關于優化某電站低水頭運行方式的探究

伍常林，熊續平，秦曉康，王利國，陳 聲

（華東瑯琊山抽水蓄能有限責任公司，安徽 滁州 239000）

1 概述

某抽蓄電站安裝有4臺150 MW的混流式抽水蓄能機組，為日調節純抽水蓄能電站，擔任華東電網的調峰、調頻、填谷、調相和事故備用等運行。該電站4臺機組在低水頭額定功率發電運行時均出現頂蓋振動值超過設計允許運行范圍現象，造成部分機械部位損傷，不但增加了檢修頻次，還直接影響機組機械運行壽命。因此，研究如何降低在低水頭發電運行期間頂蓋振動超標問題具有十分重要的意義。

2 機組主要參數

水輪機型號 HLH7/603C-LJ-470

最大水頭Hmax149.8 m

最小水頭Hmin110 m

額定水頭Hr126 m

額定流量Qr126 m3/s

額定轉速nr230.8 r/min

水輪機功率NT150 MW

3 試驗前運行情況

該電站機組導葉運行開度限制設置為90%,此時額定負荷運行時對應運行水頭在130 m附近。由于該電站為日調節運行方式，機組每日在設計水頭129.0～149.8 m之間滿負荷運行。其中在水頭129～131 m之間發電運行時，頂蓋振動速度由0.6 mm/s逐漸增大到3.2 mm/s，超過設計允許最大值1.9 mm/s,見圖1。這造成機組機械部位出現嚴重損傷，如導葉導向軸磨損、導葉密封磨損和導葉間隙調整墊片碎裂等問題（見圖2），不但增加了機組檢修頻率和維護成本，還嚴重影響機組運行安全，因此尋找該電站低水頭安全運行方式具有重大研究意義。

圖1 低水頭額定功率運行時頂蓋振動增大趨勢

圖2 機械部位出現損傷

4 振動原因分析

由于混流式水力發電機組運行工況較多，水力運行結構復雜，引起振動的原因比較多,也可能是由多種原因共同引起振動[1]。低水頭運行時容易產生機組振動、轉輪空蝕、蝸殼內壓力脈動、機械疲勞損壞及噪聲等現象。目前,尚無統一標準對水輪發電機組的振動區進行劃分。由于轉輪在水道中受到多種因素的影響,如葉道渦、同水道機組啟停造成的壓力脈動等外在激勵源的影響，均會造成轉輪軸系等部位的振動[2]。機組水頭會隨發電運行時間的變化而逐步發生變化，進而引起機組的運行振動特性也發生相應的變化。在額定負荷大開度區發電運行時，高頻壓力脈動可能會加劇機組振動，轉輪葉片正面的局部脫流運行也會加劇機組振動，如果長時間運行在該工況下就會造成轉輪葉片出現空蝕甚至裂紋等現象，因此應避免在該工況附近長時間運行[3]。在低水頭額定功率運行情況下，導葉開度會隨著水頭的降低而逐漸增大，甚至會超出最優運行工況，導致轉輪進口水流的負沖角就會變得越來越大。當機組導葉開度超過一定負沖角值時，就會在葉片進口邊的背面產生水流沖擊，進而出現脫流和空化現象，產生次生水沖擊，給機組的安全運行帶來嚴重影響[2]。

該電站在水頭130 m附近時導葉已達到最大開限90%（見圖3），隨著水頭進一步降低，就會出現水流量不能滿足額定功率150 MW需求，進而造成脫流、空化或者卡門渦等現象，從而造成蝸殼壓力脈動，產生影響軸系振動的外在激勵源。因此，根據該電站實際運行情況和模型試驗功率流量導葉開度圖，一是可通過降負荷即減少導葉開度即滿足流量需求來消除了外在的激勵源，二是可調整導葉開限來滿足流量需求。但如果放開導葉開限將可能造成機組在低水頭運行時，隨著導葉開度的增加，轉輪進口水流的負沖角就會變得越來越大，如果此時仍在滿負荷運行，水流就會在轉輪進口處產生巨大的反沖力，并在導葉出水邊至轉輪進水邊產生巨大的壓力脈動，機組軸向振動明顯受到水力沖擊影響，造成頂蓋垂直振幅值的突增[4]。因此，經現場討論決定通過減少導葉開度降負荷開度方案來執行，但需要試驗來驗證是否可行。

圖3 模型試驗功率流量導葉開度關系

5 試驗過程

根據上述分析，本次低水頭發電降負荷試驗按照每次5 MW遞減且穩定運行15 min來分析機組頂蓋振動情況，直到機組頂蓋振動恢復到設計范圍為止，然后逐步增加功率到額定功率，來驗證功率和振動是否有直接關系。為了確保機組安全穩定運行，試驗期間監視機組頂蓋振動、尾水管噪音和振動等運行情況，確保機組安全穩定運行。

圖4～圖6試驗數據可得出：

（1）從圖4分析得出，在低水頭范圍內機組頂蓋振動隨著機組由額定功率150 MW降低至140 MW時，機組頂蓋振動值就由3.3 mm/s降至1.5 mm/s，已經低于設計保證值1.9 mm/s，當繼續降到125 MW時頂蓋振動繼續降低至0.6 mm/s；此時再按照5 MW逐漸增加功率到額定功率150 MW，在此過程中頂蓋振動又由0.6 mm/s逐漸增大到3.2 mm/s。說明頂蓋振動大小與機組功率有直接關系。

圖4 機組功率、頂蓋振動等運行趨勢

（2）從圖5分析得出，在低水頭范圍內機組從150 MW降至125 MW過程中，尾水管處振動由2.14 mm/s逐漸降低至0.53 mm/s；再從125 MW增加至150 MW期間，尾水管振動又從0.49 mm/s逐漸增大到2.14 mm/s。說明尾水管振動大小跟機組功率變化存在直接相關性。

圖5 尾水管振動變化趨勢

（3）從圖6分析得出，在低水頭范圍內機組功率在140 MW及以上范圍內，噪聲測量值均在110 dB左右；機組功率130 MW及以下范圍內，噪聲測量值均在96 dB左右，尾水錐管處噪聲明顯減少。說明在低水頭運行區域，機組功率大小與尾水管噪聲值存在直接相關性。

圖6 尾水管噪聲運行趨勢

根據上述試驗結果得出,該電站在低水頭降負荷至135 MW運行時完全可以減少底蓋振動,而機組水頭從130 m降至129 m，機組在此階段運行2 h左右，對發電影響不大，但對機組安全穩定運行影響深遠。故該電站將相關試驗方案和試驗數據等及時與相關調度備案，并得到調度許可即在水頭129～130 m之間運行時從額定功率150 MW將至135 MW，此時機組頂蓋振動運行在0.9 mm/s，滿足設計要求，確保了機組的安全穩定運行。

6 結語

現代化水輪機運行評價的三大指標分別為效率、空化和穩定性，其中機組的穩定性是一切評價的首要條件。因此，在水輪機機組選型時都把穩定性放在首位。而大負荷低水頭運行是機組在穩定性邊界運行工況的一種特殊工況[4]。對于運行時水頭變幅較大且存在低水頭額定功率運行的機組，如果受調速器開限限制機組運行出力，即額定功率運行水頭應從額定運行水頭調整到開限限制時水頭，否則按照原額定水頭額定功率運行時就會影響機組的穩定性，直接影響電廠的安全。

由于機組穩定運行受到水力特性的不確定性和變化性的影響，日常運維應密切關注水力環境與機組運行情況之間的變化關系，找出機組運行規律，并合理調整機組運行工況，確保機組安全穩定運行，延長機組機械設備運行壽命。各電站應根據機組的實際運行情況，結合模型試驗中功率、流量和導葉開度等關系，通過試驗找到適合機組安全穩定運行的方式，并及時和相關調度溝通，確保方案的可執行性。文章通過降負荷來控制機組頂蓋的振動，可為其他電站提供參考。