淺析黃丹水電站機(jī)組協(xié)聯(lián)曲線對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響

曾 仕 釗

(四川海能黃丹水電有限公司，四川 沐川　614505)

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淺析黃丹水電站機(jī)組協(xié)聯(lián)曲線對(duì)運(yùn)行穩(wěn)定性的影響

曾 仕 釗

(四川海能黃丹水電有限公司，四川 沐川614505)

摘要：試驗(yàn)研究結(jié)果表明：協(xié)聯(lián)曲線的不優(yōu)是引起水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的原因之一。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行修正，能夠改善軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行工況，提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和水輪機(jī)的效率。黃丹水電站軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組異常振動(dòng)采取的處理措施，可為研究和改善該類型水輪機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性提供方法和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：協(xié)聯(lián)曲線；軸流轉(zhuǎn)槳式；運(yùn)行穩(wěn)定性；異常振動(dòng)；黃丹水電站

黃丹水電站位于四川省樂(lè)山市沐川縣黃丹鎮(zhèn)下游約4 km處，是馬邊河干流水電梯級(jí)規(guī)劃開(kāi)發(fā)中的第6級(jí)電站，于1992年9月開(kāi)工建設(shè)，1995年10月第一臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。黃丹水電站采用閘壩及壩后式廠房壅水發(fā)電，正常蓄水位高程378 m，設(shè)計(jì)水頭23 m,裝設(shè)三臺(tái)單機(jī)容量為15 MW的軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量45 MW。

2012年6月19日，四川省水利廳、四川省財(cái)政廳以川水函(2012)1094號(hào)文批復(fù)了沐川縣黃丹水電站增效擴(kuò)容改造初步設(shè)計(jì)報(bào)告。2013年6月20日，水規(guī)計(jì)(2013)288號(hào)文批復(fù)四川省農(nóng)村水電增效擴(kuò)容改造實(shí)施方案。增效擴(kuò)容改造后，單機(jī)容量增至16 MW，總裝機(jī)容量為48 MW。設(shè)計(jì)水頭23 m，最大水頭26.9 m，最小水頭11.8 m。

黃丹水電站三臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組改造前后的參數(shù)見(jiàn)表1、2。

表1　改造前水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)表

表2　改造后水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)表

黃丹水電站增效擴(kuò)容改造工作從2014年10月開(kāi)始動(dòng)工，于2015年11月23日全面完工。

1黃丹水電站機(jī)組振動(dòng)情況及初步分析

黃丹水電站三臺(tái)軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組均為哈爾濱電機(jī)廠設(shè)計(jì)制造，調(diào)速器裝置仍采用舊機(jī)組調(diào)速器裝置，其型號(hào)為DFWST-100-4.0-STARS微機(jī)型自復(fù)中雙調(diào)式調(diào)速器裝置。

三臺(tái)機(jī)組自改造完成投入運(yùn)行以來(lái)，先后暴露出一系列問(wèn)題。根據(jù)機(jī)組振區(qū)界定試驗(yàn)報(bào)告，#1、#2機(jī)組在1.6 MW至4.8 MW區(qū)域運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)水?dāng)[因尾水管渦帶壓力脈動(dòng)引起低頻水力振動(dòng)，其波形表現(xiàn)為0.36倍轉(zhuǎn)頻。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷帶至4.8 MW時(shí)由尾水管渦帶壓力脈動(dòng)引起的低頻水力振動(dòng)基本消失，形成良好的轉(zhuǎn)頻波形(圖1、2、3)。#3機(jī)組負(fù)荷升至1.6 MW時(shí)，出現(xiàn)了因尾水管渦帶壓力脈動(dòng)引起的低頻水力振動(dòng)，水?dāng)[受其影響表現(xiàn)為0.55倍頻與轉(zhuǎn)頻的混頻波。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷帶至6.4 MW時(shí)，尾水管渦帶壓力脈動(dòng)引起的輕微低頻水力振動(dòng)基本消失，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性優(yōu)良。

圖1　#1機(jī)組1.6 MW負(fù)荷時(shí)水?dāng)[+Y的雜亂波形及頻譜分析圖

圖2　#1機(jī)組3.2 MW負(fù)荷時(shí)水?dāng)[+Y的混頻波形及頻譜分析圖

圖3　#1機(jī)組4.8 MW負(fù)荷時(shí)水?dāng)[+Y的轉(zhuǎn)頻波形及頻譜分析圖

同時(shí)，#1、#2及#3機(jī)組在高水頭高負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時(shí)(如水頭27 m)出現(xiàn)問(wèn)題。在開(kāi)機(jī)帶負(fù)荷過(guò)程中，機(jī)組負(fù)荷從15 MW升至16 MW時(shí)，雖然各部導(dǎo)軸承擺度均正常，但在副廠房主控室會(huì)明顯感覺(jué)到有間斷性的“錘擊”振動(dòng)噪聲，持續(xù)時(shí)間約為10 min。#3機(jī)組在25～26 m水頭、帶固定負(fù)荷15 MW區(qū)域運(yùn)行時(shí)，其振動(dòng)和擺度均比在其它區(qū)域明顯，各部擺度同比增大約50 μm左右且噪聲明顯增大。各部擺度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

針對(duì)三臺(tái)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，我站組織技術(shù)人員進(jìn)行了一系列的分析、探討、試驗(yàn)和研究。軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組發(fā)生振動(dòng)的原因主要分為水力、機(jī)械、電氣三方面，其它如調(diào)速器系統(tǒng)失調(diào)、振蕩的因素也存在，但不甚嚴(yán)重，亦不常發(fā)生。

表3　#3機(jī)組在25 m水頭下各部擺度測(cè)試結(jié)果表　/μm

水力因素系指振動(dòng)中的干擾力來(lái)自水輪機(jī)水力部分的動(dòng)水壓力。其特征是帶有隨機(jī)性且當(dāng)機(jī)組處在非設(shè)計(jì)工況或過(guò)渡工況運(yùn)行時(shí)，因水流狀況惡化，機(jī)組各部件的振動(dòng)亦明顯增大。由于單位體積水流的能量取決于水頭，故機(jī)組的振動(dòng)一般隨水頭的降低而減弱，高水頭、低負(fù)荷時(shí)振動(dòng)相對(duì)來(lái)說(shuō)較為嚴(yán)重。產(chǎn)生振動(dòng)的水力因素主要有：水力不平衡、尾水管低頻水壓脈動(dòng)、空腔汽蝕、卡門渦列、間隙射流等。

機(jī)械因素系指振動(dòng)中的干擾力來(lái)自機(jī)械部分的慣性力、摩擦力及其它力。其特征是振動(dòng)頻率等于機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率或整倍數(shù)的機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。引起振動(dòng)的機(jī)械因素主要有：轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、機(jī)組軸線不正、導(dǎo)軸承缺陷等。

電氣因素系指振動(dòng)中的干擾力來(lái)自發(fā)電機(jī)電氣部分的電磁力。其特征是振動(dòng)隨勵(lì)磁電流的增大而增大。引起電磁振動(dòng)的主要因素有轉(zhuǎn)子繞組短路、空氣間隙不均勻等。

根據(jù)對(duì)機(jī)組勵(lì)磁試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析得知，各部位振動(dòng)擺度幅值與勵(lì)磁電壓幅值的關(guān)系不明顯，因此，基本可以排除電氣因素。同時(shí)，根據(jù)機(jī)組振動(dòng)界定試驗(yàn)報(bào)告分析認(rèn)為：#1、#2機(jī)組在0～

4.8 MW區(qū)域?qū)儆谡駝?dòng)區(qū)，#3機(jī)組在0～6.4 MW區(qū)域?qū)儆谡駝?dòng)區(qū)。針對(duì)高水頭工況下#1、#2及#3機(jī)組從15 MW升至16 MW過(guò)程中出現(xiàn)的機(jī)組異常振動(dòng)現(xiàn)象初步分析認(rèn)為：其系因尾水位太低不滿足機(jī)組尾水吸出高程所致。

經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)：調(diào)速器PLC程序采用自動(dòng)水頭，程序中設(shè)定10 min錄入一次實(shí)時(shí)水頭。在開(kāi)機(jī)過(guò)程中，因尾水位變化導(dǎo)致水頭變化較大(約

1.5 m)，機(jī)組所運(yùn)行的協(xié)聯(lián)曲線未能跟蹤實(shí)時(shí)水頭，在低水頭情況下仍采用高水頭協(xié)聯(lián)曲線運(yùn)行，其與機(jī)組開(kāi)機(jī)帶負(fù)荷出現(xiàn)異常振動(dòng)的時(shí)間相吻合，約為10 min。

根據(jù)上述分析，筆者認(rèn)為不排除機(jī)組存在調(diào)速器導(dǎo)葉、槳葉協(xié)聯(lián)曲線不優(yōu)的情況。從水輪機(jī)的原理得知：水輪機(jī)在轉(zhuǎn)輪的無(wú)撞擊進(jìn)口和最優(yōu)出流方向的條件下水力損失最小、水力效率最高。為了保證雙調(diào)機(jī)組處于最優(yōu)工況下運(yùn)行，要求水輪機(jī)槳葉能隨水頭、流量、出力的變化而隨時(shí)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。也就是說(shuō)，機(jī)組必須具備自動(dòng)協(xié)聯(lián)運(yùn)行，以使機(jī)組效率最高。機(jī)組自動(dòng)運(yùn)行的協(xié)聯(lián)曲線是由機(jī)組制造廠(哈電)提供的，該曲線是由機(jī)組制造廠家通過(guò)機(jī)組模型試驗(yàn)的方法求得的，這是一條理想的曲線。由于在機(jī)組制造、安裝過(guò)程中存在一些偏差，使得機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)與模型試驗(yàn)的結(jié)果不相符，甚至出入比較大，因此，筆者認(rèn)為有必要根據(jù)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行工況對(duì)該曲線進(jìn)行修正，進(jìn)而對(duì)提高機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和水輪機(jī)效率都具有十分重大的意義。

2調(diào)速器裝置PLC程序的修改

針對(duì)調(diào)速器裝置PLC程序錄入實(shí)時(shí)水頭的時(shí)間偏長(zhǎng)，即運(yùn)行的協(xié)聯(lián)曲線不能跟蹤實(shí)時(shí)水頭的缺陷，我們進(jìn)行了以下兩項(xiàng)工作。

首先，在開(kāi)機(jī)過(guò)程中采用人工水頭，將人工水頭的設(shè)置比實(shí)際水頭降低2 m，即人為破壞協(xié)聯(lián)關(guān)系，待機(jī)組負(fù)荷帶滿后，再切換為自動(dòng)水頭。

其次，對(duì)調(diào)速器裝置PLC程序進(jìn)行了修改。機(jī)組并網(wǎng)后，PLC程序及時(shí)采集實(shí)時(shí)水頭并錄用，使其運(yùn)行的協(xié)聯(lián)曲線與實(shí)時(shí)水頭相匹配。

采取以上兩項(xiàng)措施后效果較明顯，機(jī)組運(yùn)行工況得到了較大的改善，降低了開(kāi)機(jī)升負(fù)荷過(guò)程中的各部振動(dòng)和擺動(dòng)幅度，縮短了機(jī)組的振動(dòng)時(shí)間(由10 min縮短為20 s)。各部擺度實(shí)測(cè)值見(jiàn)表4。

3協(xié)聯(lián)曲線的修正

表4　程序修改后#3機(jī)組在25 m水頭下各部擺度數(shù)據(jù)表　/μm

黃丹水電站機(jī)組在采用廠家提供的協(xié)聯(lián)曲線進(jìn)行運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)和聲音均明顯(尤其是#3機(jī)組)。將槳葉切換到手動(dòng)、適當(dāng)調(diào)整(減小)槳葉開(kāi)度，發(fā)現(xiàn)在同樣水頭、同樣的導(dǎo)葉開(kāi)度情況下，雖然出力略為降低，但振動(dòng)及聲音有明顯的好轉(zhuǎn)。

為此，我們對(duì)黃丹水電站三臺(tái)機(jī)組協(xié)聯(lián)曲線進(jìn)行了修正。首先從大量的運(yùn)行參數(shù)中篩選出較優(yōu)的參數(shù)作為現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整的參考；其次，在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整時(shí)對(duì)機(jī)組參數(shù)進(jìn)行反復(fù)的觀察、分析和判斷，以找到機(jī)組振動(dòng)、聲音和出力三者同時(shí)存在的最佳點(diǎn)。

協(xié)聯(lián)曲線修正的具體方法為：

(1)確定目前的運(yùn)行水頭。用毛水頭適當(dāng)減去一定的水頭損失(這樣的水頭才更真實(shí))。毛水頭是指用上游水位高程減去下游水位高程所得到的水頭；凈水頭亦稱為工作水頭或運(yùn)行水頭，是指毛水頭減去引水系統(tǒng)中的沿程水頭損失和局部水頭損失。

筆者采用估算法得到該站水頭損失約為50 cm，即：

工作水頭=毛水頭-50 cm

(2)根據(jù)篩選整理出來(lái)的運(yùn)行范圍參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，先使導(dǎo)葉開(kāi)度不變，調(diào)整槳葉開(kāi)度3～4次，記下各槳葉開(kāi)度下機(jī)組出力值、機(jī)組聲音和振動(dòng)擺度情況。

(3)改變導(dǎo)葉開(kāi)度(導(dǎo)葉開(kāi)度從50%～98%按10%增加)，再調(diào)節(jié)槳葉開(kāi)度3～4次，記下各槳葉開(kāi)度下機(jī)組出力值、機(jī)組聲音和振動(dòng)擺度情況。

(4)改變機(jī)組運(yùn)行水頭，在各特定水頭情況下，重復(fù)第2項(xiàng)和第3項(xiàng)工作。

(5)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(以#3機(jī)組為例)。

上游水位：高程378 m；尾水水位：高程352.5 m，毛水頭25.5 m，工作水頭25 m。#3機(jī)組做定導(dǎo)葉工況試驗(yàn)，機(jī)組運(yùn)行部分參數(shù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

表5　#3機(jī)組定導(dǎo)葉工況運(yùn)行機(jī)組部分參數(shù)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)表　/μm

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中我們得出黃丹水電站機(jī)組協(xié)聯(lián)曲線具有的一個(gè)特點(diǎn)：就是當(dāng)機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度大于75%以后，槳葉開(kāi)度不應(yīng)過(guò)大；若槳葉開(kāi)度過(guò)大，雖然出力有所增加，但機(jī)組振動(dòng)、聲音加大，水輪機(jī)效率相對(duì)減小。導(dǎo)葉開(kāi)度大于90%后，槳葉開(kāi)度全開(kāi)并保持不變。

通過(guò)以上步驟分析比較后選出各特定水頭下導(dǎo)葉開(kāi)度相對(duì)應(yīng)的最佳槳葉開(kāi)度并進(jìn)行整理，得出機(jī)組新協(xié)聯(lián)曲線。機(jī)組協(xié)聯(lián)曲線修改前后情況見(jiàn)表6、7。

表6　機(jī)組原協(xié)聯(lián)曲線參數(shù)表

表7　機(jī)組新協(xié)聯(lián)曲線參數(shù)表

通過(guò)此次試驗(yàn)，我們將機(jī)組原協(xié)聯(lián)曲線進(jìn)行了普遍修正。對(duì)修正后的協(xié)聯(lián)曲線進(jìn)行觀察后得知：在同樣的導(dǎo)葉開(kāi)度條件下，該協(xié)聯(lián)曲線使機(jī)組運(yùn)行工況得到了很好的改善。尤其在高水頭高負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時(shí)，機(jī)組間斷性“錘擊”振動(dòng)噪聲消除，機(jī)組各部擺度均明顯降低，有利于機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。所修正的協(xié)聯(lián)曲線與后來(lái)請(qǐng)制造廠家重新計(jì)算給出的機(jī)組協(xié)聯(lián)曲線相吻合。

4結(jié)語(yǔ)

黃丹水電站三臺(tái)機(jī)組軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組通過(guò)協(xié)聯(lián)曲線的修正，消除了機(jī)組在高負(fù)荷區(qū)域出現(xiàn)的異常振動(dòng)，改善了機(jī)組運(yùn)行工況，明顯提高了機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性和水輪機(jī)效率。由此可見(jiàn)，采取協(xié)聯(lián)曲線修正的手段，是改善軸流轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況的重要措施之一。

應(yīng)該注意的是：由于機(jī)組制造、安裝和流道等方面因素的影響，每臺(tái)機(jī)組的自動(dòng)運(yùn)行協(xié)聯(lián)曲線都有細(xì)微的差別，不能一味按照廠家提供的協(xié)聯(lián)曲線整定。應(yīng)針對(duì)其實(shí)際情況，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證其是否為機(jī)組的最優(yōu)協(xié)聯(lián)曲線并進(jìn)行修正，從而使機(jī)組的運(yùn)行工況達(dá)到最優(yōu)。

(責(zé)任編輯：李燕輝)

曾仕釗(1973-)，男，四川沐川人，副廠長(zhǎng)，工程師，從事水電廠生產(chǎn)運(yùn)行與技術(shù)管理工作.

作者簡(jiǎn)介:

文章編號(hào):1001-2184(2016)02-0087-06

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B

中圖分類號(hào):TV734.4;TV7;TV737;TV734

收稿日期:2015-12-12