淺談突變流量對水輪發(fā)電機(jī)組運行穩(wěn)定性的影響

盧 偉

（大唐水電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

水電作為一種清潔能源，已然在經(jīng)濟(jì)全球化的框架中逐步成為主要的生產(chǎn)生活能源消耗來源[1]，21世紀(jì)是我國加速發(fā)展水電的時期， 2015年水電總裝機(jī)容量超過300 GW這也使得當(dāng)下水電站的安全穩(wěn)定運行尤為重要。

1 水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測的意義

水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)輪有兩大類型，沖擊式和反擊式，沖擊式水輪機(jī)只能利用水流動能進(jìn)行做功，反擊式水輪機(jī)則利用水流的位能、壓能、動能做功，故在現(xiàn)今的水輪機(jī)制造發(fā)展當(dāng)中，反擊式水輪機(jī)類型更為廣泛應(yīng)用。水流流經(jīng)這種水輪機(jī)時充滿整個轉(zhuǎn)輪流道，當(dāng)水輪機(jī)水流流態(tài)有異常時，不能直接地看出，故此類型的機(jī)組運行需要進(jìn)行長期穩(wěn)定性監(jiān)測。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生異常振動擺度增大等原因時應(yīng)通過廠內(nèi)的監(jiān)測設(shè)備對異?，F(xiàn)象進(jìn)行分析，找到原因去解決機(jī)組存在的問題，以達(dá)到水輪發(fā)電機(jī)組長期穩(wěn)定運行的目的。

2 水輪發(fā)電機(jī)組主要監(jiān)測設(shè)備

2.1 調(diào)速器系統(tǒng)

調(diào)速器的選用首先就影響著水輪機(jī)的動作特性，作為上位機(jī)與水輪機(jī)的傳輸執(zhí)行中間設(shè)備，它具有智能化可編程的功能，接收操作調(diào)節(jié)指令，采用適應(yīng)式變參數(shù)的PID調(diào)節(jié)規(guī)律傳輸至電氣調(diào)節(jié)裝置，然后經(jīng)液壓操作系統(tǒng)直接執(zhí)行對導(dǎo)葉以及槳葉的調(diào)節(jié)。同時調(diào)速器還通過信息量化集成在人機(jī)界面里顯示并存儲著水輪發(fā)電機(jī)組的運行狀態(tài)參數(shù)，包括機(jī)組的開機(jī)停機(jī)時長記錄、導(dǎo)槳葉調(diào)節(jié)記錄以及機(jī)組有功運行曲線的監(jiān)測記錄等。

2.2 機(jī)組在線監(jiān)測振擺系統(tǒng)

機(jī)組在線監(jiān)測振擺系統(tǒng)對機(jī)組的振動監(jiān)測是必不可少的，也是最重要的部件之一，在大多數(shù)電廠站中，該系統(tǒng)時常被忽略維護(hù)而導(dǎo)致故障停用，對機(jī)組的狀態(tài)不能及時了解及跟進(jìn)也側(cè)面影響著機(jī)組的安全運行，該系統(tǒng)的主要功能有[2]：①對水輪發(fā)電機(jī)組振擺狀態(tài)實時監(jiān)測；②設(shè)置越限報警值，可讓電廠站人員及時采取措施避免設(shè)備造成較大傷害；③對機(jī)組的軸系擺度以及軸承支架的振動實時采集、頻譜特征顯示實時波形顯示等；④建立有完善的實時數(shù)據(jù)庫和歷史數(shù)據(jù)庫；⑤能夠?qū)Φ湫偷倪\行工況進(jìn)行錄波分析；⑥與后臺上位機(jī)實現(xiàn)互通數(shù)據(jù)，協(xié)同廠站內(nèi)電量監(jiān)控裝置形成全站監(jiān)測系統(tǒng)；⑦提供多個擴(kuò)建模組對機(jī)組進(jìn)行擴(kuò)大監(jiān)測范圍。

3 水輪機(jī)組異常現(xiàn)象特征分析及處理

異?，F(xiàn)象主要表現(xiàn)在水導(dǎo)擺度大，油盆頂蓋徑向振動大，影響機(jī)組軸瓦的壽命；油溫瓦溫相繼升高有非計劃停運風(fēng)險，從而造成相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)損失。水導(dǎo)擺度大主要是因水力流動與轉(zhuǎn)輪不匹配導(dǎo)致，進(jìn)水不暢有突變流量[3]。

3.1 協(xié)聯(lián)曲線運用不佳

轉(zhuǎn)槳式機(jī)組轉(zhuǎn)輪協(xié)聯(lián)曲線運用欠佳。

某電站為無調(diào)節(jié)庫容電站裝機(jī)2臺，機(jī)組形式為燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組，當(dāng)單臺機(jī)組運行時，接地調(diào)指令增開另一臺機(jī)組補(bǔ)充電網(wǎng)容量時，因凈水位迅速下降導(dǎo)致在運機(jī)組在非協(xié)聯(lián)工況運行，機(jī)組擺度振動大，效率變低，對機(jī)組產(chǎn)生危害。如圖1所示，機(jī)組調(diào)節(jié)能力比凈水頭變化要滯后，導(dǎo)致機(jī)組振動擺度變大，機(jī)組工況不穩(wěn)定。

圖1 無調(diào)節(jié)庫容電站機(jī)組轉(zhuǎn)非協(xié)聯(lián)工況運行示意圖

在汛期流量不確定的時段以及取水口處的雜物堆積，使水輪發(fā)電機(jī)組在實際運行當(dāng)中會存在較大水頭變化和凈水頭損失，從而設(shè)計出廠協(xié)聯(lián)曲線可能在不同江河、不同電站的實際運用效果欠佳，導(dǎo)致機(jī)組處于非協(xié)聯(lián)工況運行，通過監(jiān)測設(shè)備就能反映出相應(yīng)的特征表現(xiàn)[4]：機(jī)組振動擺度趨勢上升，瓦溫油溫有相應(yīng)升高趨勢，以及調(diào)速系統(tǒng)上有功出力不穩(wěn)定，調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)頻繁。因此，為讓機(jī)組過流符合當(dāng)前水頭工況，應(yīng)手動破壞協(xié)聯(lián)關(guān)系即增減輪槳葉開度（槳葉手動增開如圖2所示）或者人工抬高協(xié)聯(lián)水頭設(shè)定值（使機(jī)組工況從a點調(diào)至b點運行如圖2所示），使得機(jī)組出力改變并且擺度振動回歸正常值范圍。

圖2 協(xié)聯(lián)曲線調(diào)整策略方法

3.2 軸系偏移、質(zhì)量偏心

通過機(jī)組在線監(jiān)測振擺系統(tǒng)可量化分析得出機(jī)組部分位置振動擺度大且有明顯頻譜特性，這種情況存在質(zhì)量偏心、軸系偏移并伴隨動靜干涉疊加作用的可能性較大。

對于連軸較長的立式水輪發(fā)電機(jī)組，軸系通常容易出現(xiàn)偏移，機(jī)組在運行期間特別是空轉(zhuǎn)態(tài)時會呈現(xiàn)一定的振動擺度特征量，與此同時空載工況運行的機(jī)組相應(yīng)的也同樣會出現(xiàn)電磁力不平衡現(xiàn)象。通過電廠站機(jī)組在線監(jiān)測振擺系統(tǒng)可得軸系分析圖，圖3為某電廠發(fā)電機(jī)質(zhì)量偏心的三維軸系狀態(tài)圖，經(jīng)動平衡配重后振動擺度明顯改善。

圖3 軸系調(diào)整動平衡配重前、后擺度軸系示意圖

經(jīng)過配重后對該廠此機(jī)組開展空轉(zhuǎn)工況以及空載工況的復(fù)測檢測，各振擺數(shù)值均有明顯的降低，機(jī)組帶負(fù)荷運行均有明顯的振擺狀況改善。故而電廠站加強(qiáng)對數(shù)據(jù)的監(jiān)視分析對機(jī)組的運行以及解決振動擺度超標(biāo)有理論性幫助。

3.3 轉(zhuǎn)輪異物卡塞、流量狀態(tài)突變

對于小型混流式機(jī)組較常見的有異物從攔污柵進(jìn)入導(dǎo)致過流不暢，水力流量突變，導(dǎo)致擺度較大，存在停運風(fēng)險。

柬埔寨基里隆水電站3號機(jī)組曾在2015年6月13日9時發(fā)生非計劃停運事故[3]，通過調(diào)速系統(tǒng)的控制監(jiān)測，機(jī)組在9時前未有任何異常，在線監(jiān)測振擺系統(tǒng)也均未監(jiān)測到超標(biāo)報警振擺值，當(dāng)9時許，水導(dǎo)擺度有不正常階躍值產(chǎn)生，伴隨著溫度監(jiān)控系統(tǒng)的水導(dǎo)瓦溫緩慢上升，值班人員下至水輪機(jī)室發(fā)現(xiàn)有濃煙產(chǎn)生，并觸發(fā)火災(zāi)報警裝置，值班人員便執(zhí)行緊急停機(jī)。后經(jīng)排查3號機(jī)組產(chǎn)生濃煙，水導(dǎo)擺度及頂蓋振動大因木塊從進(jìn)水口攔污柵進(jìn)入蝸殼再經(jīng)轉(zhuǎn)輪室旋轉(zhuǎn)與空氣圍帶產(chǎn)生摩擦并破壞水力不平衡，使流量突變，轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)受力不均，導(dǎo)致了振動擺度增大。

3.4 轉(zhuǎn)輪葉片失調(diào)、過流特征變化。

轉(zhuǎn)輪葉片失調(diào)，對故障點排查需要做到全面且謹(jǐn)慎，結(jié)合協(xié)聯(lián)曲線的正確運用性，通過調(diào)速系統(tǒng)上的導(dǎo)葉操作及反饋曲線、槳葉操作及反饋曲線、有功調(diào)節(jié)曲線，結(jié)合機(jī)組在線振擺監(jiān)測系統(tǒng)來共同完成故障點排查的工作是很有必要的。

例如某電站1號軸流轉(zhuǎn)槳式發(fā)電機(jī)組，其中槳葉活塞桿卡環(huán)、套環(huán)及操作架鍵脫落，從而造成機(jī)組實際運行中轉(zhuǎn)輪葉片不能正常復(fù)歸，導(dǎo)致在有功調(diào)節(jié)后處于非協(xié)聯(lián)關(guān)系運行，造成機(jī)架振動異常、擺度增大、危害機(jī)組安全運行，對于廠內(nèi)運行人員而言，槳葉開度所在位置在當(dāng)前情況下無法獲悉。本次轉(zhuǎn)輪葉片失調(diào)分析排查流程如下[5]：

（1）機(jī)組處于靜水態(tài)，檢查導(dǎo)葉、槳葉、有功反饋信號值，配合導(dǎo)葉控制環(huán)、槳葉操作桿的機(jī)械尺的讀數(shù)一致性檢查，均正常。

（2）協(xié)聯(lián)曲線運行的檢查。機(jī)組在槳葉開度未知情況下，選擇開機(jī)運行，且與同最近的一次負(fù)荷運行，橫向比對其他在運機(jī)組可知，1號機(jī)組實際不在協(xié)聯(lián)工況下運行。

（3）對機(jī)組負(fù)荷進(jìn)行升降調(diào)整，利用1章節(jié)所述監(jiān)測系統(tǒng)對升降過程中的導(dǎo)葉、槳葉、有功、振動擺度進(jìn)行細(xì)致的記錄分析檢查。分析發(fā)現(xiàn)升負(fù)荷過程中槳葉跟隨導(dǎo)葉及有功反饋均正常，升至滿負(fù)荷后進(jìn)行降負(fù)荷過程，機(jī)組的上導(dǎo)和推力軸承均明顯瞬時增大，如圖4所示，且存在有功降低，但有功反饋曲線呈鋸齒狀。

（4）進(jìn)一步檢驗導(dǎo)葉、槳葉改變對有功及機(jī)組擺度振動的影響。調(diào)速系統(tǒng)錄波如圖5、圖6所示。

通過排查及轉(zhuǎn)輪裝配圖分析，可能存在軸斷裂、卡環(huán)套環(huán)脫落等損毀現(xiàn)象，槳葉隨動僅在開啟方向跟隨導(dǎo)葉協(xié)聯(lián)調(diào)節(jié)，致使機(jī)組協(xié)聯(lián)失調(diào)，引起過流突變，機(jī)組水力工況惡劣，從而造成機(jī)組振動擺度變大和有功波動現(xiàn)象。電廠站在此次處理中結(jié)合機(jī)組本故障點特點，優(yōu)先對該機(jī)組實施了A級檢修，檢修完畢后該機(jī)組恢復(fù)正常工作狀態(tài)。

圖4 機(jī)組降負(fù)荷上導(dǎo)擺度、推力軸承擺度波形圖

圖5 導(dǎo)葉槳葉操作錄波圖

圖6 導(dǎo)葉固定、槳葉機(jī)手動調(diào)節(jié)對有功的影響錄波圖

4 小結(jié)

通過以上舉例闡述，水輪發(fā)電機(jī)組在水流反推力的作用下，會產(chǎn)生較大基礎(chǔ)振動和軸系的擺動，通過運用電廠站內(nèi)的主要監(jiān)測設(shè)備可以及時地了解機(jī)組運行狀況掌握機(jī)組運行是否存在劣化趨勢，對于電廠站的穩(wěn)定生產(chǎn)有著重要意義。本文針對水流狀態(tài)的變化影響水輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性闡述了相關(guān)現(xiàn)象描述及處置方式，對通過電廠站內(nèi)服役的在線監(jiān)測系統(tǒng)的有效數(shù)據(jù)分析快速查找定位相同類現(xiàn)象的原因及處理提供有效借鑒。