協(xié)聯(lián)優(yōu)化對軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機組運行穩(wěn)定性的影響

王輝斌，鄒桂麗，莫 劍，熊 智，陳貞石，張亞林，李 明

（1．湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；2．湖南省東江水電廠，湖南 郴州 423403）

與混流式水輪機組相比，轉(zhuǎn)槳式水輪機組結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，安裝要求較高。在實際運行過程出現(xiàn)了各種問題，嚴重時甚至影響到機組安全穩(wěn)定運行。如黃河大峽水電站第2臺機組自投運起即存在上導(dǎo)擺度大、振動嚴重等缺陷[1]，福建水口水電站2號機組上機架振動、軸擺度嚴重超標問題[2]，葛洲壩二江水電機組水導(dǎo)擺度嚴重超標、40%～55%額定負荷區(qū)存在強振等問題[3]，Inverawe電站25 MW機組高負荷區(qū)存在振動過大[4]。可見有必要對此類水輪發(fā)電機組的運行規(guī)律進行試驗研究，總結(jié)出優(yōu)化運行穩(wěn)定性狀態(tài)的一般性策略。本文以小東江水電站為例進行研究分析。

小東江水電站位于湖南省資興市境內(nèi)耒水河上，裝設(shè)4臺水輪發(fā)電機組，1、2號機組單機容量7 MW，為定槳式水輪發(fā)電機組；3、4號機組單機容量20．5 MW，為轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機組。工程于1984年開始施工，1990年10月投產(chǎn)發(fā)電。電站最大水頭17．3 m，最小水頭9 m，加權(quán)平均水頭14．6 m。

1 小東江水電站機組振動情況及初步分析

小東江水電站3號機組自投運起即存在振動異常，擺度經(jīng)常性異常增大，部分工況下存在嚴重振動。根據(jù)湖南省電力公司科學(xué)研究院2006年14 m水頭的測試結(jié)果顯示：①機組在低負荷 （3～4 MW左右）運行時存在強烈振區(qū)，上機架振動最大達到了200 μm左右；②大軸擺度超標，最大達到400 μm左右，調(diào)整軸瓦間隙后有逐步增大趨勢；③非振動區(qū)運行的振動幅值偏大：上機架水平振動大部分工況超過了120 μm，水導(dǎo)軸承水平振動最大達80 μm。各部位振動趨勢如圖1所示。

圖1 14 m水頭振動擺度趨勢示意

為確保安全穩(wěn)定運行，電廠每年對機組進行多次檢修。雖經(jīng)檢修將機組軸線調(diào)整合格、導(dǎo)瓦間隙調(diào)整至要求值，但機組振動擺度依然異常偏大，可見軸線及軸瓦間隙并非是引起該機組異常振動的根本性原因。另根據(jù)該機組變勵磁試驗數(shù)據(jù)分析，各部位振動擺度幅值與勵磁電壓幅值的關(guān)系不明顯，因此基本排除電氣因素的振動。經(jīng)分析，不能排除該機組協(xié)聯(lián)曲線不佳導(dǎo)致機組異常運行。嚴重的機組振動影響該機組安全穩(wěn)定運行，增加檢修工作量，影響發(fā)電效益，為此電廠自2006年以來聯(lián)合試驗單位對該機組的異常振動進行了試驗研究。

2 試驗方案

（1)原協(xié)聯(lián)關(guān)系測試。試驗時，機組并網(wǎng)至空載開度，調(diào)速器切現(xiàn)地控制，在空載至最大負荷開度調(diào)節(jié)若干個導(dǎo)葉開度，每個工況點穩(wěn)定3～5 min。

（2)協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化試驗。根據(jù)調(diào)速器內(nèi)置協(xié)聯(lián)曲線需在5個水頭下進行試驗，但考慮到水頭調(diào)整的方便性，實際進行了12、14、15 m水頭的協(xié)聯(lián)優(yōu)化試驗。試驗時，導(dǎo)葉開度分別穩(wěn)定在空載開度至最大負荷開度調(diào)節(jié)若干個開度，每個導(dǎo)葉開度工況點手動調(diào)節(jié)槳葉開度，在原協(xié)聯(lián)點附近單向調(diào)節(jié)5～6個槳葉開度，每個工況穩(wěn)定若干時間。

（3)協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化后測試。優(yōu)化后測試的目的是為了通過對比測試，評估協(xié)聯(lián)優(yōu)化的效果。如效果不理想，可對協(xié)聯(lián)關(guān)系進行適當修正。并重復(fù)該項試驗，直至達到預(yù)期效果為止。試驗時，先將水頭調(diào)整至與原協(xié)聯(lián)關(guān)系試驗時相同的水頭，在接近導(dǎo)葉開度工況下進行測試。

（4)動平衡處理。調(diào)速器協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化后，為進一步優(yōu)化機組的運行狀況，視機組的振動擺度情況，可適當進行動平衡處理。

3 處理過程

3.1 協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化后曲線，規(guī)律跟原協(xié)聯(lián)曲線的規(guī)律基本一致：同一導(dǎo)葉開度下進行比較，12、13、14 m水頭的優(yōu)化槳葉開度比原槳葉開度分別降低了約20%、15%、12%。協(xié)聯(lián)曲線對比見圖2所示：

圖2 協(xié)聯(lián)曲線優(yōu)化前后對比

3.1.1 協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化對水輪機性能指標的影響分析各試驗水頭下，在相同導(dǎo)葉開度工況下進行對比，協(xié)聯(lián)優(yōu)化后，水輪機的指數(shù)效率均明顯得到了提高 （平均提高約5%），各工況均有改善 （見圖3所示）。

圖3 14 m水頭協(xié)聯(lián)優(yōu)化前后水輪機指數(shù)效率對比

協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化后在14 m水頭下 （額定水頭），機組最大出力達到20．8 MW，能滿足機組設(shè)計要求。

3.1.2 協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化對機組穩(wěn)定性的影響分析

協(xié)聯(lián)曲線的優(yōu)化對機組的運行穩(wěn)定性有一定的改善，對70%導(dǎo)葉開度以下機組運行穩(wěn)定性有明顯改善，其中50%導(dǎo)葉開度附近的水導(dǎo)擺度改善最為明顯 （降低約200 μm左右），高負荷區(qū)上機架水平振動降低約30 μm。

協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化試驗明顯提高了水輪機的效率；改善了機組的運行穩(wěn)定性，特別是明顯改善了低負荷區(qū)機組的運行狀況，對高負荷區(qū)的上機架水平振動也有所改善。

3.2 動平衡優(yōu)化研究

為進一步優(yōu)化機組的運行狀況，決定對小東江3號機組進行動平衡試驗。該機組轉(zhuǎn)子質(zhì)量為146 t，配重半徑為3．3 m，轉(zhuǎn)速為107 r/min，根據(jù)經(jīng)驗在轉(zhuǎn)子上試加配重40kg，第一次試加在6號支臂（勵磁出線段對應(yīng)的支臂為1號支臂，順時針編號，共8個支臂）上，第二次試加在8號支臂上，經(jīng)兩次試重，最終在5號支臂上加35 kg，4號支臂上加10 kg。配重效果見表1所示。

表1 動平衡試驗結(jié)果

經(jīng)配重，上導(dǎo)擺度和上機架水平振動幅值降低約50%以上，水導(dǎo)擺度在空載工況幅值有所改善。

4 優(yōu)化分析

4.1 優(yōu)化前后對比

在完成以上試驗后，為驗證最終優(yōu)化效果，進行了13、14 m水頭穩(wěn)定性對比測試，其中14 m水頭優(yōu)化效果更為明顯，對比結(jié)果見圖4。

4.2 優(yōu)化結(jié)果

（1）振動區(qū)內(nèi)機組最大振動擺度幅值降低一半以上，解決了機組低負荷區(qū)內(nèi)的強振：上機架振動從最大244 μm降低到最大97 μm，上導(dǎo)擺度最大值從289 μm降低到113 μm，水導(dǎo)軸承水平振動從最大 83 μm 降低至 23 μm。

（2）非振動區(qū)內(nèi) （40%以上導(dǎo)葉開度）運行，機組狀態(tài)良好：上導(dǎo)擺度最大88 μm，上機架水平最大振動為56 μm。

4.3 試驗結(jié)論及建議

（1）根據(jù)無水測試結(jié)果，該機組的協(xié)聯(lián)關(guān)系在60%以上導(dǎo)葉開度槳葉的誤差較大，建議對調(diào)速器特性進行全面檢查測試，消除協(xié)聯(lián)誤差。

（2）處理后機組在非振動區(qū)運行時水導(dǎo)擺度仍有約300 μm左右，盡快安排檢修機會，對機組的軸線、各導(dǎo)瓦間隙進行檢查調(diào)整。

（3）盡可能避開機組振動區(qū) （35%以下導(dǎo)葉開度）運行。

5 結(jié)語

小東江水電站3號機組通過協(xié)聯(lián)優(yōu)化、動平衡處理、檢修等手段，成功消除了機組振動異常狀況，機組運行穩(wěn)定性狀態(tài)得到了極大改善：①消除了低負荷區(qū)內(nèi)的強振，降低了振動擺度幅值；②水輪機效率得到了明顯提高，且能滿足機組額定出力要求。

圖4 14 m水頭協(xié)聯(lián)優(yōu)化前后擺度對比

由此可見，采取協(xié)聯(lián)關(guān)系的優(yōu)化和動平衡處理等多種手段，是改善轉(zhuǎn)槳式水輪機組運行穩(wěn)定性的重要措施。同時也證實了協(xié)聯(lián)的進一步優(yōu)化將對優(yōu)化機組運行狀態(tài)具有不可忽視的作用，轉(zhuǎn)槳式水輪機的協(xié)聯(lián)曲線需經(jīng)現(xiàn)場試驗驗證確定。

該項目的成功經(jīng)驗不僅適用于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機組，對貫流式水輪機組同樣也有重要的參考價值。

［1］ 李建衛(wèi)，等.軸流轉(zhuǎn)槳式機組振動問題處理［J］.水電站機電技術(shù)， 2002（1）:48-49.

［2］ 水口機組轉(zhuǎn)槳式機組幾起振動消除的方法［J］.大電機消息，2000（12）：13-15.

［3］ 劉梅清.大型軸流轉(zhuǎn)槳式機組導(dǎo)軸承間隙增大的演變及原因分析，水電站機電技術(shù)，1990（4）:4-7.

［4］ R．M．萊塞，等.解決25 MW軸流轉(zhuǎn)槳式機組的振動問題，國際水力發(fā)電， 2003（4）:20-24.

［5］ 馬振岳，等.水電站機組及廠房振動的研究與治理［M］.北京：中國水利水電出版社，2004.