一、前言
隨著水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量的提高以及水輪發(fā)電機(jī)組在電力系統(tǒng)中所占的比重越來(lái)越大,如何確保大型機(jī)組的可靠和穩(wěn)定運(yùn)行,已成為電力業(yè)一個(gè)極為關(guān)注的問(wèn)題。汽蝕是水輪機(jī)運(yùn)行中最為常見的故障之一,嚴(yán)重時(shí)的它直接危及到機(jī)組的安全運(yùn)行。因此,對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組汽蝕進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)是十分必要的。美國(guó)O.R.E公司CMS汽蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可以提供水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪受汽蝕程度的在線監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)使用DSP(數(shù)字、信號(hào)處理)技術(shù)來(lái)監(jiān)測(cè)汽蝕噪聲,并實(shí)時(shí)顯示汽蝕的開始和相應(yīng)的汽蝕強(qiáng)度,不斷測(cè)量并累計(jì)汽蝕的損害程度。根據(jù)測(cè)量結(jié)果,可以對(duì)機(jī)組運(yùn)行工況進(jìn)行優(yōu)化,如果將CMS數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)輪實(shí)際維護(hù)的歷史數(shù)據(jù)相互對(duì)照,則該系統(tǒng)可對(duì)檢修周期提供技術(shù)參考依據(jù)。本文闡述了汽蝕現(xiàn)象和成因,分析了在線汽蝕檢測(cè)的原理,并結(jié)合CMS汽蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在白山電廠的應(yīng)用對(duì)汽蝕的檢查和評(píng)定做了進(jìn)一步的討論。
二、汽蝕現(xiàn)象
水輪機(jī)的工作介質(zhì)是液體。水流流速在水輪機(jī)中各點(diǎn)大小不同,進(jìn)而引起壓力高低不同,當(dāng)某點(diǎn)的壓力達(dá)到(或低于)該溫度下水的汽化壓力時(shí),水就開始局部汽化產(chǎn)生大量汽泡,同時(shí)水體中存在的許多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(jìn)入高壓區(qū)(壓力高于汽化壓力)時(shí),氣泡瞬時(shí)破滅,由于汽泡中心壓力較低,氣泡周圍的水質(zhì)點(diǎn)將以很高的速度向汽泡中心撞擊形成巨大的壓力(可達(dá)幾百甚至上千個(gè)大氣壓力),并以很高的頻率沖擊金屬表面,高頻率沖擊的結(jié)果,使水輪機(jī)過(guò)流部件的金屬表面產(chǎn)生破壞,這一系列的現(xiàn)象就稱為汽蝕現(xiàn)象,簡(jiǎn)稱汽蝕。在發(fā)生汽蝕過(guò)程,水輪機(jī)部件被高壓水反復(fù)沖擊而產(chǎn)生大量的熱量,在不受沖擊的部位溫度較低,這樣部件表面存在局部溫差,在晶粒中形成熱電偶,冷熱端間存在著電位差,在材料中有電流產(chǎn)生,引起熱電效應(yīng),對(duì)金屬表面產(chǎn)生電解作用,形成電化學(xué)腐蝕。金屬表面因電解作用而發(fā)暗變毛糙,加速了機(jī)械作用的破壞。當(dāng)汽泡在高壓區(qū)受壓縮時(shí)體積縮小而溫度升高,再加上水錘對(duì)金屬表面的沖擊使得金屬材料的表面局部出現(xiàn)高溫,這是發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的主要原因。據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)定,在汽泡凝結(jié)時(shí)局部溫升可達(dá)幾百攝氏度,這種高溫高壓促進(jìn)了汽泡對(duì)金屬材料表面局部加熱到熔點(diǎn)或使其局部強(qiáng)度降低而產(chǎn)生破壞。
三、汽蝕分類
根據(jù)汽蝕發(fā)生的條件,水輪機(jī)中的汽蝕一般可分為下列幾類:
1、翼型(葉型)汽蝕
這是反擊式水輪機(jī)普遍具有的汽蝕現(xiàn)象。水流流經(jīng)葉片時(shí),在葉片表面形成壓力差,使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)作功。通常葉片的正面是正壓力,而背面是負(fù)壓力,這種負(fù)壓是轉(zhuǎn)輪作功所必須的,但它又造成了產(chǎn)生汽蝕的條件。從理論上講,這個(gè)汽蝕條件可從水輪機(jī)安裝高度上加以解決,所以葉型汽蝕的產(chǎn)生的主要原因是由于轉(zhuǎn)輪葉片制造中不符合模型要求而引起的。在運(yùn)行中由于運(yùn)行工況不良也會(huì)引起葉型汽蝕。
2、間隙汽蝕
在導(dǎo)葉下端面間隙處,導(dǎo)葉關(guān)閉時(shí)導(dǎo)葉與導(dǎo)葉立面間隙處,以及轉(zhuǎn)輪止漏裝置間隙處,當(dāng)水流通過(guò)這些較小的間隙時(shí),流速產(chǎn)生局部增高和壓力降低因而產(chǎn)生汽蝕,這種現(xiàn)象稱為間隙汽蝕。當(dāng)機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí),導(dǎo)葉開度較小,局部流速增高,壓力降低,很容易產(chǎn)生間隙汽蝕。
3、空腔汽蝕
所謂空腔汽蝕,就是在非最優(yōu)工況時(shí),水流在尾水管中發(fā)生旋轉(zhuǎn)形成一種對(duì)稱真空渦帶,引起尾水管中水流速度和壓力脈動(dòng),在尾水管進(jìn)口處產(chǎn)生汽蝕破壞,造成尾水管振動(dòng)。空腔汽蝕通常發(fā)生在尾水管壁。
4、局部氣蝕
水輪機(jī)過(guò)流部件局部凸凹不平時(shí),引起局部壓力降低形成局部氣蝕。局部氣蝕主要發(fā)生在轉(zhuǎn)輪室聯(lián)接處、葉片固定螺釘及密封螺釘處。混流式水輪機(jī)則是轉(zhuǎn)輪上冠泄水孔后面。
以上汽蝕最普遍、危害最大的是翼型(葉型)汽蝕,他造成電站機(jī)組的經(jīng)常檢修,空腔汽蝕危害也很大,但不象葉型汽蝕那樣普遍。所以,在實(shí)際的應(yīng)用中,翼型(葉型)汽蝕監(jiān)測(cè)是關(guān)鍵。
水輪機(jī)產(chǎn)生汽蝕時(shí),破壞轉(zhuǎn)輪,使水輪機(jī)效率降低和出力不穩(wěn)。因此在水輪機(jī)運(yùn)行時(shí)應(yīng)盡量設(shè)法消除汽蝕。
