某水電機(jī)組開機(jī)過程振動異常診斷及處理

陳新建

（國網(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江省麗水市 323000）

某水電機(jī)組開機(jī)過程振動異常診斷及處理

陳新建

（國網(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江省麗水市 323000）

某水電廠機(jī)組增容改造后，機(jī)組在開機(jī)過程中出現(xiàn)了振動異常問題，瞬時振動劇烈，從而影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時，機(jī)組異常振動造成廠房的結(jié)構(gòu)振動，嚴(yán)重時機(jī)組與廠房機(jī)構(gòu)產(chǎn)生共振，對廠房的安全造成較大威脅。本文對該機(jī)組開機(jī)過程振動異常問題進(jìn)行了認(rèn)真的診斷分析，找出引起機(jī)組開機(jī)過程振動異常的主要原因，并針對性地提出處理策略，實(shí)現(xiàn)了減少機(jī)組開機(jī)過程異常振動的目標(biāo)。

水力發(fā)電；開機(jī)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(jī)組進(jìn)行了水輪機(jī)部分的增容改造工作，改造后水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪型號為HLA835-LJ-305，水輪機(jī)設(shè)計(jì)出力為56.7MW。改造后機(jī)組先后進(jìn)行了72h滿負(fù)荷（55MW）試運(yùn)行、三次機(jī)組穩(wěn)定性與能量性能試驗(yàn)，并對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了三次開孔檢查及一次小修，增容改造部件及發(fā)電機(jī)均未發(fā)現(xiàn)異常問題。機(jī)組增容改造后，調(diào)速器未更換改造，機(jī)械部分：WT—150，自動控制部件：PLC—Ⅲ，已運(yùn)行10年?？傮w運(yùn)行情況較好。但是，在機(jī)組投入正常運(yùn)行后，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)該機(jī)組在開機(jī)過程中瞬時振動劇烈，在機(jī)組旁（發(fā)電機(jī)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(jī)組開機(jī)時強(qiáng)烈的振動感。如不能很好解決機(jī)組開機(jī)過程振動異常問題，隨著時間的推移，勢必影響到機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。同時，機(jī)組短時的強(qiáng)烈振動引起廠房的結(jié)構(gòu)振動，嚴(yán)重時機(jī)組與廠房結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，對廠房的安全構(gòu)成巨大的威脅。

1 機(jī)組開機(jī)過程振動現(xiàn)狀研究與診斷

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

根據(jù)以上數(shù)據(jù)分析，5號機(jī)開機(jī)過程比甩負(fù)荷100%時（68.67m水頭）的機(jī)架振動都要大，且從現(xiàn)場聲音判斷，機(jī)組自動開機(jī)過程局部可能產(chǎn)生廠房結(jié)構(gòu)共振。68.67m水頭開機(jī)過程壓力量時域波形圖見圖1，68.67m水頭開機(jī)過程上機(jī)架、定子鐵芯和定子基座振動時域波形圖見圖2。

從該開機(jī)過程線圖中可以看出，導(dǎo)葉開啟到一定位置后，在第26s左右時接力器會有回關(guān)動作，引起蝸殼進(jìn)水口的壓力突然增大，壓力最高達(dá)到805kPa，脈動值為10.5%。從上面對機(jī)組啟動過程中實(shí)測振動過程可以看出，接力器回關(guān)時上機(jī)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(jī)組開機(jī)過程中振動異常的重要因素。

圖1 68.67m水頭開機(jī)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(jī)過程上機(jī)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(jī)組水壓脈動過大的主要原因主要有轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)不合理、開停機(jī)次數(shù)過于頻繁、開機(jī)策略不佳等。而根據(jù)《機(jī)組穩(wěn)定性和能量性能試驗(yàn)》和《水輪發(fā)電機(jī)組動平衡試驗(yàn)》的試驗(yàn)結(jié)果表明轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)沒有問題。經(jīng)過與其他機(jī)組比較，5號機(jī)開停機(jī)次數(shù)與其他機(jī)組相差不大，但是其他機(jī)組在開機(jī)過程中沒有振動超標(biāo)的現(xiàn)象。因此，重點(diǎn)對機(jī)組開機(jī)策略進(jìn)行了分析。調(diào)速器開機(jī)過程曲線見圖3。

圖3 調(diào)速器開機(jī)過程曲線Fig.3 Governor start-up process curve

A點(diǎn)開度Y1：空載開度+12%，受最大和最小空載開度設(shè)定值影響。當(dāng)機(jī)組頻率達(dá)到45Hz時（即B點(diǎn)），調(diào)速器將導(dǎo)葉開度壓至按水頭計(jì)算得出的空載開度給定值Y2，經(jīng)PID調(diào)節(jié)到達(dá)D點(diǎn)開度Y3。從中我們可以發(fā)現(xiàn)，自動開機(jī)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(jī)組進(jìn)行了手動開機(jī)試驗(yàn)，慢慢增加導(dǎo)葉開度，直至機(jī)組達(dá)到空載狀態(tài)，完成開機(jī)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(jī)模式下68.67m水頭分析見表2。

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

表2 不同開機(jī)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(jī)組開機(jī)過程振動異常處理

根據(jù)以上分析診斷可知，開機(jī)策略不佳是引起該機(jī)組開機(jī)過程振動異常的主要原因，為此，進(jìn)一步優(yōu)化開機(jī)策略就成為解決該問題的關(guān)鍵方法。

2.1 開機(jī)策略分析

根據(jù)調(diào)速機(jī)開機(jī)過程曲線分析可知，將機(jī)組開機(jī)過程中導(dǎo)葉最大開度Y1（開機(jī)頂值）減?。碅點(diǎn)），在水頭不變（手動）的條件下，開機(jī)過程中Y2的值是相對不變的，改變導(dǎo)葉開度Y1的值，也就改變了導(dǎo)葉的壓回行程，從而減小了導(dǎo)葉回關(guān)速率。因此，找到一個既不影響調(diào)節(jié)品質(zhì)，又能保證開機(jī)時間在允許的范圍內(nèi)的Y1成為減小機(jī)組的振動關(guān)鍵點(diǎn)。

當(dāng)前，調(diào)速器對應(yīng)最大水頭時導(dǎo)葉開度為26%，對應(yīng)最小水頭時導(dǎo)葉開度為15%，開機(jī)導(dǎo)葉最大開度為37%，而PID投時機(jī)組頻率為45Hz。

導(dǎo)葉開機(jī)頂值計(jì)算公式為

式中：Y——開機(jī)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(shí)際水頭（手給71m）；

y——空載開度補(bǔ)償值（加快開機(jī)速度）。

2.2 開機(jī)策略優(yōu)化

根據(jù)分析確定了三組參數(shù)進(jìn)行對比試驗(yàn)（詳見表 3）。

表3 修改調(diào)速器開機(jī)三組參數(shù)表Tab.3 Three groups of Governor Modification parameters table in start-up process

將以上三組參數(shù)進(jìn)行現(xiàn)場測試，三組參數(shù)測試對比見表4～表5。

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

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

經(jīng)過綜合比較分析，決定采用參數(shù)2作為新的調(diào)節(jié)參數(shù)，并對修改后參數(shù)狀態(tài)下的壓力脈動值與各部振動值進(jìn)行了跟蹤測評。修改前后機(jī)組壓力及脈動對比見表6。

從圖4可以明顯看出，修改開機(jī)頂值后，蝸殼壓力脈動及頂蓋壓力脈動減小，機(jī)組各部振動也有減小，效果明顯。在修改了調(diào)速器開機(jī)最大開度以后，開機(jī)過程中，機(jī)組在轉(zhuǎn)速達(dá)到一定時，發(fā)電機(jī)層瞬時振動仍能感覺到，但已不太強(qiáng)烈，副廠房休息室已沒有強(qiáng)烈振動感。GB/T 8564—2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》中對于機(jī)組轉(zhuǎn)速在100～250r/min之間的水輪發(fā)電機(jī)組各部位振動允許值做了規(guī)定，詳見表7。

表6 修改前后機(jī)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(jī)組各部位振動允許值Tab.7 Table of allowable vibration values for each part of Hydropower Unit

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

3 結(jié)束語

經(jīng)過以上分析診斷和處理，已經(jīng)圓滿解決了該水電廠5號機(jī)組開機(jī)過程中的振動異常問題，保障了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，消除了水電廠房結(jié)構(gòu)共振隱患，并對今后其他機(jī)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(jì)算機(jī)自動控制與調(diào)節(jié)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(jì)算方法［M］.長春：吉林大學(xué)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(jī)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(jī)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(jī)組水力振動的分析與防治[J].水利電力機(jī)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(fā)電機(jī)組振動分析處理[J].甘肅水利水電技術(shù)，2009（7）.TANG Ming，F(xiàn)ANG Fang.Analysis and Treatment of Hydraulic Vibration of Hydraulic Turbine[J].Gansu Water Conservancy and Hydropower Technology，2009（7）.

[8]Attila，P.帶分?jǐn)?shù)導(dǎo)數(shù)振動方程的有效解決[J].國際非線性力學(xué)學(xué)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(tài)機(jī)的抽水蓄能機(jī)組工況轉(zhuǎn)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(xiàn)標(biāo)識碼：A 學(xué)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(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠維修分場書記兼副主任。主要從事水電站設(shè)備運(yùn)檢管理工作。