廣西樂灘水電站機組穩定性試驗分析

翟曉陽，韋家慶，韋 剛，賀亞娟，李金偉

（1.廣西桂冠開投電力有限責任公司，廣西 南寧530000；2.中國水利水電科學研究院，北京100048）

1 概述

廣西樂灘水電站是紅水河規劃開發的第八個梯級水電站，壩址位于廣西忻城縣紅渡大橋上游3 km處，距上游已建的百龍灘水電站76.2 km，是一座以發電為主，兼具航運、灌溉等綜合利用效益的水電工程。電站正常蓄水位為112.0 m，為河床式廠房，設計有4臺軸流轉槳式水輪發電機組，單機容量150 MW，總容量600 MW。機組由哈爾濱電機有限責任公司制造，由廣西水電工程局電力安裝公司安裝。

機組水輪機基本技術參數如表1所示。

表1 水輪機基本技術參數

目前，在不同水頭工況下，機組存在一定負荷范圍的振動區，為保障機組安全穩定運行，便于電網合理調度，對機組開展現場穩定性試驗，分析和評價機組的運行狀態，劃分機組的運行振動區，是一種行之有效的成熟方式[1-5]。

為此，2017年9月至2018年8月，樂灘水電站委托中國水利水電科學研究院對4號機組開展了不同水頭工況下的穩定性試驗。

2 試驗工況和試驗內容

2.1 變負荷試驗1

平均靜水頭：21.75 m

機 組 有 功 分 別 為：15 MW、30 MW、45 MW、60 MW、75 MW、90 MW、105 MW、120 MW、135 MW、148 MW。

2.2 變負荷試驗2

平均靜水頭：17.86 m

機 組 有 功 分 別 為：15 MW、40 MW、65 MW、90 MW、115 MW、140 MW。

2.3 變負荷試驗3

平均靜水頭：19.82 m

機 組 有 功 分 別 為：25 MW、50 MW、75 MW、100 MW、125 MW、150 MW。

2.4 變負荷試驗4

平均靜水頭：23.58 m

機 組 有 功 分 別 為：45 MW、60 MW、75 MW、90 MW、105 MW、120 MW、135 MW、150 MW。

2.5 變負荷試驗5

平均靜水頭：26.66 m

機 組 有 功 分 別 為：45 MW、60 MW、75 MW、90 MW、105 MW、120 MW、135 MW、150 MW。

5個水頭工況下的變負荷試驗在4號機組上進行，機組變負荷試驗與相對效率試驗同時進行。

3 測點布置

現場試驗測試內容包括上機架振動、推導軸承支架振動、定子機座振動、頂蓋振動、上導擺度、推導擺度、水導擺度、機組內部的壓力脈動。

測點布置如下：

（1）振動：上機架、推導軸承支架、定子機座以及頂蓋的+X、+Y、+XZ方向各布置1個測點，共計12個測點。

（2）擺度：上導、推導、水導的+X、+Y方向各布置1個測點，共計6個測點。

（3）壓力脈動：蝸殼進口、頂蓋下、尾水錐管、尾水肘管各布置1個測點，共計4個測點。

4 試驗結果分析

4.1 變負荷試驗1（平均靜水頭21.75 m）

根據 ISO7919-5：2005 和 GB/T11348.5-2008《旋轉機械轉軸徑向振動的測量和評定第5部分：水力發電廠和泵站機組》、ISO10816-5：2000和GB/T6075.5-2002《在非旋轉部件上測量和評價機器的機械振動 第5部分：水力發電廠和泵站機組》可知，水導擺度和頂蓋徑向振動一般作為評價水輪發電機組的參數指標，如圖1～圖2所示。

將水導擺度分為A區（62.5 r/min對應的分區值為 0～164.7 μm）、B 區（對應的分區值 164.7～273.3 μm）、C區（對應的分區值273.3～550 μm）、D區。頂蓋徑向振動的分區與水導擺度的一致。

注：每個軸承測得的最大振動幅值，根據下面規定的區域來評價：

區域A：新交付使用的機器的振動通常應在此區域內；

區域B：通常認為振動在此區域內的機器可以無限制地長期運行；

區域C：通常認為振動在此區域內的機構不宜長期持續運行。一般來說，在有適當機會采取補救措施時，機器在這種狀態下可以運行有限的一段時間；

區域D：通常認為在此區域的振動已經非常嚴重，足以導致機器損壞。

圖1 轉軸振動位移峰-峰值的推薦評價區域

圖2 固定部件振動評價區域邊界值

表2、表3分別顯示了水導擺度、頂蓋振動隨負荷變化的數值。可以看出，隨著負荷的增大，水導擺度和頂蓋振動峰峰值基本呈現出先增大后減小趨于穩定，然后小幅上揚的變化趨勢。

表2 擺度峰峰值

表3 頂蓋振動峰峰值

4.2 變負荷試驗2（平均靜水頭17.86 m）

表4、表5分別顯示了水導擺度、頂蓋振動隨負荷變化的數值。

表4 擺度峰峰值

表5 頂蓋振動峰峰值

4.3 變負荷試驗3（平均靜水頭19.82 m）

表6、表7分別顯示了水導擺度、頂蓋振動隨負荷變化的數值。

表6 擺度峰峰值

表7 頂蓋振動峰峰值

4.4 變負荷試驗4（平均靜水頭23.58 m）

表8、表9分別顯示了水導擺度、頂蓋振動隨負荷變化的數值。

表8 擺度峰峰值

表9 頂蓋振動峰峰值

4.5 變負荷試驗5（平均靜水頭26.66 m）

表10、表11分別顯示了水導擺度、頂蓋振動隨負荷變化的數值。

表10 擺度峰峰值

表11 頂蓋振動峰峰值

由表4～表11可以看出：隨著負荷的增大，水導擺度和頂蓋振動峰峰值基本呈現出先減小后逐漸上揚的變化趨勢。小負荷工況下，機組內部的流態不佳，葉片進口脫流比較嚴重，往往導致水導擺度和頂蓋振動較大；大負荷工況下，轉輪出流出現負環量，水導擺度和頂蓋振動往往出現小幅上揚。

4.6 機組運行振動區劃分

根據表2～表11的分析結果，本文采用線性插值的方法分析出機組的振動區限制運行負荷隨水頭的變化趨勢，如表12、圖3所示。

表12 各水頭工況下的限制運行負荷

圖3 機組運行振動區劃分

5 結語

本文通過分析5個水頭工況下4號機組的穩定性試驗數據，掌握了機組的運行特性，評價了機組的運行狀態，劃分了機組的運行振動區，為機組的安全穩定運行提供了堅實的技術支撐，本文的研究結果可推廣應用到樂灘水電站其他3臺機組。