水輪發電機組運行穩定性研究現狀分析

陳忠潤 涂祖蕾

【摘要】水電是清潔可再生能源，具有運行費用低、電能質量穩定、機組啟停靈活、調峰調頻能力強等優點。水輪發電機組是水電廠的關鍵設備，其運行穩定性狀況不僅關系到電廠的經濟效益，同時也影響電網的安全穩定運行。機組的運行穩定性是機組整體機械、水力和電氣性能的集中體現，對機組的長期安全穩定運行的重要性不言而喻。

【關鍵詞】水電廠水力機組電網穩定性振動

引言

水能資源的開發利用對于我國節能減排、優化能源結構、實現2020年非化石能源占一次能源消費比重達到15%的目標有著重要的意義?！笆濉逼陂g，我國水電建設經歷了大發展，金沙江、瀾滄江、大渡河、雅礱江等流域開發加快，一個個大型甚至巨型水電廠相繼投入生產運行。水輪發電機組的容量和尺寸越來越大、結構越來越復雜，實際遇到的問題也越來越新穎，同時對機組運行穩定性的要求也越來越高[1]。

1研究的背景和意義

國家標準和行業規程對于表征水力機組穩定運行的主要參數都給出了明確具體的要求和運行允許范圍，各水電廠通常依據標準，對機組各部位的振動擺度等進行評估，判斷是否滿足標準要求，同時分析機組是否存在異常和潛在缺陷。機組穩定性參數的大小和變化規律反映了機組的健康狀況水平，是確定機組檢修周期、檢修級別和檢修項目的重要依據。此外，對于大中型水電廠使用最為普遍的混流式水輪發電機組來說，幾乎必然的存在著禁止或限制運行的振動區域，而判斷機組振動區域范圍和邊界的主要依據就是機組振動、擺度、壓力脈動等穩定性特征參數。機組的振動區域是機組負荷分配的重要約束條件之一，避開振動區域運行是水電機組運行的基本要求。因此，各發電企業對于機組運行穩定性狀況非常重視。機組穩定性問題既是設計和制造廠家的重要課題，也是運行維護單位極為關注的問題，研究機組運行穩定性有重要的現實意義。

2國內外研究的現狀

機組運行穩定性問題十分復雜，涉及到水力、機械、電磁等多方面因素，是典型的多物理場耦合問題，難以建立起準確完整的數學模型。國外對水力發電機組振動問題研究起步較早，自二十世紀六、七十年代開始，日本和美國的工程技術人員就掀起了對機組穩定性問題研究的熱潮，已研發出一批比較成熟的機組在線監測系統并投入實際應用。如日本日立公司研制的“水力發電設備狀態監測系統”，日本東京電力公司和東芝公司共同研究開發的“抽水蓄能發電機組自動監視系統”，美國本特利內華達公司的HydroVU系統，加拿大VibrosystM公司的AGMS系統和ZO0M2000系統，德國申克公司的vibrocontrol4000系統以及瑞士VIBRO - METER公司的VM600系統和德國Simens公司的SCARD系統等。

國內外相關科研工作者和工程技術人員對于機組穩定性問題進行了深入的研究，相關文獻資料相當豐富。從已公開發表的技術論文來看，研究過程充分利用了理論分析、數值模擬、模型試驗及真機試驗等多種手段，從各個角度和方面進行了卓有成效的探索。

機械方面，文獻[2]建立了葛洲壩電廠水輪發電機主軸有限元模型，研究了水力機組主軸在多種激勵載荷組合下的動力特性變化規律，得到了主軸的自振頻率和動力響應規律。文獻[3]以萬家寨電廠水輪機組為例，應用轉子動力學計算軟件對機組軸系的臨界轉速進行分析計算，并且預估了機組在不同工況水力激振力作用下的上導、水導、轉子中心和轉輪中心的擺度響應情況。文獻[4]應用有限元數值模擬軟件ANSYS建立了三峽電站水輪機組的上機架和轉輪頂蓋的有限元分析模型，對上機架與頂蓋進行靜力分析檢驗其剛度與強度，同時對上機架與頂蓋進行模態分析得到其自振頻率與振型。工程實踐案例中，大朝山電站[5]對運行過程中轉輪葉片裂紋比較突出的5號機組從設計選型、鑄造和焊接缺陷、卡門渦列、尾水管壓力脈動及機組運行工況等方面進行了綜合分析，找到了裂紋產生的原因，通過對轉輪葉片進行了修復處理，并優化了機組的運行策略，改善機組運行穩定狀況，取得了明顯效果。

水力方面，水流流過導葉和轉輪葉片時產生的卡門渦列可能誘發機組嚴重振動和噪聲。文獻[6]對大朝山電站1號機組轉輪裂紋原因進行了分析，找到了卡門渦列頻率與轉輪葉片固有頻率共振是轉輪產生裂紋及金屬異常聲音的根本原因，通過轉輪葉片修型，改變出水邊厚度提高卡門渦列的頻率，解決了共振的問題?；炝魇剿啓C尾水管壓力脈動是造成機組運行不穩定的重要原因，文獻[7]研究了模型水輪機壓力脈動的時域和頻域特征以及原型與模型間的相似關系，利用動力時程分析法計算了水工結構在水力激勵下的振動反應，并分析探討了壓力脈動的分布特性。尾水管壓力脈動過大會引發機組的振擺擴大，通常采用補氣的方式進行治理。烏江渡水電廠通過增加大軸中心補氣和修復短管補氣，較好的消除尾水管壓力異常脈動，確保了機組的安全運行。Paik等采用非定常湍流統計模型對水輪機尾水管進行旋渦流動的數值模擬。廣西電力工業勘測設計研究院利用CFD數值模擬技術對一混流式水輪機尾水管流態和壓力脈動進行了仿真，且仿真結果與真機實測結果比較相接近，認為數值模擬方法可以預測尾水管壓力脈動頻率和幅值，可成為在模型設計階段研究真機水力穩定性問題的重要手段。

電磁方面，關于發電機不平衡磁拉力及其動力學特性，國內有許多學者對此進行了研究，并取得一些重要的成果。哈爾濱大電機研究所曲風波等[7]提出了可供發電機設計和振動分析使用的磁拉力近似計算公式，該公式使用簡便，與有限元計算結果基本相吻合，得到了較廣泛的應用。文獻建立了考慮電機磁極對數分布的不平衡磁拉力及水輪機轉輪線性密封力的水輪發電機組軸系動力學模型，推導出了運動微分方程，并研究了勵磁電流及質量偏心對轉子轉輪橫向振動的影響。文獻提出了一種工程中實用的不平衡磁拉力分析計算方法，即利用發電機空載試驗得到其空載特性曲線，通過磁路計算及多項式擬合來獲取氣隙磁密、氣隙厚度及勵磁電流的關系方程，得到不平衡磁拉力。

而在水輪發電機組試驗研究方面，黃河干流上的萬家寨水電站，經過多年來對機組運行情況的觀察，以及通過對機組在不同負荷下的耗水率和機組穩定特性進行試驗研究總結，確定了機組在不同工況下的運行振動區域，并用于指導機組的安全運行。文獻對石泉水電廠2號機組穩定性展開了試驗研究，從水力、機械和電氣等多方面分析機組不穩定運行的原因，并提出了相應的處理措施。文獻針對萬安水電站3號機組大負荷工況下出現的振動情況，在不同水頭下對機組進行了穩定性試驗，在現場試驗基礎上，分析了機組在不同水頭、不同負荷下尾水管錐管處的水壓脈動狀況及機組各機架振動和大軸擺度情況，認為機組存在水力不平衡并導致機組的擺度隨負荷的增加而增大。三峽電站對右岸21號機組在啟動試運行階段進行了試驗研究，掌握了該機組在小負荷區、渦帶工況區、大負荷區和高負荷區的水壓脈動及機組穩定性特點，同時發現在試驗水頭下630MW～ 685MW高負荷區，水導擺度和頂蓋振動明顯增加，且主要振動頻率為轉頻的高負荷區異常振動現象。

3結論

水輪發電機組穩定性問題的核心是振動問題，機組在設計、制造、安裝、調試、運行、檢修等全過程任何一個環節出現問題都有可能導致機組異常振動的發生。機組的振動可能引起機組金屬部件的破壞變形，縮短機組檢修周期和設備使用壽命，嚴重時會導致廠房基礎的共振，危害水工建筑物的安全。2009年8月7日發生的震驚世界的俄羅斯薩揚·舒申斯克水電站特大事故，就與機組頂蓋振動有直接關系。該電站2號機組在水力不穩定性區域運行時，機組強烈的振動引起水輪機頂蓋螺栓疲勞破壞，最終頂蓋被高壓水流沖開，導致水淹廠房、事故擴大、出現災難性后果。參考文獻：

[1]周萬里.葛洲壩水電廠水輪發電機組主軸動力分析.武漢：華中科技大學，2009.

[2]王正偉等.大型水輪發電機組轉子動力學特性分析.水力發電學報，2005，24（4）：62-66.

[3]楊懷剛.三峽水輪機組結構動力分析研究.武漢：華中科技大學，2004.

[4]趙光宇.大朝山5號水輪發電機組轉輪葉片裂紋分析及處理.云南水力發電，2012，28（4）：107-127.

[5]尹述鴻.大朝山#1水輪機轉輪裂紋原因分析及處理.水利水電技術，2002，33（12）：39-40.）

[6]陳婧等.水輪機壓力脈動誘發廠房振動分析.水力發電，2004，30（5）：24-27.

[7]丁國興.100MW機組尾水管壓力異常脈動消除.西北水力發電，2002，18（2）：18-20.

[8]伍嘵芳等.大型混流式水輪機尾水管振動數值模擬及應用.廣西電力，2005，（5）：57-59.

基金項目：云南能源職業技術學院科學研究基金項目（2018YJS019）