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水輪機安全設(shè)計

時間 : 2022年7月6日分類 :工程百科

水輪機是把水流的能量轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機械能的動力機械 >，它屬于流體機械中的透平機械。早在公元前100年前后，中國就出現(xiàn)了水輪機的雛形–水輪，用于提灌和驅(qū)動糧食加工器械?，F(xiàn)代水輪機則大多數(shù)安裝在水電站內(nèi)，用來驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。在水電站中，上游水庫中的水經(jīng)引水管引向水輪機，推動水輪機轉(zhuǎn)輪 >旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機發(fā)電。作完功的水則通過尾水管道排向下游。水頭越高、流量越大，水輪機的輸出功率也就越大。
水輪機的分類
水輪機按工作原理可分為沖擊式水輪機和反擊式水輪機 <兩大類。沖擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪受到水流的沖擊而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力不變，主要是動能的轉(zhuǎn)換；反擊式水輪機的轉(zhuǎn)輪在水中受到水流的反作用力而旋轉(zhuǎn)，工作過程中水流的壓力能和動能均有改變，但主要是壓力能的轉(zhuǎn)換。
沖擊式水輪機
沖擊式水輪機按水流的流向可分為切擊式(又稱水斗式)和斜擊式兩類。斜擊式水輪機的結(jié)構(gòu)與水斗式水輪機基本相同，只是射流方向有一個傾角，只用于小型機組。理論分析證明，當水斗節(jié)圓處的圓周速度約為射流速度的一半時，效率最高。這種水輪機在負荷發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)輪的進水速度方向不變，加之這類水輪機都用于高水頭電站，水頭變化相對較小，速度變化不大，因而效率受負荷變化的影響較小，效率曲線比較平緩，最高效率超過91%。
反擊式水輪機
反擊式水輪機可分為混流式、軸流式、斜流式和貫流式。在混流式水輪機中，水流徑向進入導(dǎo)水機構(gòu)，軸向流出轉(zhuǎn)輪；在軸流式水輪機中，水流徑向進入導(dǎo)葉，軸向進入和流出轉(zhuǎn)輪；在斜流式水輪機中，水流徑向進入導(dǎo)葉而以傾斜于主軸某一角度的方向流進轉(zhuǎn)輪，或以傾斜于主軸的方向流進導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪；在貫流式水輪機 >中，水流沿軸向流進導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪。
軸流式、貫流式和斜流式水輪機按其結(jié)構(gòu)還可分為定槳式和轉(zhuǎn)槳式。定槳式的轉(zhuǎn)輪葉片是固定的；轉(zhuǎn)槳式的轉(zhuǎn)輪葉片可以在運行中繞葉片軸轉(zhuǎn)動，以適應(yīng)水頭和負荷的變化。
各種類型的反擊式水輪機都設(shè)有進水裝置，大、中型立軸反擊式水輪機的進水裝置一般由蝸殼、固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉組成。蝸殼的作用是把水流均勻分布到轉(zhuǎn)輪周圍。當水頭在40米以下時，水輪機的蝸殼常用鋼筋混凝土在現(xiàn)場澆注而成；水頭高于40米時，則常采用拼焊或整鑄的金屬蝸殼。
在反擊式水輪機中，水流充滿整個轉(zhuǎn)輪流道，全部葉片同時受到水流的作用，所以在同樣的水頭下，轉(zhuǎn)輪直徑小于沖擊式水輪機。它們的最高效率也高于沖擊式水輪機，但當負荷變化時，水輪機的效率受到不同程度的影響。反擊式水輪機都設(shè)有尾水管，其作用是：回收轉(zhuǎn)輪出口處水流的動能；把水流排向下游；當轉(zhuǎn)輪的安裝位置高于下游水位時，將此位能轉(zhuǎn)化為壓力能予以回收。對于低水頭大流量的水輪機，轉(zhuǎn)輪的出口動能相對較大，尾水管的回收性能對水輪機的效率有顯著影響。
軸流式水輪機
適用于較低水頭的電站。在相同水頭下，其比轉(zhuǎn)數(shù)較混流式水輪機為高。
軸流定槳式水輪機>的葉片固定在轉(zhuǎn)輪體上。一般安裝高度在3-50m。，葉片安放角不能在運行中改變，結(jié)構(gòu)簡單，效率較低，適用于負荷變化小或可以用調(diào)整機組運行臺數(shù)來適應(yīng)負荷變化的電站。
軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機是奧地利工程師卡普蘭 >在1920年發(fā)明的，故又稱卡普蘭水輪機。一般安裝高度在3-80m。其轉(zhuǎn)輪葉片一般由裝在轉(zhuǎn)輪體內(nèi)的油壓接力器操作，可按水頭和負荷變化作相應(yīng)轉(zhuǎn)動，以保持活動導(dǎo)葉轉(zhuǎn)角和葉片轉(zhuǎn)角間的最優(yōu)配合，從而提高平均效率，這類水輪機的最高效率有的已超過94%。典型例子就是葛洲壩的導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪間的水流基本上無變向流動，加上采用直錐形尾水管，排流不必在尾水管中轉(zhuǎn)彎，所以效率高，過流能力大，比轉(zhuǎn)數(shù)高，特別適用于水頭為3～20米的低水頭小型河床電站。這種水輪機裝在潮汐電站內(nèi)還可以實現(xiàn)雙向發(fā)電。這種水輪機有多種結(jié)構(gòu)，使用最多的是燈泡式水輪機。
燈泡式機組的發(fā)電機裝在水密的燈泡體內(nèi)。其轉(zhuǎn)輪既可以設(shè)計成定槳式，也可以設(shè)計成轉(zhuǎn)槳式。其中又可以細分為貫流式和半貫流式。世界上最大的燈泡式水輪機(轉(zhuǎn)槳式半貫流)裝在美國的羅克島第二電站，水頭12.1米，轉(zhuǎn)速為85.7轉(zhuǎn)/分，轉(zhuǎn)輪直徑為7.4米，單機功率為54兆瓦，于1978年投入運行。
混流式水輪機
是世界上使用最廣泛的一種水輪機，由美國工程師弗朗西斯于1849年發(fā)明，故又稱弗朗西斯水輪機。與軸流轉(zhuǎn)槳式相比，其結(jié)構(gòu)較簡單，運行穩(wěn)定，最高效率也比軸流式的高，但在水頭和負荷變化大時，平均效率比軸流轉(zhuǎn)槳式的低，這類水輪機的最高效率有的已超過95%?；炝魇剿啓C適用的水頭范圍很寬，為5～700米，但采用最多的是40～300米。
混流式的轉(zhuǎn)輪一般用低碳鋼或低合金鋼鑄件，或者采用鑄焊結(jié)構(gòu)。為提高抗汽蝕 >和抗泥沙磨損性能，可在易氣蝕 >部位堆焊不銹鋼，或采用不銹鋼葉片，有時也可整個轉(zhuǎn)輪采用不銹鋼。采用鑄焊結(jié)構(gòu)能降低成本，并使流道尺寸更精確，流道表面更光滑，有利于提高水輪機的效率，還可以分別用不同材料制造葉片、上冠和下環(huán)。典型例子是我國的劉家峽。
斜流式水輪機
是瑞士工程師德里亞于1956年發(fā)明，故又稱德里亞水輪機。其葉片傾斜的裝在轉(zhuǎn)輪體上，隨著水頭和負荷的變化，轉(zhuǎn)輪體內(nèi)的油壓接力器操作葉片繞其軸線相應(yīng)轉(zhuǎn)動。它的最高效率稍低于混流式水輪機，但平均效率大大高于混流式水輪機；與軸流轉(zhuǎn)槳水輪機相比，抗氣蝕性能較好，飛逸轉(zhuǎn)速>較低，適用于40～120米水頭。
由于斜流式水輪機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高，一般只在不宜使用混流式或軸流式水輪機，或不夠理想時才采用。這種水輪機還可用作可逆式水泵水輪機。當它在水泵工況啟動時，轉(zhuǎn)輪葉片可關(guān)閉成近于封閉的圓錐因而能減小電動機的啟動負荷。
基本概念和發(fā)展史
水輪機是一種將水能轉(zhuǎn)換為機械能的動力機械。在大多數(shù)情況下，將這種機械能通過發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能，因此水輪機是為水能利用和發(fā)電服務(wù)的。
水是人類在生活和生產(chǎn)中能依賴的最重要的自然資源之一，我們的祖先很早以前就和洪水開展了斗爭并學(xué)會了利用水能。公園前二千多年的大禹治水，至今還為人們所稱頌。公元37年中國人發(fā)明了用水輪帶動的鼓風(fēng)設(shè)備-水排，公元260-270年中國人創(chuàng)造了水碾，公元220-300年間發(fā)明了用水輪帶動的水磨，這些水力機械結(jié)構(gòu)簡單，制造容易。缺點是笨重、出力小、效率低。真正大規(guī)模地對水力資源合理開發(fā)和利用，是在近代工業(yè)發(fā)展和有關(guān)發(fā)電、航運等技術(shù)發(fā)展以后。
水利資源的綜合開發(fā)和利用，是指通過修建水利樞紐工程來進行對河流水力資源在防洪、灌溉、航運、發(fā)電以及水產(chǎn)等發(fā)明的綜合利用。
我國的水電發(fā)展設(shè)備事業(yè)也是在新中國成立以后才有了蓬勃發(fā)展，1975年我國還只能自行設(shè)計制造7.5萬千瓦的新安江水電站，到現(xiàn)在我國已能自行設(shè)計制造單機容量70萬千瓦的混流式水輪機發(fā)電機組及單機容量17萬千瓦的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組?，F(xiàn)在，我國的水力設(shè)備的設(shè)計、制造水平已達到世界先進水平。我國設(shè)計、制造的水力發(fā)電設(shè)備遠銷到美國、加拿大、菲律賓、土耳其、南斯拉夫、越南等國，受到了這些國家的歡迎。
五．水輪機常見事故、危險源分析
在水電安全管理工作中，機械設(shè)備安全管理占有極其重要地位，是安全管理的重要組成部分近年來，隨著水利水電施工的不斷發(fā)展和要求，機械化程度越來越高，機械的種類、數(shù)量在不斷增加，設(shè)備安全管理力度也應(yīng)增大。特別是工程施工中，機械傷人事故時有發(fā)生。機械事故也屢見不鮮，給企業(yè)和員工的財產(chǎn)造成巨大損失。
7 由于水輪機發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，有機械部分、電氣部分以及油、氣、水系統(tǒng)，它受系統(tǒng)和用戶運行方式的影響，還受天氣等自然條件影響。容易發(fā)生故障或者不正常運行狀態(tài)。某一次故障可能是一種偶然情況，但對整個機組運行來說又是一種必然事件。運行人員應(yīng)從思想、技術(shù)、組織等各個方面做好充分準備。
（1）運行人員平時應(yīng)加強理論學(xué)習(xí)，盡可能掌握管轄設(shè)備的工作原理和運行性能。
（2）運行人員應(yīng)熟悉各設(shè)備安裝為止，各切換開關(guān)、切換片位置。
（3）運行班組應(yīng)針對各種主要故障制定事故處理預(yù)案并落實到人。3
（4）運行現(xiàn)場應(yīng)準備必要的安全防護用具及應(yīng)急工具。
（5）運行人員應(yīng)由臨危不亂沉著應(yīng)對的心理素質(zhì)。
水輪機常見事故、危險源分析
1 機組過速
機組帶負荷運行中突然甩負荷時，由于導(dǎo)葉不能瞬時關(guān)閉，在導(dǎo)葉關(guān)閉的過程中水輪機的轉(zhuǎn)速就可能增高20%~40%，甚至更高。當機組轉(zhuǎn)速升高至某一定值（其整定值由機組的轉(zhuǎn)動慣量而定，一般整定為140%額定轉(zhuǎn)速）以上，則機組出現(xiàn)過速事故。由于轉(zhuǎn)速的升高，機組轉(zhuǎn)動部分離心力急劇增大，引起機組擺度與振動顯著增大，甚至造成轉(zhuǎn)動部分與固定部分的碰撞。所以應(yīng)防止機組過速。
為了防止機組發(fā)生過速事故，目前多數(shù)電站是設(shè)置過速限制器、事故電磁閥或事故油泵，并裝設(shè)水輪機主閥或快速閘門。這些裝置都通過機組事故保護回路自動控制。
機組發(fā)生過速時的現(xiàn)象有
（1）機組噪音明顯增大。
（2）發(fā)電機的負荷表指示為零，電壓表指示升高（過電壓保護可能動作）。
（3）“水力機械事故”光字牌亮，過速保護動作，出現(xiàn)事故停機現(xiàn)象。
（4）過速限制器動作，水輪機>主閥（或快速閘門）全開位置紅燈熄滅（即正在關(guān)閉過程）若過速保護采用事故油泵，則事故油泵起動泵油，關(guān)閉導(dǎo)水葉。

2 機組的軸承事故
2.1巴氏合金軸承的溫度升高
一般機組的推力、上導(dǎo)、下導(dǎo)等軸承和水輪機導(dǎo)軸承都采用巴氏合金軸承，故利用稀油進行潤滑和冷卻。當它們中的任一軸承溫度升高至事故溫度時，則軸承溫度過高事故保護動作，進行緊急停機，以免燒壞軸瓦。
當軸承溫度高于整定值時，機旁盤“水力機械事故”光字牌亮，軸承溫度過高信號繼電器掉牌，事故軸承的膨脹型溫度計的黑針與紅針重合或超過紅針。在此以前，可能已出現(xiàn)過軸承溫度升高的故障信號；或者可能出現(xiàn)過冷卻水中斷及冷卻水壓力降低、軸承油位降低等信號。
當發(fā)生以上現(xiàn)象時，首先應(yīng)對測量儀表的指示進行校核與分析。例如將膨脹型溫度計與電阻型溫度計兩者的讀數(shù)進行核對，將軸承溫度與軸承油溫進行比較鑒別。并察看軸承油面和冷卻水。若證明軸承溫度并未升高，確屬保護誤動作，則可復(fù)歸事故停機回路，啟動機組空轉(zhuǎn)，待進一步檢查落實無問題后，便可并網(wǎng)發(fā)電。當確認軸承溫度過高時，就必須查明實際原因，進行正確處理。
2.2水導(dǎo)軸承的潤滑水中斷
橡膠瓦水導(dǎo)軸承系用水進行潤滑，這類軸承俗稱水軸承。當水軸承潤滑水中斷時，其現(xiàn)象與上述油軸承相似，只是多顯示一個“軸承潤滑水中斷”信號。
潤滑水中斷的原因與后果：由于水質(zhì)不潔或有雜物，致使取水濾網(wǎng)或過濾器堵塞，造成水壓降低；或自動供水閥門因某種原因誤關(guān)；當用水泵供水時，由于機械或電氣原因造成水泵供水中斷。這些都會引起潤滑水中斷事故。當潤滑水中斷或水量減少時，會使軸領(lǐng)與軸瓦間潤滑、冷卻條件變壞，甚至發(fā)生干磨擦，導(dǎo)致軸承燒毀，此時水輪機失去了徑向支承，造成振動和擺度急劇增大，有時會發(fā)生竄水現(xiàn)象，從而影響機組的正常運行。
2.3發(fā)電機溫度過高
由發(fā)電機過負荷超過允許的時間范圍；三相電流嚴重的不平衡；通風(fēng)冷卻系統(tǒng)故障；定子繞組局部短路或接地；定子鐵心絕緣損壞，形成渦流損耗增大。等原因。造成定子繞組和定子鐵心局部過熱；電流表指示超限；過負荷保護動作；發(fā)電機溫度超限發(fā)信號等。
設(shè)計措施：發(fā)電機超負荷運行，則迅速減少負荷；如定子三相電流不對稱，則查明原因迅速消除；冷卻水中斷，應(yīng)迅速停機；部分冷卻器堵塞，應(yīng)維持在低負荷運行，迅速排除故障。
2.4發(fā)電機著火
由于定子繞組匝間或相間短路；發(fā)電機長時間超負荷，溫升超過允許值；雷擊或過電壓引起絕緣損壞；轉(zhuǎn)動部分有部件損壞，刮傷定子繞組，引起短路；電容電流過大或時間過長；并列誤操作等原因造成。
可采取如下措施：緊急停機；打開發(fā)電機消防用水閥門進行滅火；滅水過程中應(yīng)關(guān)閉發(fā)電機冷、熱風(fēng)口，保持風(fēng)洞密封，嚴禁用泡沫滅火器或砂子、石灰進行滅火
3發(fā)電機的異常運行
發(fā)電機在運行過程中，由于外界的影響和自身的原因，發(fā)電機的參數(shù)將發(fā)生變化，并可能超出正常運行允許的范圍。短時間超過參數(shù)規(guī)定運行或超過規(guī)定運行參數(shù)不多雖然不會產(chǎn)生嚴重后果，但長期超過參數(shù)運行或者大范圍超過運行參數(shù)就有可能引起嚴重的后果，危機及發(fā)電機的安全應(yīng)該引起重視。
3.1發(fā)電機過負荷
現(xiàn)象如下：
發(fā)電機定子電流超過額定值；
（2）當定子電流超過額定值1.1倍時，發(fā)電機的過負荷保護將動作發(fā)出報警信號，警鈴響，機旁發(fā)“發(fā)電機過負荷”信號，計算機有報警信號；
（3）發(fā)電機有功、無功負荷及轉(zhuǎn)子電流超過額定值。
3.2發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地
發(fā)電機轉(zhuǎn)子接地有一點接地和兩點接地，轉(zhuǎn)子接地還可分為瞬時接地、永久接地、斷續(xù)接地等。發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地時，因一點接地不形成回路，故障點無電流通過，勵磁系統(tǒng)仍能短時工作，但轉(zhuǎn)子一點接地將改變轉(zhuǎn)子正極對于地電壓和負極對于地電壓，可能引發(fā)轉(zhuǎn)子兩點接地故障；繼而引起轉(zhuǎn)子磁拉力不平衡，造成機組振動和引起轉(zhuǎn)子發(fā)熱。
現(xiàn)象如下：
警鈴響，機旁發(fā)“轉(zhuǎn)子一點接地”信號；計算機有報警信號。
表記指示無異常。
3.3轉(zhuǎn)子回路兩點接地
發(fā)電機轉(zhuǎn)子兩點接地時，由于形成回路，故障點有電流通過。
現(xiàn)象如下：
警鈴響，機旁發(fā)“轉(zhuǎn)子接地”信號，計算機有報警信號；
（2）轉(zhuǎn)子電流異常增大，轉(zhuǎn)子電壓降低；
無功功率表指示降低，功率因數(shù)可能進相，有功負荷可能降低；
由于磁場不平衡，機組有劇烈振動聲。
嚴重時，失磁保護有可能動作
3.4發(fā)電機溫度過高
發(fā)電機在運行中，如果定子、轉(zhuǎn)子或者鐵心溫度超過規(guī)定值，應(yīng)該及時檢查處理。
現(xiàn)象如下：
（ o( X* L R9 T. b3 [1）上位機發(fā)對應(yīng)“機組溫度過高”信號。
（9 j, ~; n7 p5 o5 s1 h% [/ X2）發(fā)電機定子線圈、定子鐵芯或冷、熱風(fēng)溫度高于額定值。
3.5發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路斷線
現(xiàn)象如下：
（1）警鈴響，發(fā)“失磁保護動作”信號，計算機有報警信號；
（! E3 ^& 8 8 {0 K; |2）發(fā)電機轉(zhuǎn)子電流表指針向零方向擺動，勵磁電壓升高；
（3）定子電流急劇降低，有功、無功降至零；
（4）如磁極斷線，則風(fēng)洞內(nèi)冒煙，有焦臭味，并有很響的哧哧聲。
3.6發(fā)電機定子接地
發(fā)電機定子接地是指發(fā)電機定子繞組回路或與定子繞組回路直接相連的一次系統(tǒng)發(fā)生的單相接地短路。定子接地分為瞬時接地、永久接地、斷續(xù)接地等。
# a4 o/ b/ h4 A” v” Q現(xiàn)象如下：
（ n8 s& t- K, p# 1）警鈴響，機旁發(fā)“定子接地”信號，計算機有報警信號；
(& k. l) B# D& W t2）定子三相電壓不平衡，定子接地電壓表出現(xiàn)零序電壓指示。

4水輪機葉片的磨損腐蝕
水輪機的磨蝕是在常年的運行過程中慢慢積累下來的。目前我們已經(jīng)探明泥沙磨損、氣蝕壞、耦合作用等是水輪機產(chǎn)生磨蝕的主要原因。
4.1泥沙磨損
河水中包含的泥沙會對水輪機的過流部件造成磨損破壞，這就是泥沙磨蝕。水流的含沙特性、過流部件的材質(zhì)、水輪機的工作條件等都是導(dǎo)致該種磨損產(chǎn)生的主要因素。河水中不可避免的帶有大量的沙質(zhì)，水輪機在高速運行過程中，含沙水流會不斷沖刷部件表面，會不斷摩擦形成切削效果，特別是當部件的較弱或有缺陷的表面區(qū)域被堅硬、尖利的沙粒沖刷后，更容易對金屬表層產(chǎn)生切削，日久天長、不斷磨損。另外，由于水電站地理位置的不同，水輪機被磨損的程度也不一樣。即使是同樣的水輪機，如果在水質(zhì)較清的河流或具有較大庫容的水電站中使用，因河水中的泥沙較少，其受到的磨損程度也會輕微得多。從嚴格意義上來說，只要水流中含有沙粒，水輪機就會受到泥沙的磨損。此外，河流汛期是水輪機遭受泥沙磨損最嚴重的時期，因為汛期水流中的含沙度是最高的。
4.2氣蝕磨損
氣蝕磨損是指水輪機過流通道內(nèi)流動的水體中由于水壓過低，從而使水汽化產(chǎn)生的微小氣泡在其形成、發(fā)展、潰滅過程中對水輪機過流部件所產(chǎn)生的物理化學(xué)侵蝕作用。氣泡的形成潰滅過程是隨著水流的連續(xù)不斷高速流動，以很高的頻率連續(xù)的進行。氣泡在破裂的過程中所產(chǎn)生的沖擊波其沖擊速度達到100m/s~400m/s，沖擊范圍為1μm~25μm，壓強達到100MPa~1 000MPa ；它伴隨著微射流對水輪機過流部件的表面進行連續(xù)的沖擊。這種沖擊破壞的作用面積雖然小，但由于能量和密度高，所產(chǎn)生的沖擊深度大且頻繁，從而使過流部件表面出現(xiàn)麻點、針孔等，嚴重時甚至產(chǎn)生蜂窩或海綿狀裂紋。
4.3耦合作用
4.3.1泥沙磨損與氣蝕磨損的耦合
這兩類破壞一般都會同時發(fā)生，并產(chǎn)生迭加效果。通常泥沙磨損是水輪機磨蝕的主要原因，而氣蝕則會加快這種進度。泥沙磨損會造成過流部件表面形成局部凹坑或更加粗糙，而材料表面的粗糙和局部凹坑又會為氣蝕的產(chǎn)生提供有利條件。在氣蝕的作用下，過流部件表面會更加疏松、更易被泥沙磨損掉。這樣在兩者的同時作用下，水輪機表面材料抗疲勞度越來越降，從而產(chǎn)生耦合作用，兩種破壞共同作用，加劇了水輪機的磨蝕。
4.3.2磨蝕與震動的耦合
很多時候，大家都忽視了震動對于磨蝕的促進作用。水輪機在高速運轉(zhuǎn)時氣泡會發(fā)生破裂，其留下的空間會受到劇烈的水流沖擊，從而造成紊流的脈動引起水輪機的劇烈震動。受震動的影響及在慣性作用下，已經(jīng)破壞的微氣泡體積，在脫離葉片的瞬間，受到水流的沖擊后會對水輪機過流部件加劇磨蝕。
4.3.3電化學(xué)作用與磨蝕的耦合
科研人員曾對水電站過機水流做了大量相關(guān)實驗，通過物理指標檢測，水中大量富含溶解氧，這是一種帶電粒子。它會在合適的環(huán)境中析出，并且經(jīng)過復(fù)雜的物理化學(xué)變化過程，轉(zhuǎn)變?yōu)槌粞?，從而對水輪機表面產(chǎn)生化學(xué)腐蝕。另外，氣泡在破裂的時候，附帶的能量會隨之釋放并對過流表面不斷打擊，從而在部件局部產(chǎn)生高溫，最高可達300℃，材料局部受熱后會與周圍材料出現(xiàn)溫差，產(chǎn)生熱電偶，同時伴隨氣泡破裂的不斷擊打，在材料內(nèi)部形成微電流并產(chǎn)生電解電離，導(dǎo)致電化腐蝕。在此過程中，水中含有的一些礦物質(zhì)就會發(fā)生質(zhì)變，使部件附近的水變?yōu)楦g性溶液，再次造成過流部件表面的化學(xué)腐蝕，使得磨蝕進一步加劇。

六．依據(jù)標準安全設(shè)計、預(yù)防事故的技術(shù)措施
1 機組過速
設(shè)計措施：
（1）在調(diào)速器的控制系統(tǒng)中加裝事故配壓閥；
（2）在機組進水口設(shè)置能動水關(guān)閉的快速閘門或蝴蝶閥或球閥；
（3）沖擊式水輪機可裝設(shè)偏流器防止機組過速，軸流式水輪機可通過增大葉片轉(zhuǎn)角降低過速值；
（4）利用定子三相徑外接附加電阻短路的電制動停機裝置限制過速。
事故處理：
（1）當判明機組過速時，如保護拒動，則應(yīng)手動緊急停機，同時關(guān)閉蝴蝶閥或球閥；
（2）檢查事故配壓閥是否則動作，若未動作，則應(yīng)手動操作，使事故配壓閥動作；
（3）對于未設(shè)置蝴蝶閥或球閥的機組，或關(guān)閉蝴蝶閥或球閥無效時，應(yīng)立即操作進水口的快速閘門，切斷水流；
（4）通過現(xiàn)象判明機組已過速時，應(yīng)監(jiān)視過速保護裝置能否正常動作，若過速保護拒動或動作不正常，應(yīng)手動緊急停機，同時關(guān)閉水輪機主閥（或快速閘門）；
（5）若在緊急停機過程中，因剪斷銷剪斷或主配壓閥卡住等引起機組過速，此時即使轉(zhuǎn)速尚未達到過速保護動作的整定值，都應(yīng)手動操作過速保護裝置，使導(dǎo)水葉及主閥迅速關(guān)閉。對于沒有設(shè)置水輪機主閥的機組，則應(yīng)盡快關(guān)閉機組前的進水口閘門。
2 機組的軸承事故
2.1巴氏合金軸承的溫度升高
設(shè)計措施：
（1）檢查冷卻水系統(tǒng)，必要時投入備用冷卻水；
（2）檢查潤滑油系統(tǒng)，如過濾器堵塞則應(yīng)切換或清掃，若油泵運行正常則切換至備用油泵；
（3）取油樣化驗，油劣化則應(yīng)停機換油。
事故處理：
（1）潤滑油減少：由于軸承油槽密封不良，或排油閥門關(guān)閉不嚴密，造成大量漏油或甩油，潤滑油因減少而無法形成良好的油膜，致使軸承溫度升高，此時應(yīng)視具體情況，對密封不良處進行處理，并對軸承補注潤滑油。
（2）油變質(zhì)：軸承內(nèi)的潤滑油因使用時間較長，或油中有水份或其它酸性雜性，使油質(zhì)劣化，影響潤滑性能，這時應(yīng)更換新油。尤其當軸承內(nèi)大量進水（例如冷卻器漏水等）時，使?jié)櫥袄鋮s的介質(zhì)改變，直接影響軸承的潤滑條件，會很快導(dǎo)致軸承燒毀，這時應(yīng)立即停機處理滲水或漏水部位，并更換軸承油槽內(nèi)的油。
（3）冷卻水中斷或冷卻水壓降低：冷卻水管堵塞、閥門的閥瓣損壞、管道內(nèi)進入空氣等都會影響冷卻器的過流量，使冷卻器不能正常發(fā)揮作用，引起軸承油溫升高，這時應(yīng)立即投入機組備用冷卻水，或?qū)⒐艿琅艢?。若是冷卻水壓過低，應(yīng)設(shè)法加大冷卻水量，使軸承溫度下降到正常值。
（4）主軸承擺度增大：當主軸擺度增大時，軸與軸瓦間的磨擦力增加，發(fā)熱量增大，致使?jié)櫥瑮l件變壞，不能形成良好的油膜，這時應(yīng)設(shè)法減小機組擺度。例如改變機組有功及無功負荷，使機組在振動較小的負荷區(qū)域內(nèi)運行，或者停機檢查各導(dǎo)軸承間隙有否大的變化，檢查各導(dǎo)軸瓦的推力螺栓有無松動。
2.2水導(dǎo)軸承的潤滑水中斷
設(shè)計措施
（1）當潤滑水中斷或水壓降低時，首先應(yīng)投入備用水源，然后清掃取水濾網(wǎng)及過濾器，或查找潤滑水自動供水閥誤關(guān)閉的原因，處理完成后仍恢復(fù)原供水系統(tǒng)

的正常供水。
（2）若軸承采用水泵供水時，當出現(xiàn)水泵停止供水或其出口水壓下降而造成潤滑水中斷，應(yīng)首先起動備用水泵供水，然后再查明水泵停止供水或其出口水壓下降的原因，并做相應(yīng)處理；
（3）當無法立即恢復(fù)供水時，為了不致造成事故擴大，應(yīng)立即停機。
2.3發(fā)電機溫度過高
設(shè)計措施：發(fā)電機超負荷運行，則迅速減少負荷；如定子三相電流不對稱，則查明原因迅速消除；冷卻水中斷，應(yīng)迅速停機；部分冷卻器堵塞，應(yīng)維持在低負荷運行，迅速排除故障。
2.4發(fā)電機著火
可采取如下措施：緊急停機；打開發(fā)電機消防用水閥門進行滅火；滅水過程中應(yīng)關(guān)閉發(fā)電機冷、熱風(fēng)口，保持風(fēng)洞密封，嚴禁用泡沫滅火器或砂子、石灰進行滅火
3發(fā)電機的異常運行
3.1發(fā)電機過負荷
設(shè)計措施
（1）注意監(jiān)視電壓、頻率及電流大小，是否超過允許值；
（5 c’ n( f2 |3 F f. X: U2）如電壓或頻率升高，應(yīng)立即降低無功或有功負荷使定子電流降至額定值，如調(diào)整無效
時應(yīng)迅速查明原因，采取有效措施消除過負荷
（3）如電壓、頻率正?；蚪档蜁r應(yīng)首先用減小勵磁電流的方法，消除過負荷，但不得使母線電壓降至事故極限值以下，同時將情況報告值長；
（4 ]” @! T# y/ W* }- z5 k7 a2 c4）當母線電壓已降到事故極限值，而發(fā)電機仍過負荷時，應(yīng)根據(jù)過負荷多少，采取限負荷運行并聯(lián)系調(diào)度起動備用機組等方法處理。
3.2發(fā)電機轉(zhuǎn)子一點接地
設(shè)計措施
（1）檢查轉(zhuǎn)子一點接地信號能否復(fù)歸，若能復(fù)歸，則為瞬時接地，若不能復(fù)歸，并且轉(zhuǎn)子一點接地保護正常，則為永久接地；
（# F5 V” A2 i6 X! Q/ K& w2）利用轉(zhuǎn)子電壓表，測量轉(zhuǎn)子正對地、負對地電壓值；（如發(fā)現(xiàn)某極對地電壓降至零，另一極對地電壓升至全電壓，說明確實發(fā)生一點接地。
（/ O7 m) G2 U/ q& P# y$ v3）檢查勵磁回路，判明接地性質(zhì)和部位；
（% i; ^: w, y6 A6 X# o4）如系非金屬性接地，應(yīng)立即報告調(diào)度設(shè)法處理，同時作好停機準備；
（- A” # i% I” r5）如系金屬性接地，應(yīng)立即報告調(diào)度，啟動備用機組，解列停機。
) v: N- D8 a: P! ! w. V5 s3 S, U注意：通常來說，檢查處理時間大致為2小時，否則應(yīng)停機處理。
3.3轉(zhuǎn)子回路兩點接地
由于轉(zhuǎn)子兩點接地時，由于轉(zhuǎn)子電流增大，可能使勵磁回路設(shè)備損壞；若接地發(fā)生在轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)部，則轉(zhuǎn)子繞組過熱；機組劇烈振動損壞設(shè)備，因此立即緊急停機，并報告調(diào)度。
3.4發(fā)電機溫度過高
（1）若發(fā)電機的有功負荷或定子電流超過了額定值，則調(diào)整到額定范圍內(nèi)運行。
（” V8 J1 O$ G# H3 z! d2）若測溫裝置異常引起，則退出故障測點，并通知維護專業(yè)班組進行處理。
（3）若空冷器進、出水閥開度不夠，則調(diào)節(jié)空冷器進、出水閥開度。
（4）若機組冷卻水壓不足，則檢查供水泵，同時投入機組冷卻備用水，調(diào)整水壓至正常。
（5）若空冷器堵塞造成水路不通，則短時加壓供水或倒換機組冷卻水。
（- ]# X3 J8 b) f’ T {6）若空冷器進出水閥閥芯脫落在關(guān)側(cè)引起，轉(zhuǎn)移機組負荷降低機組出力運行，控制冷、熱風(fēng)溫度不致過高。
C’ `7 h) M( [7）在不影響全廠出力和系統(tǒng)的條件下，適當調(diào)整各機組的有、無功負荷分配。
5 2 Q5 U: P3 }6 c) W8）經(jīng)采取以上措施無效，定子線圈、鐵芯溫度超過120℃，則應(yīng)聯(lián)系調(diào)度停機處理。
3.5發(fā)電機轉(zhuǎn)子回路斷線
（1）立即停機，檢查FMK動作情況，并報告調(diào)度；
（; I t4 O& P1 W {2 C& `! X) H2）如有著火現(xiàn)象，應(yīng)立即進行滅火。
3.6發(fā)電機定子接地
（1）檢測、A、B、C三相對地電壓；（真接地時，定子電壓表指示接地相對地電壓降低或等于零，非接地相對地電壓升高，大于相電壓小于線電壓，且線電壓仍平衡。假接地時，相對地電壓不會升高，線電壓不平衡。這是判斷真、假接地關(guān)鍵）；
（2）經(jīng)檢查如系內(nèi)部接地，報告調(diào)度，起動備用機組或轉(zhuǎn)移負荷，盡快解列停機；
（3）經(jīng)檢查如系外部接地，應(yīng)查明原因，報告調(diào)度，按調(diào)度的要求處理；
（4）在選擇接地期間，應(yīng)監(jiān)視發(fā)電機接地電壓，發(fā)現(xiàn)消弧線圈故障應(yīng)立即停機。
4水輪機葉片的磨損腐蝕防護措施
水輪機產(chǎn)生磨蝕的原因涉及到多種因素，結(jié)合湘江流域自身水資源的具體環(huán)境因素，開展了多方面的研究及探索，并分析了該區(qū)域水輪機磨蝕的規(guī)律，總結(jié)出以下有效措施可進行水輪機磨蝕的防護。
3.1 涂層防護
水輪機過流部件表面涂層防護技術(shù)已經(jīng)比較成熟，目前國內(nèi)外常用于表面涂層防護的方法有環(huán)氧金剛砂涂層防護、聚氨酯涂層防護、抗磨焊條堆焊防護、碳化鎢噴涂水輪機磨蝕防護。
3.1.1 環(huán)氧金剛砂涂層防護
環(huán)氧金剛砂分子結(jié)構(gòu)緊密，該涂層可以有效減少或隔絕酸、堿等腐蝕性介質(zhì)對基材的擴散滲透能力，且具有價格低廉、施工簡易和抗磨性能好等特點，能對泥沙磨蝕的非空化區(qū)起到有效的保護作用。在70 年代三門峽水電站首次采用了該技術(shù)，使用此涂層實現(xiàn)了對水輪機葉片正面、固定導(dǎo)葉、中環(huán)等部位的保護；此后在多個水電站進行試驗，結(jié)果表明該涂層對水輪機過流部件的非氣蝕區(qū)有很好的保護作用。但對于嚴重氣蝕區(qū)，該涂層的防護效果不夠理想。
3.1.2 聚氨酯涂層防護
聚氨酯為有機高分子化合物，該涂層在抗氣蝕磨損方面具有很好的效果。聚氨酯涂層可以吸收泥沙顆粒的沖擊力，且具有耐磨、強度高、彈性大等特點。但涂層抗硬物沖擊和割傷能力較差，一旦局部被劃傷，會造成大面積脫落，或因為粘接強度不夠，往往機組運行時間不長涂層便大面積或整體脫落。目前，國內(nèi)已經(jīng)研制成功粘接強度達到30MPa 的聚氨酯涂層，現(xiàn)已在各大水電站推廣使用。
3.1.3 抗磨焊條堆焊防護
在氣蝕區(qū)堆焊，可以加強碳鋼類過流部件的抗磨效果。焊條的篩選要結(jié)合抗磨損、抗氣蝕及焊接工藝等多方面因素綜合考慮，針對強氣蝕區(qū)，推薦堆焊材料最好選用A132、0Cr13Ni4Mo、GB1 焊條，這3 種焊條的抗磨蝕性能排序為GB1>0Cr13Ni4Mo>A132。根據(jù)不同的氣蝕強度，可在不同區(qū)域使用不同的堆焊材料，如葉片頭部三角區(qū)、背部出水邊和外緣區(qū)，采用抗磨性能優(yōu)良的GB1 焊條，在一般氣蝕區(qū)采用發(fā)煙少、焊接工藝好、價格低的0Cr13Ni4Mo 焊條或A132 焊條。
3.1.4 高速氧燃噴涂碳化鎢防護
丙烷、丙稀和氧氣利用超音速火焰噴涂槍，經(jīng)過混合燃燒后，產(chǎn)生速度在1 500m/s 以上的高溫氣流，同時在噴嘴處它會將高壓空氣送入的碳化鎢粉末粉末熔化，并且產(chǎn)生500m/s左右的高速射流，從而均勻地把熔化后的粉末噴涂在材料表面上，形成高密度的強化涂層。這種涂層雖然在抗氣蝕、抗硬物沖擊方面較弱，但對泥沙磨損具有很好的抵抗能力。在不受硬物撞擊的非氣蝕區(qū)，即使含沙量很高的河水中磨蝕率也會降低很多。碳化鎢涂層是目前最為有效的表面防護方法，但需要專門的噴涂設(shè)備，成本較高。
3.2 優(yōu)化水輪機設(shè)計
通過觀察分析，流速高、脫流、旋渦等均會加大水輪機磨蝕。因此，在水輪機的設(shè)計以及制造工藝上，葉片的形狀需符合水流流態(tài)，且作用在葉片上的壓力必須分布均勻，另外采用抗磨蝕材料如不銹鋼轉(zhuǎn)輪，提高加工光潔度等，可使過流部件的抗磨能力進一步提高。為了確保葉片的葉型更加正確，可使用數(shù)控機床對葉片進行精加工，使葉片的流道誤差減小且過流表面光滑，可以更好地保障過流部件的抗磨蝕能力。
3.3 減少過機泥沙
在早期的水電站建設(shè)過程中，我國有過不少的經(jīng)驗與教訓(xùn)，如在每年汛期時，水流中的泥沙特別多，水電站的排沙設(shè)施不到位，從而使過機泥沙對水輪機造成很大的磨蝕。因此，在進行水電站設(shè)計時就一定要考慮如何減少泥沙通過水輪機流道，如設(shè)置一定容量的沉沙池、排沙洞等設(shè)施；另外，采用蓄清排渾、洪水排沙、平水發(fā)電等方式，也可以較好地解決排沙與發(fā)電的關(guān)系。目前，我們已經(jīng)通過多種技術(shù)手段有效地減少了過機泥沙含量，從而降低水輪機過流部件的磨蝕程度。