混流式水輪機機組運行穩定性區域檢測

劉小偉，董鴻魁，張思青，楊文睿

（1.昆明理工大學 冶金與能源工程學院，云南 昆明 650093；2.云南電力試驗研究院（集團）有限公司，云南 昆明 650217）

隨著國家水力水電事業的發展，新建中小水力發電機組大量投入運行。由于機電設備的制造、安裝、調試及竣工驗收等各方面存在的一些問題［1］，使某些機組投入運行后運行穩定性差，振動、擺度超標，導致機組機架、軸系、主軸等方面的機械損傷，嚴重影響機組的安全運行［2］。本文以某水電廠3#混流式水輪機機組為試驗對象，在13種運行工況下進行變負荷穩定性真機試驗，綜合考慮機組振動、擺度、壓力脈動等因素，檢測機組在不同運行工況下各軸承振動、主軸擺度、壓力脈動等各項運行技術指標是否滿足相關規程要求，合理推斷機組的穩定運行區域，為機組穩定運行提供技術依據。

1 穩定性試驗方案

1.1 試驗機組基本參數

本試驗的水電廠裝機4臺，單機容量為40 MW，正常蓄水位為3 418 m。試驗機組均為混流式水輪機，額定出力為41.5 MW，額定轉速為 187.5 r·min-1，飛逸轉速為 350 r·min-1，額定水頭為51 m，額定流量為89.97 m3·s-1。發電機額定容量為47.06 MVA，額定電壓為10.5 kV（± 5%），額定電流為2 587.6 A。本試驗是在機組運行水位特定的狀態下進行測試，試驗上游水位為3 415.31 m，下游水位為3 361.72 m。

1.2 試驗方法

在不同運行工況下測量機組各機架振動、軸承擺度、蝸殼壓力和尾水管壓力脈動情況，分析機組的運行穩定性情況［3］。振動信號測點主要布置在上機架、下機架、頂蓋，按X、Y方向分別設置；擺度信號測點在3個導軸承處（上導、下導和水導）按X、Y方向分別設置；壓力脈動信號測點分別布置在尾水管和蝸殼處。

在進行變負荷試驗前，先將機組開至空載狀態，隨后升負荷，在0～16 MW和22～40 MW范圍內每隔4 MW調整一次，在振動較為強烈的16～22 MW負荷區，每隔2 MW調整一次。試驗時每種工況至少保證穩定運行3 min，穩定后用數字記錄儀連續采集數據60 s以上，進行數據分析。利用DH5922動態信號記錄儀的測試分析系統進行測試。該系統在預熱0.5 h后測量的精度高于0.5%，最大分析頻寬DC～50 Hz。機組擺度測量采用電渦流位移傳感器，分別測量上、下導擺度及水導擺度（X、Y兩個方向）共六個測點。機組振動測量采用低頻振動傳感器，分別測量上機架水平和垂直振動、下機架水平和垂直振動及頂蓋水平和垂直振動。采用壓力脈動傳感器分別對蝸殼處和尾水管壓力脈動進行測試。

2 機組運行穩定性分析

機組運行穩定性是機組帶負荷運行過程中表現出的機組綜合性能，其受水力因素的影響較大。通過對振動、擺度、壓力脈動信號進行分析，能夠較充分地考察機組的穩定性。試驗采樣過程中，根據《水力機械振動和脈動現場測試規程》［4］規定，機組振動、擺度和壓力脈動均采用平均峰峰值，振動、擺度單位為μm，壓力脈動單位為kPa。

2.1 機組振動分析

本文以該水電廠典型運行水頭為例，3#機組上機架、下機架以及頂蓋振動平均峰峰值［5］變化如表1所示。

表1 部分測點的振動情況Tab.1 Vibration of some test points

由表1中可以看出，在機組變負荷運行過程中，機組振動幅值整體較小，在空載及較小負荷運行工況下運行時，頂蓋相較于上、下機架的振動更為明顯，并且在4 MW負荷運行工況下振動幅值達到測試振動平均峰峰值的最大值131 μm，振動滿足正常運行條件，并未達到報警值。

圖1為機組3個測點的水平振動峰值。隨著機組負荷逐漸上升，振動逐漸趨于平穩。在小負荷區，頂蓋振動幅值相對較大，上升至大負荷區后，振動幅值大大降低。在負荷變化過程中，上機架振動幅值主要在20～50 μm之間。可見，在此時的水頭及導葉開度下工作時，上機架作為機組的主要承重部件，其振動幅值變化平穩，下機架振動較為平緩，沒有出現較大波動。頂蓋在0～16 MW運行時振動較為明顯，但仍然滿足相關運行規程要求。但為了避免頂蓋出現較為明顯的振動，應盡量避開機組在此工況運行。

圖1 機組3個測點的水平振動峰值Fig.1 Peak value of horizontal vibration from three test points

2.2 機組擺度分析

在不同水頭下，機組各軸承在X和Y向擺度幅值隨負荷變化的趨勢大體一致，即隨負荷的不斷增加擺度幅值逐漸減少。圖2為不同工況下機組上導、下導、水導擺度的變化。由圖中可知，擺度在小負荷區域呈現較大的擺度峰值，并且在低中負荷區，擺度在局部區域內出現峰值。

圖2 不同工況下機組上導、下導、水導擺度的變化Fig.2 Swings of upper guide, lower guide and turbine guide under different working conditions

在所有試驗信號中，水導擺度受尾水管渦帶的影響最為明顯，所以分析水導擺度信號具有典型意義［6］。由圖2中可以看出，在0～24 MW負荷區間內，水導擺度的幅值波動較為明顯，但并未超出規程［4］的允許值（200 μm），在 24 MW 至滿負荷運行時，機組水導Y向擺度在局部區域內出現峰值，在此工況下機組整體擺度逐漸趨于平緩，幅值大幅降低。水導X向和Y向擺度均在16～24 MW之間出現小范圍峰值，分別達到180、137 μm。上導和下導擺度幅值相對水導擺度幅值較小且平緩，但變化趨勢基本一致。

2.3 壓力脈動分析

圖3為在試驗水頭下3#機組全負荷變化時，蝸殼出口及尾水管入口段的壓力脈動的變化。由圖中可以看出，尾水管壓力脈動隨著負荷的逐漸增加，幅值雖然有波動，但整體趨勢為逐漸下降，因此可認為在此水頭下尾水管受壓力脈動影響很小，可以在全負荷下正常運行。

圖3 蝸殼出口和尾水管壓力脈動的變化Fig.3 Variation of pressure fluctuation from volute outlet and draft tube

根據壓力脈動分析，將機組運行穩定性區域分為三個區域［7］：小負荷工況區（0～4 MW）、渦帶工況區（4～16 MW）、大負荷工況區（16～34 MW）。對于蝸殼出口壓力脈動，小負荷工況區和大負荷工況區的壓力脈動幅值相對較小，在渦帶工況區壓力脈動幅值波動較為明顯。雖然壓力脈動對尾水管的影響并不大，但整體可以判斷出在渦帶工況區運行時，尤其在蝸殼出口處壓力脈動出現了局部峰值，影響機組穩定運行。

3 結 論

（1）從機組擺度的測試數據來看，機組上導擺度最大峰值為108 μm，下導擺度最大峰值為140 μm，水導擺度最大峰值為180 μm，各軸承擺度均在 200 μm 以下，符合相關規定［8］。

（2）上機架水平振動在4 MW出現最大峰值，為38 μm；頂蓋X向水平振動、頂蓋垂直振動在0～18 MW處均在50 μm以上，其他負荷段，各機架振動均符合相關規定［9］。

（3）在18 MW后壓力脈動整體趨于下降。從機組擺度、振動、壓力脈動數據和現場評估綜合分析，當前水頭下運行穩定區域建議在25～40 MW。