升值及其變化規律；在做機組效率試驗時，可測量水輪機工作水頭中的壓力水頭部分；在進行機組過渡過程研究試驗中，可用來與導葉后測點壓力進行比較，以確定在一定運動規律下導葉的水力損失變化情況，此時蝸殼進口壓力相當于導葉前的壓力。因此，所有機組都毫不例外的裝設蝸殼進口壓力測量裝置。測量蝸殼進口壓力所需的儀表一般選用精度較高的壓力表或壓力變送器。

3.水輪機頂蓋壓力的測量

水輪機頂蓋壓力測量的目的是了解止漏環的工作情況，為今后改進止漏環的設計提供依據。在正常運行條件下，轉輪上止漏環的漏水經由轉輪泄水孔和頂蓋排水管兩路排出。當止漏環工作不正常時泄漏的水量增多，或泄水孔與排水管發生堵塞現象時，均導致頂蓋壓力增大，從而引起推力軸承負荷的超載，惡化推力軸承運行環境。測量水輪機頂蓋壓力所需的儀表可選用壓力表或壓力變送器。

4.尾水管進口真空的測量

測量尾水管進口斷面的真空度及其分布，其目的是分析水輪機發生氣蝕和振動的原因，還可檢驗補氣裝置的工作效果。由于尾水管的水流具有一定程度的不均勻性，因此要準確地測出尾水管進口斷面上的壓力分布，就必須沿測壓斷面半徑上的各個點對流速和壓力進行測量。這種測量只能在模型水輪機中可以近似地做到，在原型機組上是不可行的。因此，實際電站在測量尾水管進口真空度及其分布時，只測邊界上的平均壓力和流速。為了得到壓力和流速的平均值，往往在尾水管進口斷面上將各測點用均壓環管連接起來然后再由導管接至測壓儀表。測量尾水管進口真空度所需的儀表可選用壓力表或壓力變送器，在選擇量程時，需考慮尾水管進口斷面可能出現的最大真空度以及最高壓力值。