cdma1x青海水力发电
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0 引言
龙羊峡水电站32万千瓦机组是我国在上世纪八十年代最大机组，由于当时设计认知局限性，机组自运行以来，尾水管短管出水面及里衬汽蚀破坏问题一直困扰机组安全运行。特别是近年来，随着水光互补电站的不断投运，水电机组负荷率不断下降，尾水管里衬汽蚀破坏不断加剧。本文要从短管补气系统的设计角度、运行工况、水力学等角度认真分析短管在水力学中容易产生的涡列破坏等因素，不断改进力学性能，最终通过机组补气方式的改进，提高机组健康水平。 1 电站概况
龙羊峡水电站位于青海省共和县与贵南县交界的黄河干流上，距西宁147km，是黄河上游的大型“龙头”电站。主厂房内设4台单机容量32万kW 的混流式水轮机发电机组。设计额定水头122m，最大水头150m，最低水头99.5m，水轮机转轮标称直径6m，转速125r/min，额定出力32.56万kW。设计水轮机尾水管短管强迫补气方式，后改为自然补气方式，其中1号、2号机组设计4根φ400mm 补气管，3号、4号机组设计8根φ200mm 补气管；转轮吸出
高度-3.5m ；是西北电网调峰、调频电站。
2 设备现状
长期以来，龙羊峡水电站尾水锥管均存在不同程度的汽蚀破坏，特别是尾水管补气短管区域。2017年集中检修期，龙羊峡水电站按计划对4台机组进行常规C 级检修，对水轮机过流部件进行了常规检查。除转轮上流道、泄水锥及尾水锥管凑合节均有不同程度的汽蚀破坏外，尾水管补气短管下部里衬钢板气蚀破坏严重（1号、2号机组汽蚀破坏面积约4~6m 2；3号、4号机组汽蚀破坏面积约8~10m 2）；破坏区域集中在补气短管背水面第四象限，主要表现为钢板里衬金属呈蜂窝状汽蚀区，混凝土脱空、鼓包、里衬脱落等，严重威胁到尾水管安全。
在机组检修中，检修技术人员对补气短管汽蚀破坏区域里衬更换为抗汽蚀能力较好的不锈钢材质，并对里衬脱空部分进行了化学灌浆处理。在补焊修复的同时，技术人员对补气短管背水面长期存在的汽蚀破坏问题进行了认真分析，努力查其根源所在以寻求减小或消除里衬破坏的方法。
收稿日期： 2019-10-11作者简介： 史清军 男 （1977-） 高级工程师 黄河电力检修工 程有限公司
水轮机尾水管补气短管危害分析及研究
史清军
（黄河电力检修工程有限公司 青海西宁 810008）
内容提要 龙羊峡水电站安装有4台32万千瓦混流式水轮发电机组。机组自运行以来，尾水管里衬等汽蚀破坏问题一直困扰机组安全运行。特别是近年来，随着光伏电站的不断投运，水电机组负荷率不断下降，机组运行工况不断恶化，过流部件汽蚀破坏不断加剧，严重威胁到机组安全运行，必须从根源上进行分析解决。本文通过机组检修中发现的问题，通过理论分析以查问题的根源所在，并采取可能的技术措施和技术改造建议，以改善机组运行工况，确保水轮发电机组的安全运行，也为其它电站类似问题的处理解决提供借鉴。
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3 水轮机尾水锥管里衬破坏理论分析—卡门涡列
卡门涡列由美籍匈牙利力学家冯·卡门于1911年提出，是指流体在绕过某种障碍物时，物体两侧会周期性的脱落出旋转方向相反、并排列成有规则的双列线涡。开始时，这两列线涡分别保持自身的运动前进，接着它们互相干扰，互相吸引，而且干扰越来越大，形成非线性的所谓涡列。出现涡列时，流体对物体会产生一个周期性的交变横向作用力。如果力的频率与物体的固有频率相接近时，就会产生共振，甚至使物体损坏，其原理示意见图1。
在龙羊峡水电站水轮机尾水锥管内，我们可以看到由于卡门涡列所造成的破坏（见图2）。图（c）是尾水锥管上点焊螺母对里衬表面造成的破坏区。图（d）是龙羊峡4号机组尾水管补气短管（均布8个Φ200自然补气短管）对里衬表面造成的破坏区。
从以上两张图中可以看出，尾水管里衬过流面障碍物体积增大，卡门涡列对尾水管里衬造成的汽蚀破坏就增大，其障碍物体积与卡门涡列汽蚀破坏区面积成正比。
补气短管尺寸与汽蚀面积测量数据对比如下图3示。曾凡亚
4 汽蚀破坏处理措施4.1 尾水管里衬局部更换
（1）切割补气短管背水侧汽蚀破坏严重区域里衬；
（2）按切割尺寸更换焊装新里衬；（3）对里衬脱空区域进行灌浆处理。
4.2 尾水锥管补气短管改造
（1）根据卡门涡列原理，按水流方向重新设计焊接补气短管加强筋板，以缩小补气短管体积，减少
卡门涡列汽蚀破坏区；
（2）为改善尾水管中心区域空腔补气效果，割除短管补气口封水帽，使其能够向尾水管中心涡带补气；
（3）在补气短管中心线X、Y 轴第四象限切除，使机组运行过程中向卡门涡列区域自然补气，以减轻卡门涡列对该区域汽蚀破坏；
（4）在自然补气通风口处增加鼓风机，以增强尾水管短管补气效果。
4.3 补气短管改造效果检查
jeanette lee2018年，龙羊峡水库水位达▽2600m，到历史最高值；机组运行水头144m，较额定水头122m 高
22m，机组负荷在10%~100%额定负荷区域变动较大，持续高水头运行，致使导叶开度较小，转轮及尾水管造成更多空腔，对机组安全稳定运行造成很大压力。
但在机组运行及检修中发现：
（1）经过长时间高水头工况连续运行，补气短管裂纹、汽蚀等缺陷大幅减少；
（2）相同检修周期内检查补气短管背水面汽蚀区域面积较改造前减少约40%。
企业管理创新论文（3）由于割除了补气短管锥帽，补气短管向转
轮旋转中心涡带处补气效果明显，尾水锥管进口处压
图
1 卡门涡列原理示意图
图3 龙羊峡水电站4号机组尾水补气短管处汽蚀区
示意图
图2 卡门涡列破坏区示意图
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力脉动自短管改造前140KPa 减小至40KPa 左右；
（4）补气短管补气通畅，使检修过程中尾水管内检修平台粉尘、烟雾等排放畅通，检修人员工作环境大幅改善。
5 设备改造建议
龙羊峡水电站水轮发电机组建设投产于上世纪80年代，是我国自行设计制造的首台300MW 以上水轮发电机组，投产运营已有30年历史。实践证明，尾水管短管补气方式不能满足机组水安全稳定运行的要求；设备检修投入逐年增长，检修工作量大，需要对设备进行改造，提升机组健康水平。
5.1 水轮机补气方式改造
根据理论分析及大中型混流式水轮发电机组设计及运行检修经验，轴心孔补气方式能较好的破坏泄水锥及尾水管真空涡带，减少空腔汽蚀的发生，解决长期困扰电站安全运行的问题，尾水锥管补焊修复工作量将大大减少，检修费用也将大大降低。
新技术
根据龙羊峡水电站机组单轴结构特点及现状，建议拆除在主轴下法兰面封水盖板，联系相关设计单位，设计单轴结构下双补气阀方式的可行性。即在原封水盖板法兰面处和主轴上端（转子中心体内）各加装一个平板式轴心孔补气阀，合理设计上下轴心空补气阀的动作值。主轴上端部补气阀既是补气阀也是轴下法兰面补气阀故障时的封水阀，防止水流上窜至定、转子。为减小补气阀在运行中噪音污染，可在转子中心体补气阀引出补气管至上端轴，经上机架支臂孔引至机坑外围。或者保留主轴下法兰面封水盖板，采用单补气阀结构，即在上端轴顶部安装平板式轴心孔补气阀，通过连接管路通至主轴下法兰面封水盖板向泄
水锥下方空腔涡带区进行补气；为防止噪音污染和压力水溢出，可连接吸气管和排水管接至基坑外围。
5.2 割除补气短管滨蛇床
根据机组运行情况，择机彻底切除或不断减小补气短管尺寸和体积，从而消除或减少卡门涡列对尾水管里衬造成的汽蚀破坏。
补气短管的割除，可以在轴心孔补气效果得到确定后实施。
5.3 保持尾水锥管过流面线性
根据卡门涡列原理，各水电机组水轮机尾水锥管过流面应尽量保持流线型。减少过流面上因为检修工作而设置的各类高点，如脚手架吊点、临时焊接挂设点、缺点处理面等可能会引起卡门涡列破坏的凹凸不平的障碍物，以减少卡门涡列对尾水锥管过流面的汽蚀破坏。
6 结束语
本文通过尾水管补气短管汽蚀区的细心观察测量，发现了补气短管的几何尺寸与汽蚀破坏面积之间的关系；并通过卡门涡列理论解释了其实破坏的理论根源，并指明了技术改造的方向。尽管通过对尾水管补气短管的改造，在一定程度上减少卡门涡列对尾水锥管的汽蚀破坏，但只要在尾水管里衬存在补气短管，卡门涡列必然存在，不能从根本上解决尾水管里衬的汽蚀破坏问题。根据卡门涡列原理及其它大中型水电站混流式机组运行经验，以轴心孔补气方式替代尾水管短管补气方式，能比较好的解决水轮机空腔汽蚀的问题，也将减少机组检修维护工作量，降低检修成本，提高机组健康水平。因此，将尾水管短管补气改造为轴心孔补气方式势在必行。
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