燈泡貫流式水輪發電機組穩定性測試與分析

周斌，萬天虎，李華

（1.大唐定邊風電廠，陜西定邊718600；2.陜西電力科學研究院，陜西西安710054）

燈泡貫流式水輪機[1-4]具有適用水頭低、過機流量大以及效率高等特點，一般用于開發低水頭、大流量的水力資源，水頭適應范圍為5～25m。機組結構與常規的混流式和軸流轉槳式機組存在較大的區別，整個機組為臥式布置，發電機組橫向布置在流道中，典型結構如圖1所示。燈泡貫流式流道順直，流場分布較均勻，水力效率較高，在相同的容量下尺寸比立式機組小得多，機組重量輕，土建工程量小，節省投資。近年來機組單機容量越來越大，目前已投產廣西橋鞏電站機組單機容量為57 MW，是國內最大的燈泡貫流式機組。

燈泡機組整體均在流道中，其中燈泡體是燈泡貫流式機組的核心部分，它外部作為過水流道的一部分內部布置機組大軸、軸承、發電機定子、轉子等部件。燈泡體是大型的薄殼外壓容體結構，承受水壓力、轉動以及固定部分重量。由于機組轉動慣量小，使得Tw（水流慣性時間常數）/Ta（機組慣性時間常數）值較大，水輪機水力振動對機組振動的影響也比較大，因此，燈泡貫流式機組的水力振動是影響機組運行穩定性的重要原因。另外由于制造、安裝等原因可能造成機組轉動部分重量不平衡，離心力不平衡以及協聯關系不匹配都是引起機組運行不穩定的常見原因。通過測試，可全面分析出機組的運行狀況，為機組的檢修、運行提供可靠依據[5-6]。

1 機組運行穩定性要求

1）《GB/T8564—2003水輪發電機組安裝技術規范》第15.3條第15.3.1-d)款規定：測量機組運行擺度（雙振幅），其值應不大于75%的軸承總間隙。

2）GB/T8564—2003第15.3條第15.3.1-e） 款規定：對轉速小于250~375 r/min的機組測量機組振動，水導、發導軸承振動不能超過80μm，發導軸承軸向振動不能超過80μm；燈泡頭水平振動不超過100μm；以上振動限定值為除過速運行以外的各種穩定運行工況下的雙振幅值。

3）《水輪發電機基本技術條件GB/T7894-2001》第4.3.10條規定：在水輪發電機出口處上方垂直距離1m處測量的噪聲水平，應不超過85dB（A）。

4）《水輪機基本技術條件GB/T 15468—2006》第5.8條規定：水輪機正常運行時，在轉輪室周圍1m處所測得的噪聲不應大于90 dB。

2 測試內容及測點布置

2.1 測試項目

2.1.1 變轉速試驗

試驗時把機組轉速分別調整至60%、80%、100%、110%的額定轉速，每工況下要穩定運行5min，觀測分析機械因素（轉子質量不平衡）對機組振動的影響。試驗過程中發電機轉子不加勵磁，機組在上述不同轉速運行穩定后，測量機組各部位的振動、大軸擺度。

2.1.2 變勵磁試驗

機組以額定轉速運行，試驗時勵磁電流分別調整至發電機空載額定電壓對應的勵磁電流的0%、50%、100%，實測試驗中勵磁電壓變化，每工況要穩定運行5min，觀測分析電氣因素（磁拉力不平衡）對機組振動的影響。

2.1.3 變負荷試驗

機組從并網后空載運行開始，負荷一般以10%額定負荷為步長，從空載逐步增加至額定負荷。每個工況穩定運行5min。在額定轉速和額定勵磁工況下機組運行試驗，主要分析機組帶負荷情況下運行情況，確定振區范圍。

2.2 測點布置

2.2.1 大軸擺度測點

1）受油器處擺度測點（X、Y方向各一個）：傳感器支架固定在受油器外罩處。

2）發電機軸承擺度測點（X、Y方向各一個）：傳感器支架固定在軸承外殼上。

3）水輪機軸承擺度測點（X、Y方向各一個）：傳感器支架固定在軸承外殼上。

4）大軸擺度鍵相測點：傳感器支架固定在水導軸承外殼上，與水導擺度測點位置一致。

2.2.2 振動測點

1）燈泡頭軸向振動，燈泡頭+X方向（水平傳感器）。

2）燈泡頭徑向振動，燈泡頭+X方向（垂直傳感器）。

圖1 燈泡貫流式機組典型結構圖Fig.1 The structure diagram of bulb turbine generating unit

3）發電機導軸承徑向振動，+Y方向（垂直傳感器）。

4）發電機導軸承（組合軸承）軸向振動，+X方向（水平傳感器）。

5）水輪機導軸承徑向振動，+Y方向（垂直傳感器）。

6）水輪機導軸承徑向振動，+X方向（水平傳感器）。

7）轉輪室徑向振動，+Y方向（垂直傳感器）。

8）轉輪室徑向振動，+X方向（水平傳感器）。

2.2.3 壓力測點

1）導葉進口前：壓力傳感器安裝在水壓測量盤上；

2）尾水進口：壓力傳感器安裝在水壓測量盤上。

2.2.4 噪音測點

1）燈泡頭；

2）發電機出口1m處；3）發電機層；

4）轉輪室上方1m處。

3 測試實例分析

3.1 機組基本參數

機組基本參數見表1。

表1 機組基本參數Tab.1 Basic parameters of the unit

3.2 變轉速試驗

提取機組在空轉狀態60%、80%、100%以及110%轉速下大軸擺度、水導軸承支架振動轉頻分量，得到轉頻分量與轉速平方關系圖2。

根據轉速平方變化趨勢，總體上不隨著轉速的升高呈線性上升，動平衡問題對機組穩定運行影響很小，基本上不存在明顯的動平衡問題。

圖2 振動、擺度轉頻分量與轉速平方關系圖Fig.2 The relational graph between the rotating frequency components of the vibration,throw and square of rotating speed

3.3 變勵磁試驗

圖3 為勵磁電壓與振動擺度關系曲線。從曲線中可以看出：隨著勵磁電壓的變化機組大軸擺度以及燈泡頭、軸承支架振動變化不明顯，不存在明顯的磁拉力不平穩問題。

圖3 勵磁與振動擺度關系曲線Fig.3 Relationship curve between excitation w ith vibration

3.4 變負荷試驗

圖4 為大軸擺度隨負荷變化曲線，在75%（35MW）以下負荷機組大軸擺度隨著負荷的變化基本沒有變化，當機組負荷超過75%時水導處兩個方向大軸擺度增大，而在離轉輪最遠的受油器部位的大軸擺度無明顯變化。根據圖5的振動情況來看，同樣在75%以下各部位振動基本無明顯變化，負荷超過75%以后軸承振動、轉輪室振動隨著負荷的增大逐步增大，燈泡頭水平振動、發導（推力）軸向振動在所有負荷工況下基本沒有變化。帶負荷工況下燈泡頭、導軸承以及轉輪室徑向振動均存在頻率為10.3Hz（5倍轉頻）的振動分量，其中燈泡頭、轉輪室徑向振動以10.3Hz為主，振幅變化趨勢與尾水進口壓力脈動變化趨勢一致。

圖4 大軸擺度幅值隨負荷變化曲線圖Fig.4 Curve graph of the axis throw w ith the loads

圖5 機組振動幅值隨負荷變化曲線圖Fig.5 Curve graph of the vibration amp litude of unitsw ith the loads

圖6 為壓力脈動隨負荷變化過程曲線，在負荷超過65%（30 MW）時尾水壓力脈動逐步增加，活動導葉進口處壓力脈動無明顯變化，尾水壓力脈動變化過程與振動變化趨勢基本一致。

圖6 機組壓力脈動幅值隨負荷變化曲線圖Fig.6 Curve graph of pressure fluctuation am plitude of unitsw ith the loads

圖7 轉輪室振動與尾水進口壓力脈動Fig.7 The vibration at runner chamber and pressure fluctuation at entrance of the draft tube

根據圖7所示的轉輪室振動與尾水進口壓力脈動的原始波形分析，振動的波形與頻率與尾水壓力脈動基本一致，說明尾水壓力脈動是引起機組轉輪室、水導軸承振動的原因，這與常規混流式機組、軸流式機組一樣，但是對于混流、軸流式機組一般尾水壓力脈動較大的工況應該在部分工況下（30%~50%負荷），而試驗對象機組負荷越大尾水壓力脈動越大，與常規的混流式、軸流轉槳式機組有明顯區別。

3.5 噪音測試結果

根據空載工況、20 MW、44MW負荷的噪音測量結果（表2），在20 MW、44 MW負荷下轉輪室噪音超過標準，在44 MW發電機出口噪音超標。

表2 噪音測試結果Tab.2 Test results of noise dB

4 結語

從試驗機組實測結果分析，尾水壓力脈動隨著機組負荷的增大而增大，與混流式機組在部分負荷工況下尾水壓力脈動較大不同，尾水進口壓力脈動會直接引起轉輪室振動。

根據噪音測量結果，存在噪音超標的情況，特別是在燈泡頭噪音較大超過100 dB，在日常工作中工作人員配備相應的勞保用品，做好噪音的防護工作。

對于轉輪室振動幅值目前無明確的國家和行業標準，為確保機組安全，在對機組轉輪室結構、材料、應力綜合分析以及測試的基礎上，制定機組轉輪室振動的運行標準，以及制定相應的技術措施。

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