灘坑水電站1號機組振動區試驗研究及分析

郭智俊,王衛玉

(浙江浙能水電管理有限公司，杭州　310020)

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灘坑水電站1號機組振動區試驗研究及分析

郭智俊,王衛玉

(浙江浙能水電管理有限公司，杭州310020)

摘要：灘坑水電站作為區域負荷的調峰調頻電站，保證機組的穩定運行具有重要意義。為劃分1號混流式機組的安全穩定運行區域，通過真機試驗的方法對機組進行了典型水頭下的變轉速、變勵磁和變負荷試驗，試驗結果表明機組的整體運行穩定性良好，最終將機組的運行區域劃分為小負荷區、渦帶工況區和大負荷區。關鍵詞：混流式機組；振動；試驗

0前言

隨著水電機組單機容量的不斷增大，運行穩定性問題日益受到人們的關注。機械因素、電氣因素和水力因素是影響水電機組運行穩定性的三大因素[1-3]。當機組偏離最優工況運行時，可能會引起機組的不穩定運行，進而可能導致機組振動，情況嚴重時甚至威脅到電站和運行人員的安全[4-7]。真機試驗方法[8-9]能夠有效地找出機組可能存在的不穩定因素，避免機組因異常振動而導致的不良后果，同時能夠獲得機組的穩定運行區域，為機組的安全運行提供指導。以往主要通過計算機仿真實驗獲得機組的運行性能指標，真機試驗可以有效地驗證計算機仿真結果。目前，國內多家水力發電企業對機組的運行穩定性進行了研究，找出了機組存在的不穩定運行區域，為電站的安全運行提供了保障[10-13]。為此，本文通過對灘坑水電站1號混流式機組進行典型水頭下多種工況的真機試驗，對機組的轉動和固定部件振動，以及水輪機過流部件的水力因素進行分析，從而找出機組的振動區域和穩定運行區域，為電網調度和電站運行提供參考[14-15]。

1機組參數及試驗概況

灘坑水電站位于浙江省青田縣境內的甌江支流小溪中游河段，距大溪、小溪匯合口約26 km。電站接近電網負荷中心，其水庫總庫容(校核洪水位以下)41.90億m3，具有多年調節能力，它是甌江流域水電梯級開發中的一座重要骨干電站。電站引水系統采用單機單管的隧洞引水方式，裝設3臺200 MW混流式水輪發電機組，分別于2008年8月16日、2009年2月12日、2009年7月10日投產發電。本次試驗以1號機組為試驗對象，表1列出了1號機組的主要參數。

表1　灘坑水電站1號機組參數表

試驗主要包括變轉速、變勵磁和變負荷，每個工況穩定3～5 min，試驗數據通過現場安裝的水輪發電機組狀態監測分析系統讀取[16]，部分數據采用千分表讀數進行校正。

2試驗結果分析

2.1變轉速

變轉速試驗是檢驗機組是否存在機械不平衡的有效手段。通過多個典型水頭下的變轉速試驗，1號

圖1　試驗水頭114.8 m下機組振動擺度平均峰峰值圖

圖2　不同水頭下上機架X、Y向振動平均峰峰值圖

機組的振動擺度趨勢大體一致，圖1展示了114.8 m水頭下，機組多個測點的振動擺度平均峰峰值隨轉速變化的趨勢圖。從圖1中可以看出，上機架、下機架、定子機架和頂蓋各向的振動幅值隨轉速的變化趨勢并不明顯，轉速較小時，隨著轉速的升高，幅值逐漸增大，隨后轉速繼續升高，振動幅值趨于平緩，平均峰值均未超過80 μm；上導、下導和水導各向擺度平均峰峰值隨著轉速的變化，整體幅值波動較小，在低轉速范圍內，隨著轉速的升高，幅值逐漸增大，在較高轉速時，幅值波動趨于平緩，沒有較大變化，擺度幅值主要在80～160 μm之間波動。從整體分析可以看出，機組不存在明顯的機械不平衡現象。

2.2變勵磁

由于機組電磁方面產生的干擾力而引起的振動，并可能導致機組的不穩定運行，這種振動稱為機組的電磁振動(電氣振動)。變勵磁試驗可以有效檢驗出機組是否存在異常的電磁振動。圖2為4個不同試驗水頭下，上機架X向和Y向振動平均峰峰值隨勵磁變化的趨勢圖。從圖2可以看出，上機架各向的振動幅值的離散性較小，隨著勵磁電壓的變化，幅值波動較小，沒有出現異常且較大振動幅值，同時隨著試驗水頭的不同，上機架振動沒有呈現出明顯的變化規律。通過分析機組其他部件的振動擺度值(受篇幅限制，未列出)，與上機架的變化趨勢較為一致。通過分析可以認為，1號機組不存在異常電氣振動的。

2.3變負荷

在影響機組振動的三大因素中，水力振動有可能會給電站的安全運行帶來更大的影響。變負荷試驗主要檢驗機組是否存在不穩定的水力振動，尤其是由低頻渦帶引起的尾水管壓力脈動。表2給出了121.61 m水頭下，部分測點在不同負荷工況下的振動擺度及壓力脈動平均峰峰值。隨著負荷的不斷增加，上機架、下機架、定子機架和頂蓋各向的振動幅值逐漸減小，小負荷區域內，幅值最大，進入大負荷區域后，幅值波動較小，趨于穩定；

表2　　　　水頭為121.61 m部分測點的振動擺度及壓力

圖3　灘坑水電站1號機組運行穩定區域劃分圖

上導、水導和下導各向擺度幅值與機組振動趨勢一致，即隨著負荷的不斷增加，幅值逐漸減小；壓力脈動的變化趨勢不同于機組的振動擺度變化，隨著負荷的增加，壓力脈動先增大后減少，在負荷80～120 MW之間，出現最大值，在105 MW工況下，尾水管進人門測點處，壓力脈動幅值為281 kPa。

通過頻譜分析，80～120 MW區間內，尾水管內的壓力脈動主頻與機組振動擺度頻率一致，同時多個測點處的振動擺度值在此區間內出現了局部峰值，可以認為，尾水管的壓力脈動引起的機組振動擺度變化。

3機組運行區域劃分

通過對1號機組試驗數據的分析處理，其過程涵蓋了變轉速、變勵磁和變負荷等多種工況，研究發現機組主要受水力因素的影響和限制，為此，將機組的全負荷范圍劃分為3個區域：小負荷區、渦帶工況區和大負荷區，如圖3所示。

3.1小負荷區

小負荷區主要是指從空載工況至渦帶工況下限的區域。1號機組小負荷區域的上限約為60～80 MW。在此區間內，尾水管內的壓力脈動幅值較小，機組的振動和擺度幅值出現最大值。根據運行經驗，機組在此區間內的效率較低，不宜長期運行。

3.2渦帶工況區

渦帶工況區主要是由于尾水管低頻渦帶引起較大的壓力脈動，進而引起機組的振動和擺度增大，造成機組的不穩定運行。1號機組渦帶工況區約為85～135 MW。在此區間內，機組尾水管內出現較大的壓力脈動幅值，其主頻多為低頻成份，同時出現在機組的振動和擺度幅值的主頻信號中，機組應避開該區域運行。

3.3大負荷區

大負荷區主要是指渦帶工況上限至額定負荷之間的區域。

在大負荷區內，機組運行穩定良好，機組效率較高。機組振動擺度幅值均小于小負荷區和渦帶工況區，其信號主頻主要為機組轉頻，同時尾水管內的壓力脈動也趨于平緩。該區域是機組的最佳運行區間，建議在此區間運行。

4結語

通過對灘坑水電站1號機組振動區試驗研究，對機組的運行穩定區域進行了劃分，包括小負荷區、渦帶工況區和大負荷區。小負荷區內機組振動擺度較大、效率較低；渦帶工況區內，機組出現較大的壓力脈動幅值，造成機組的振動擺度幅值增大；大負荷區內機組運行穩定性良好，建議機組在大負荷區內運行。由于試驗條件有限，全面掌握機組的運行穩定性，需要在更多的水頭下進行。

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Study and Analysis on Tests of Vibration Range of Unit 1, Tankeng Hydropower Station

GUO Zhijun, WANG Weiyu

(Zhejiang Zheneng Hydropower Management Co., Ltd., Hangzhou310020, China)

Abstract:As a station to regulate peak and frequency of the regional load, it is significant to secure the stable operation of units of Tankeng Hydropower Station. To identify the safety and stable operation range of the mixed flow unit 1, variable rotation speed, variable excitation and variable load under typical head are tested on true unit. The test results show that the integrated unit operation stability is excellent. Finally, the unit operation range is divided into low-load range, partial load range and high load range.Key words:mixed flow unit; vibration; test

文章編號：1006—2610(2016)03—0069—03

收稿日期：2016-01-30

作者簡介：郭智俊(1981- )，男，山東省安丘市人，工程師，主要從事水電站運行維護管理工作.

中圖分類號：TV737

文獻標識碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.018