貫流式機組的運行穩定性及其特征

續元周，李文清

（國網浙江省電力公司緊水灘水力發電廠，浙江 麗水 323000）

貫流式機組的運行穩定性及其特征

續元周，李文清

（國網浙江省電力公司緊水灘水力發電廠，浙江 麗水 323000）

貫流式機組的轉動慣量小，運行穩定性相對較差，本文針對進水口流道變化、轉輪室內工況異常和AGC調節時的機組運行穩定性作了實例分析，并闡述機組在該工況運行時的噪聲、振動等數據的特征。

水壓不平衡；卡門渦列；狹縫射流；AGC調節運行

1 概述

臥式結構設計的貫流式機組，管形座是機組的主要支撐部件，其上游側法蘭面與發電機定子相連，下游側法蘭面與水輪機導水機構相連；管形座在整個燈泡機組結構中相當于“翹翹板的支點”，這種結構的支撐穩定性，與立式機組相比要明顯薄弱一些，下面結合貫流式機組的運行實例來分析其運行的穩定性。

2 進水邊界改變

進水流道由于雜物堆積等因素，會使機組進水邊界條件改變，引起水壓不平衡，造成機組進水呈紊流狀態，形成漩渦狀進入機組，影響機組運行穩定性。

2.1 進水口攔污柵有異物堵塞

進水口攔污柵堵塞多數發生在攔污柵的上部，視堵塞情況，該部位會產生不吸氣、間歇性吸氣、貫通式三種不同形態的漩渦，漩渦形態和水位的高低有關。

間歇性或貫通式漩渦會將成串氣泡帶入流道，進流道氣泡貼著壓力鋼管頂部下移至轉輪室內，在低壓區內破裂，強力擊打轉輪體，導致機組振動，而堵塞引起的水頭損失又會影響機組協聯關系的準確性，加大機組的振動。

浙江某水電站一臺1 MW的豎井貫流式機組，由于進水口攔污柵堵塞，運行時發現機組有功負荷在670～480 kW之間擺動，轉輪室發出較強的“嚓、當”聲，似硬質物碰擊在鐵板上的清脆聲響，異聲和振動的頻度約每秒3次，為機組轉頻的2倍。

另一例子是浙江某水電站一臺24 MW貫流機組，攔污柵堵塞時運行，有功在18～27 MW之間擺動，轉輪室內發出“哐、哐”的巨大聲響，機組振動明顯加大。

2.2 導葉開度不均勻

不穩定的水流會產生水力不平衡，引起機組轉頻為主的振動，其振幅隨機組導葉開度的變化而變化，且時而明顯，時而消失。

重慶某水電站有一臺20 MW貫流機組，導葉對稱方向的開口偏差都很大，最大的達到18 mm，導葉的高度為1 727 mm，所以流量偏差比較大。機組運行時，組合軸承振動符合規程要求，水導軸承的轉頻振幅隨負荷的增大而迅速增大，在滿負荷時，轉頻振幅的均值在 150 μm/s，最大值達 170 μm/s以上。

2.3 導葉有異物卡阻

異物阻擾了正常的水流，會導致流道水壓不平衡，引起機組振動加大。這種不平衡通常在機組帶60%以上額定負荷時體現出來，轉頻為主的振動幅值也在此時明顯提高。

廣東某水電站有一臺35 MW貫流式機組，導葉被異物卡阻，機組接近滿負荷運行時，導葉安全連桿動作報警，連桿彈簧來回縮放。

在導葉、槳葉開度不變的情況下，機組負荷由34 MW下滑至28 MW，機組振動明顯加大，水導的轉頻振幅最大到390 μm/s。當機組負荷降至25 MW以下時，異常現象消失,增至30 MW時異常情況又會復現。

3 轉輪室內工況異常

機組轉輪室在運行時出現異常聲響，一般有以下兩種情形：

3.1 狹縫射流

在貫流式水輪機中，轉槳葉片的工作面和背面存在著壓力差，在槳葉外緣和轉輪室之間的狹窄縫隙中，形成一股射流，其速度很高而壓力很低。狹縫射流的頻率為 f=（z1n）/60，其中 f為頻率（Hz）；z1為轉槳葉片數目；n為水輪機轉速（r/min）。

福建沙縣某電站發生過轉輪某一葉片的狹縫射流案例。

該站一臺額定轉速100 r/min的16 MW貫流式機組，當轉速達到84 r/min時，轉輪室會發出輕微的類似金屬碰撞的聲音；轉速到88～104 r/min時，聲響達到高峰，刮擦聲淹蓋了水流聲；轉速升至108 r/min以上，異常聲響又漸消失，機組轉動呈現正常狀態。異常聲響的聽覺頻率與轉速同步。

檢查發現轉輪室部分區域的油漆有邊界基本垂直的塊狀剝落，裸露出加工痕跡清晰的轉輪金屬面，但無機械刮擦跡象。而油漆脫落區位于漿葉空載開度時近下游側的投影平面上，主要集中在漿葉上方的轉輪室頂部120°范圍內。緊靠漿葉中心線的下游方也有一塊較大脫落區，在漿葉轉動范圍以外的區域，也有局部較大的油漆剝落現象。

3.2 卡門渦列

導葉和槳葉具有鈍尾時，在葉片后面的尾跡區會出現卡門渦列。渦列交替從葉片的兩側泄出，從而在物體上產生一個周期性的交變作用力，形成激振源，誘發機組振動。

若卡門渦列的頻率與導葉或槳葉的某階固有頻率耦合共振，則會造成葉片振動，發出尖銳的金屬嘯叫聲，并使葉片出水邊產生規律性的裂紋，部份葉片裂紋會有分叉。

青海某水電站有一臺40 MW機組，由于卡門渦列的影響，運行時水輪機室的噪音特別大。特別是在空載運行時，轉輪室內發出尖銳的金屬嘯叫聲，振動很大，造成機組齒盤測速探頭被磨損，測振傳感器被振落，發電機磁極松動等故障，其軸向的振動幅值最大達 160 μm/s以上。

4 AGC調節運行

AGC控制是根據系統負荷“差值”進行調節，投入AGC功能的機組，動態調節成為發電機組的常態工況。

貫流式機組靜態運行時穩定性好、效率高，但水力系統的TW較大，導致機組在動態負荷調節或響應大波動的過渡過程中水力慣性系數較大，穩定性較差。為滿足調保計算的要求，貫流機組的導葉、槳葉全開全關的時間設置是不同的，導葉響應速度較快，槳葉隨動速度較慢，通常導葉比槳葉的動作速率要快3～6倍，所以在機組響應系統變化時，導葉能及時動作，而槳葉需要較長時間才能操作到位。

湖南某水電站一臺45 MW貫流機組，設置導葉全行程快速關閉時間為7 s，槳葉全行程關閉時間為24 s。投入AGC后導葉槳葉調節時間偏差實測為：當響應系統較大負荷變化時，槳葉滯后導葉1～4 s；當響應較小負荷變化時，槳葉滯后導葉0.2～0.8 s。

因槳葉動作的滯后，AGC調節過程中，使得機組經常處于一種非協聯工況運行，引起機組振動和噪聲都很大。

5 結語

貫流式機組由于整體懸浮在過水流道中，機體受到水浮力、水流脈動、水錘、旋渦、沖擊等多種動水壓力，并且在不同運行工況時還有機械扭矩、電磁力、正反向水推力等多種負荷，受力環境較復雜。

因此，貫流式機組在運行時，需要避開不利工況區，并避免作AGC等有動態控制的運行方式，同時應注重機組振動的監測，確保機組安全穩定運行。

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TK733+.8

A

1672-5387（2017）11-0019-02

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.11.007

2017-08-25

續元周（1968-），男，工程師，從事水電站設備運行與安全管理工作。