水力機組振動停機保護方法研究

趙 國 建， 先 嘉， 方 偉， 王 謙

(四川中鼎科技有限公司， 四川 成都 610046)

1 概 述

隨著社會對電力需求的增加和人們環保意識的提高，水力發電作為可再生和清潔能源的重要性逐漸被人們所認知。我國河流水能資源蘊藏量達6.76億kW，年發電量為5.92萬億kWh；可開發水能資源的裝機容量3.78億kW，年發電量為1.92萬億kWh。不論是水能資源蘊藏量還是可開發的水能資源，我國在世界各國中均位居第一位。

水電站機組的過速保護、振動保護和繼電保護是安全運行的重要保障，是水力發電機組乃至水電站安全運行的最后一道防線，對于水電站的安全穩定運行關系重大。目前，機組過速和過電壓的保護手段已日趨成熟完善，甚至還有多重保護措施，但由于水力機組的結構設計、制造工藝、安裝條件和運行管理具有不同特點，做出準確且可靠的振動保護難度極大，導致其成為水電站安全穩定運行、無人值班和智慧電廠建設的制約條件和安全隱患。國內大中型機組為了監測機組的運行穩定性和保護機組，耗費巨資為每臺機組安裝了振動擺度在線監測系統，其目的是監測并保護機組不遭受異常振動破壞。但由于對水力機組復雜的結構特點和穩定性特性缺乏深入的研究與分析，通常孤立地從機組振動的幅值、頻率、工況上判斷并做出報警或停機信號，效果欠佳[1]。由于水力機組的結構特點和振區特性與其他旋轉機械如汽輪機組有很大區別，因此，簡單地套用旋轉機械的振動測量和分析的理論通常會導致在實際應用中誤發信號。為安全起見，這些在線監測裝置均退出了停機保護控制功能。由于現有的振動監測裝置未能實現對水力機組振動的停機保護，且其僅作為越限報警使用，因此會導致在水力機組振動事故發生時機組有效保護的缺失，極有可能造成事故的擴大和機組的永久性損壞[2]。為此，各發電企業必須采取加強機組運行穩定性的管理來預防事故的發生。雖然水力機組振動保護的重要性和重視程度與日俱增，同時相關業主和廠商也做出了不懈的努力和探索，但由于缺乏對機組結構特點和真機振動形態的分析研究，迄今為止，還沒有一種有效的辦法對機組的振動停機實施保護。

國內外由于水電站機組異常振動造成的典型事故和案例亦很多[3]。輕者造成軸承燒瓦，機架螺釘斷裂；重者導致發電機轉子掃膛[4]；更有嚴重者，如俄羅斯薩揚電站幾乎遭受毀滅性破壞[5]。但到目前為止，還沒有一種可靠的解決辦法能滿足當前無人值班和智慧電廠建設的要求，因此，研究一種可靠且有效的水力機組振動保護方法尤為重要且極為迫切。在水力發電裝機規模迅速擴大的同時，保障水電站發電機組安全穩定運行也成為重大任務。筆者介紹了一種用于水力機組振動停機保護的方法，該方法已獲得國家發明專利授權。

該方法基于筆者長期對水電站自動化、結構改造、振動試驗、穩定性監測以及對機組制造、軸線調整和瓦隙分配進行的技術分析，結合多年來對大中型水力發電機組的檢修、運行和試驗的經驗總結，提出了一種水力機組振動事故停機保護的方法，其關鍵技術為：當機組發生振動事故時，關鍵測點(第一測點)的振動值會發生瞬時躍變，且符合其結構特點和穩定性特征時的關聯測點(第二測點)亦會出現相應的瞬時躍變(必要時引入第三測點的躍變判別)。據此判斷機組振動事故發生并停機，進而能夠避免機組遭受嚴重損壞，該方法適用于大中型水力機組的振動事故停機保護。筆者詳細介紹該方法的研究與實施過程。

2 水力機組振動特性和振動保護的關鍵

2.1 水力機組的結構特點和振動特性

由于大中型水力機組均為立式機組，同時因水電站均建設在高山峽谷之間，主機設備一般采用水輪機和發電機單獨制造或分瓣制造、分瓣運輸、工地組裝。其轉動部分主要為水輪機和發電機兩部分，主軸亦分為水輪機軸和發電機軸，在制造廠不可能對整個轉動部分進行精確的組合加工，因而不能在制造環節保證水輪機軸和發電機軸的直線度公差在精準范圍內，亦不可能進行轉動部件的動平衡。且因工地的組裝受現場條件制約、制造工藝的限制造成了水力機組在結構和特性方面存在影響穩定運行的固有缺陷和不利因素。因此水力機組的結構和運行穩定性具有以下特征：

(1)水輪機軸和發電機軸為分段制造并在工地組裝。工地進行軸線調整后水輪機軸和發電機軸的直線度仍然存在極大的偏差，在空間上不是一條直線，即發電機軸和水輪機軸的連接法蘭處有拐點。機組的轉動軸在空間上為兩段折線組成，其折線的形態和方位比較復雜，且每臺機組的拐點和空間軸線亦不相同，必然導致機組運行時每臺機組表現出來的振動特性不相同。

(2)由于受水輪機不同負荷區通過水輪機的水流流態影響，客觀上存在變化的水壓脈動，進而造成機組在不同工況下存在不同的振動特性和振動區，這也是水力機組與其他旋轉機械振動不相同的地方。

(3)由于分瓣制造的機組轉動部件在工地組裝時必然會產生重量失衡，運行時，隨著轉速升高會產生較大的重力不平衡力，亦為導致水力機組振動擺度比其他旋轉機械更大的原因之一。

(4)水力機組導軸承的同心度調整和瓦隙分配亦受到多種因素制約，進而很難保證精確對中，客觀上造成機組大軸在運行中呈現自轉與公轉相結合的旋轉姿態，并受到各軸承軸瓦不同油膜壓力的影響。

因此，水力發電機組的振動擺度與其他旋轉機械如汽輪機所表現出的振動特性是不同的，而每一臺機組在每一次大修后運行的振動狀況亦不相同。機組的穩定運行工況其實是在各種復雜因素制約下形成的動態平衡，也是脆弱的平衡，一旦某個影響因素發生改變，其穩定的動態平衡將會被打破，意味著除眾所周知的機械、電氣和水力因素影響水力機組的穩定性外，普遍被忽略的因素還有機組大軸軸線調整狀況、各導軸承的軸承中心情況以及瓦隙調整及受力狀況等。因此對水力機組的穩定性評估和振動事故的判斷必須結合其結構特點和振動特性進行綜合分析、運算和判斷。

2.2 振動事故保護的關鍵

筆者結合對水力機組的結構分析、振動測試和穩定性特點以及對機組制造、安裝和調整經驗總結，研究并提出了一種水力機組振動事故停機保護方法。其關鍵技術在于根據機組結構特征和振動特性，選擇機組中一個具有代表性的振動特征測點作為第一測點。同時，根據機組失衡狀態、軸線調整、振動形態的情況選擇相關性緊密的另一個測點作為第二測點，并根據每臺機組實際運轉的空間軸線形態選擇與第一測點所處軸承部位在軸向上相鄰的軸承部位的測點作為第三測點。在獲取第一測點的第一振動躍變值發生后，判斷第一振動躍變值是否超過第一預設安全閾值；在第一振動躍變值超過第一預設安全閾值時，獲取第二測點的振動躍變值并判斷第二振動躍變值是否超過第二預設安全閾值；在判斷第二振動躍變值超過第二預設安全閾值時，獲取第三測點的振動躍變值并判斷第三振動躍變值是否超過第三預設安全閾值，并對水力機組進行振動事故停機保護。該振動保護方法基于第一測點和第二測點以及第三測點的振動躍變值和安全閾值判斷對水力機組是否實施停機保護，既有效實施對水力機組的振動保護，又避免了誤判停機，進而提高了機組振動事故保護的可靠性和機組運行的安全水平。

3 水力機組振動保護的具體實施方案

(1) 首先獲取水力機組各測點的振動躍變值，確定第一測點并判斷其振動躍變值是否超過第一預設安全閾值。在超過了第一預設安全閾值時，確定與第一測點相關性緊密的第二測點并獲取第二測點的振動躍變值。再判斷第二振動躍變值是否超過第二預設安全閾值，在第二振動躍變值超過第二預設安全閾值時，確定與第三測點并獲取第三測點的振動躍變值。在第三振動躍變值超過第三預設安全閾值時，對水力機組實施振動事故停機保護(圖1)。

(2)在判斷各測點振動躍變值是否超過預設安全閾值之前，該方案還包括根據水力機組處于正常運轉狀態時各測點的振動特性設定與之相對應的安全閾值。

(3)在判斷第一振動躍變值是否超過第一預設安全閾值之后，獲取與第一測點相關的第二測點的第二振動躍變值之前，還包括判斷第一振動躍變值超過第一預設安全閾值是否發生在水力機組的一個運轉周期內，如果是，則執行獲取與第一測點相關的第二測點的第二振動躍變值的步驟。

圖1 水力機組振動停機保護流程圖

(4)在判斷第二振動躍變值是否超過第二預設安全閾值之后，對水力機組進行振動事故停機保護之前，還包括獲取與第一測點相關的第三測點的第三振動躍變值，判斷第三振動躍變值是否超過第三預設安全閾值。

(5)該實施方案中的預設安全閾值為建立在機組振動特性上與運行工況相關的二維或多維閾值曲線。

(6)第二測點是和第一測點位于同一軸承部位的相鄰測點。第三測點位于與第一測點所處軸承部位在軸向上相鄰的軸承部位。

4 結 語

隨著水電廠智能化技術逐漸成為研究的前沿和熱點，越來越多的水電廠業主和廠商相繼啟動了水電廠智能化建設的研究和試點。其中，對智能水電廠的水力機組振擺保護與狀態監測裝置的架構和設計進行了有益的探索，符合水電廠智能化技術發展的規律。

筆者提供的振動停機保護解決方法避免了因外在偶然因素引起的測量誤差導致的振動事故停機保護誤動作，提高了水力機組振動事故判別的準確性，避免了因誤判造成的停機損失。同時在機組發生事故導致振動惡化時，能夠準確有效地實施對水力機組的安全保護，防止事故擴大并避免機組遭受永久性損壞。

該方法可為智能化水電廠機組振動保護提供可靠且可行的解決方案，從而在整體上提高我國水力發電機組的安全保護水平。