某水電機組開機過程振動異常診斷及處理

陳新建

（國網浙江省電力公司緊水灘水力發電廠，浙江省麗水市 323000）

某水電機組開機過程振動異常診斷及處理

陳新建

（國網浙江省電力公司緊水灘水力發電廠，浙江省麗水市 323000）

某水電廠機組增容改造后，機組在開機過程中出現了振動異常問題，瞬時振動劇烈，從而影響了機組的安全穩定運行。同時，機組異常振動造成廠房的結構振動，嚴重時機組與廠房機構產生共振，對廠房的安全造成較大威脅。本文對該機組開機過程振動異常問題進行了認真的診斷分析，找出引起機組開機過程振動異常的主要原因，并針對性地提出處理策略，實現了減少機組開機過程異常振動的目標。

水力發電；開機過程；振動異常；診斷；處理策略

0 引言

某水電廠對該廠5號機組進行了水輪機部分的增容改造工作，改造后水輪機轉輪型號為HLA835-LJ-305，水輪機設計出力為56.7MW。改造后機組先后進行了72h滿負荷（55MW）試運行、三次機組穩定性與能量性能試驗，并對轉輪進行了三次開孔檢查及一次小修，增容改造部件及發電機均未發現異常問題。機組增容改造后，調速器未更換改造，機械部分：WT—150，自動控制部件：PLC—Ⅲ，已運行10年。總體運行情況較好。但是，在機組投入正常運行后，運行人員發現該機組在開機過程中瞬時振動劇烈，在機組旁（發電機層▽109）感到整個地面在振動；在副廠房休息室及壩頂（▽194）亦感到機組開機時強烈的振動感。如不能很好解決機組開機過程振動異常問題，隨著時間的推移，勢必影響到機組的安全穩定運行。同時，機組短時的強烈振動引起廠房的結構振動，嚴重時機組與廠房結構產生共振，對廠房的安全構成巨大的威脅。

1 機組開機過程振動現狀研究與診斷

為更好地診斷機組振動原因，從EN9000狀態監測系統（測量范圍0～2000μm，精度≤1μm，采用在線監測的方式）中提取在線監測數據，對機組開機過程的振動情況進行了跟蹤監測，重點分析了機組開機過程中的部分壓力脈動值和振動值，并將機組開機過程和正常運行過程進行了比較。不同工況下68.67m水頭分析見表1。

根據以上數據分析，5號機開機過程比甩負荷100%時（68.67m水頭）的機架振動都要大，且從現場聲音判斷，機組自動開機過程局部可能產生廠房結構共振。68.67m水頭開機過程壓力量時域波形圖見圖1，68.67m水頭開機過程上機架、定子鐵芯和定子基座振動時域波形圖見圖2。

從該開機過程線圖中可以看出，導葉開啟到一定位置后，在第26s左右時接力器會有回關動作，引起蝸殼進水口的壓力突然增大，壓力最高達到805kPa，脈動值為10.5%。從上面對機組啟動過程中實測振動過程可以看出，接力器回關時上機架、定子鐵芯和定子基座振動明顯增大。因此，水壓脈動過大是影響機組開機過程中振動異常的重要因素。

圖1 68.67m水頭開機過程壓力量時域波形圖Fig.1 Time domain waveform of process pressure with water head of 68.67m

圖2 68.67m水頭開機過程上機架、定子鐵芯和定子基座振動時域波形圖Fig.2 Time domain waveform of vibration of Upper Chassis，Stator Core and Stator Base with Water head of 68.67m

造成機組水壓脈動過大的主要原因主要有轉輪設計不合理、開停機次數過于頻繁、開機策略不佳等。而根據《機組穩定性和能量性能試驗》和《水輪發電機組動平衡試驗》的試驗結果表明轉輪設計沒有問題。經過與其他機組比較，5號機開停機次數與其他機組相差不大，但是其他機組在開機過程中沒有振動超標的現象。因此，重點對機組開機策略進行了分析。調速器開機過程曲線見圖3。

圖3 調速器開機過程曲線Fig.3 Governor start-up process curve

A點開度Y1：空載開度+12%，受最大和最小空載開度設定值影響。當機組頻率達到45Hz時（即B點），調速器將導葉開度壓至按水頭計算得出的空載開度給定值Y2，經PID調節到達D點開度Y3。從中我們可以發現，自動開機過程中有一段快速回壓的過程。因此，很有可能此過程引起過大的壓力脈動。為此，對該機組進行了手動開機試驗，慢慢增加導葉開度，直至機組達到空載狀態，完成開機過程，測量整個過程的壓力脈動值與各部振動值，以最終確定以上判斷。不同開機模式下68.67m水頭分析見表2。

從手動開機過程和自動開機過程振動對比可知，開機策略不佳是引起機組開機過程振動異常的主要原因。

表2 不同開機模式下68.67m水頭分析Tab.2 Analysis of Water Head of 68.67m in different start-up modes

2 機組開機過程振動異常處理

根據以上分析診斷可知，開機策略不佳是引起該機組開機過程振動異常的主要原因，為此，進一步優化開機策略就成為解決該問題的關鍵方法。

2.1 開機策略分析

根據調速機開機過程曲線分析可知，將機組開機過程中導葉最大開度Y1（開機頂值）減小（即A點），在水頭不變（手動）的條件下，開機過程中Y2的值是相對不變的，改變導葉開度Y1的值，也就改變了導葉的壓回行程，從而減小了導葉回關速率。因此，找到一個既不影響調節品質，又能保證開機時間在允許的范圍內的Y1成為減小機組的振動關鍵點。

當前，調速器對應最大水頭時導葉開度為26%，對應最小水頭時導葉開度為15%，開機導葉最大開度為37%，而PID投時機組頻率為45Hz。

導葉開機頂值計算公式為

式中：Y——開機頂值；

Ymax——最大空載開度；

Ymin——最小空載開度；

Xmax——最大水頭；

Xmin——最小水頭；

X——實際水頭（手給71m）；

y——空載開度補償值（加快開機速度）。

2.2 開機策略優化

根據分析確定了三組參數進行對比試驗（詳見表 3）。

表3 修改調速器開機三組參數表Tab.3 Three groups of Governor Modification parameters table in start-up process

將以上三組參數進行現場測試，三組參數測試對比見表4～表5。

表4 三組參數測試對比表1Tab.4 Three groups of parameters test comparison table1

表5 三組參數測試對比表2Tab.5 Three groups of parameters test comparison table 2

經過綜合比較分析，決定采用參數2作為新的調節參數，并對修改后參數狀態下的壓力脈動值與各部振動值進行了跟蹤測評。修改前后機組壓力及脈動對比見表6。

從圖4可以明顯看出，修改開機頂值后，蝸殼壓力脈動及頂蓋壓力脈動減小，機組各部振動也有減小，效果明顯。在修改了調速器開機最大開度以后，開機過程中，機組在轉速達到一定時，發電機層瞬時振動仍能感覺到，但已不太強烈，副廠房休息室已沒有強烈振動感。GB/T 8564—2003《水輪發電機組安裝技術規范》中對于機組轉速在100～250r/min之間的水輪發電機組各部位振動允許值做了規定，詳見表7。

表6 修改前后機組壓力及脈動對比表Tab.6 Comparison of pressure and pulsation of Hydropower unit before and after modification

表7 水輪機組各部位振動允許值Tab.7 Table of allowable vibration values for each part of Hydropower Unit

經測量，水平振動值已由原來的0.18mm降低到了現在的0.059mm，垂直振動值由原來的0.176mm降低到了現在的0.022mm，可以看出經過處理后的開機過程振動得到了極大的改善，已經符合國標。

3 結束語

經過以上分析診斷和處理，已經圓滿解決了該水電廠5號機組開機過程中的振動異常問題，保障了機組安全穩定運行，消除了水電廠房結構共振隱患，并對今后其他機組增容改造后類似問題的有效解決具有很高的參考價值。

[1]劉忠源，徐睦書.水電站自動化[M].北京：中國水利水電出版社，1998.LIU Zhongyuan，XU Mushu.Hydropower Station Automation[M].Beijing ：China Water & Power Press，1998.

[2]劉江嘯，白重峰.水電站計算機自動控制與調節的研究[J].華中電力，2007，20（5）.LIU Jiangxiao，BAI Chongfeng.Study on Computer Automatic Control and Regulation of Hydropower Station[J].Central China Electric Power，2007，20（5）.

[3]黃明游，梁振珊.計算方法［M］.長春：吉林大學出版社，1994.HUANG Mingyou，LIANG Zhenshan.Calculation method[M].ChangChun ：JiLin University Press，1994.

[4]張方求.高水頭水輪機的兩起異常振動原因分析[J].浙江電力，1997（5）.ZHANG Fangqiu.Analysis of Two Abnormal Vibration of High-head Turbine[J].Zhejiang Electric Power，1997（5）.

[5]林銘賢.混流式水輪機組振動初探[J].水利科技.2001（1）.LIN Mingxian.Study on Vibration of Francis Turbine [J].Hydraulic Science and Technology，2001（1）.

[6]駱德昌，鄧隱北.水輪機組水力振動的分析與防治[J].水利電力機械，1996（4）.LUO Dechang，DENG Yinbei.Analysis and Prevention of Hydraulic Vibration of Hydraulic Turbine[J].Water Conservancy & Electric Power Machinery，1996（4）.

[7]唐明，方芳.水輪發電機組振動分析處理[J].甘肅水利水電技術，2009（7）.TANG Ming，FANG Fang.Analysis and Treatment of Hydraulic Vibration of Hydraulic Turbine[J].Gansu Water Conservancy and Hydropower Technology，2009（7）.

[8]Attila，P.帶分數導數振動方程的有效解決[J].國際非線性力學學報，2010.Attila，P.Efficient solution of a vibration equation involving fractional derivatives[J].International Journal of Non Linear Mechanics，2010.

[9]周攀.基于有限狀態機的抽水蓄能機組工況轉換控制[J].水電與抽水蓄能，2015，1（1）：91-96.ZHOU Pan.The condition transformation control strategy for pumped-storage power station based on finite state machine[J].Hydropower and Pumped Storage，2015，1（1）：91-96.

The Diagnostics and Handling Strategy of Abnormal Vibration in Hydropower Units Start-up Process

CHEN Xinjian
（State Grid Corporation of China Zhejiang Electronic Power Company Jin Shuitan Hydropower Plant，Lishui 323000，China）

The abnormal vibration was found in the startup process of the hydropower units after capacity-increasing improvement，and threaten the safety，stability of the hydropower station.At the same time，the abnormal vibration can cause the sympathetic vibration and threaten the safety of workshop.The text diagnose and analyze the cause of the abnormal vibration，put forward handling strategy to solve the problem of the abnormal vibration in the start-up process of the hydropower units.

hydropower；start-up process；abnormal vibration；diagnose；handling strategy

TM622 文獻標識碼：A 學科代碼：470.40 DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2016.06.019

2016-01-19

陳新建（1981—），男，碩士，工程師，國網浙江省電力公司緊水灘水力發電廠維修分場書記兼副主任。主要從事水電站設備運檢管理工作。