某大型軸流式機組穩定性試驗及分析

錢巨林，李鈐，肖志懷，戴勇峰，肖惠民，于昊楠

某大型軸流式機組穩定性試驗及分析

錢巨林1，李鈐1，肖志懷*,2，戴勇峰3，肖惠民2，于昊楠2

（1. 國網新源水電有限公司富春江水力發電廠，浙江 桐廬 311504；2.武漢大學 動力與機械學院動力系，湖北 武漢 430072；3.華中科技大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430074）

通過機組穩定性試驗可以獲取真機各部位的振動、擺度等指標，再對試驗數據進行分析就可以判斷機組的運行狀態。對某大型軸流式機組進行了頂轉子、變轉速、變勵磁、變負荷、協聯等穩定性試驗。試驗數據分析表明，下機架在承受全部自重時的撓度在安全范圍內；機組存在一定量的質量不平衡，可考慮對發電機轉子實施現場動平衡；不平衡磁拉力對上機架水平振動影響較小，但對聯接法蘭擺度影響顯著；75%和62%導葉開度協聯點設置合理，但54%開度協聯點需調整；帶負荷運行時，聯軸法蘭擺度超過了國標考核標準。聯機法蘭擺度超標應是機組無下導、轉子與轉輪間大軸過長、轉動部件質量不平衡、不平衡磁拉力等因素共同作用的結果，降低聯軸法蘭擺度應從這幾方面著手。

穩定性試驗；擺度；振動；軸流式機組；聯軸法蘭

水力機組正朝著大型化、高速化和大容量方向發展，隨之而來的是機組穩定性問題日益突出，國內外一些大型或巨型電站均出現了不同程度的振動，個別還比較嚴重，這極大地影響了機組的長期安全穩定運行，降低了電廠的經濟效益，同時也給電網帶來了不穩定因素。

機組穩定性試驗可獲取振動、擺度、壓力脈動等穩定性指標，是了解和掌握機組穩定性能的有效手段。通過分析機組振動、擺度的特點和規律，可掌握水力、機械和電磁三種不平衡因素的影響程度以及振因、振源，從而為機組運行、檢修及技術改造提供科學依據[1-6]。

某大型軸流式機組常偏離較優工況運行，其大軸法蘭連接處振動擺度一直偏大，特殊情形下此處振動擺度達上千微米，存在巨大的安全隱患。針對該電廠機組法蘭、水導擺度偏大的問題，開展了機組穩定性試驗，以系統分析法蘭連接處主軸擺度偏大的原因，為后期科學合理地制定減少大軸擺度方案奠定基礎，也可以為其他類似機組的穩定性研究提供參考[7-10]。

1 機組型式及測點

該水輪發電機組為大型立式機組（單機容量60 MW，轉輪直徑8 m），結構比較特殊，為二導半傘式結構，有上導而無下導，發電機轉子至轉輪之間軸長近11 m。

機組穩定性試驗測點包括：上導、水導的擺度（向、向），上機架、下機架、定子機座、頂蓋的振動（向、向、向）。導軸承處擺度通過電渦流傳感器監測，上機架、下機架、定子機座、頂蓋處振動通過低頻振動傳感器監測。機組實時出力、導葉槳葉開度以及電站上游、尾水水位通過中控室來實時監控系統讀取。

2 試驗內容

（1）頂轉子試驗：4個工況點，油壓分別為20 bar、40 bar、60 bar、68 bar；

（2）變轉速實驗：4個工況點，轉速分別為額定轉速（71.4 r/min）的60%、70%、80%、100%；

（3）變勵磁試驗：4個工況點，勵磁電壓分別為額定電壓的25%、50%、75%、100%；

（4）變負荷試驗：7個協聯工況點，負荷分別為30 M、35 M、40 MW、45 MW、50 MW、55 MW、60 MW。

（5）協聯試驗：導葉開度分別為最大開度的75%、62%、54%。

機組對應國標允許限值（雙幅值）如表1所示。試驗參考標準詳見參考文獻[11-14]。

表1 機組對應國標允許限值（雙幅值）

3 試驗數據及分析

3.1 頂轉子試驗

在下機架下部安裝一個電渦流傳感器，傳感器的支架用鋼管固定在頂蓋上。傳感器安裝好后，用頂轉子油泵裝置，分別加載20 bar、40 bar、60 bar、70 bar油壓，每個工況停留5 min，撓度傳感器同步記錄相關數據。

油缸頂起力計算如下：

油缸上頂力＝油壓力×π×油缸半徑2×

油缸個數

根據試驗數據計算得到的油缸上頂力和下機架抬起量，如表2所示。

表2 計算得到油缸的上頂力和下機架抬起量

注：油壓力為0時是靜止狀態，油壓力為68時是全部頂起。

試驗測得轉動部件的重量為632.277 t，和設計重量640.5 t非常接近。下機架在承受全部自重狀態下的撓度為1.245 mm，在設計范圍內。

3.2 變轉速試驗

變轉速試驗各部振動、擺度峰峰值隨轉速的變化趨勢如圖1所示。

圖1 變轉速振動趨勢圖（97%置信度）

由圖1可見：

（1）隨著轉速的增加，上導擺度和水導擺度變化不大，基本上在200～220 μm范圍內變動。但聯機法蘭擺度變化非常大，從200 μm左

右變到額定轉速的500 μm左右，已超過國標考核標準。

（2）隨著轉速增加，上機架水平振動通頻峰峰值從23 μm變化到額定轉速時的67.3 μm。轉頻幅值和轉速平方關系圖顯示兩者存在明顯的線性關系，頻譜分析也表明該信號工頻分量（50 Hz）的振動幅值最大，說明發電機轉子存在一定的質量不平衡。

（3）下機架、定子、頂蓋等部位振動在不同轉速下都未超過50 μm。

3.3 變勵磁試驗

變勵磁試驗各部振動、擺度峰峰值隨勵磁電壓的變化趨勢如圖2所示。由圖可見：

（1）隨著勵磁電壓（電流）的增加，上導擺度通頻峰峰值從240 μm左右增加到300 μm左右。水導擺度通頻峰峰值從200 μm左右增加到220 μm左右。聯接法蘭擺度＋和＋通頻峰峰值從350 μm左右增加到800 μm左右。各處擺度值均隨勵磁電壓（電流）的增加而變大。

（2）隨著勵磁電壓的增加，上機架向水平振動通頻峰峰值從65 μm增加到130 μm，其余各部位振動通頻峰峰值均在50 μm以內，轉頻分量幅值沒有超過20 μm。

以上分析結果顯示：發電機明顯存在不平衡磁拉力，且對不同部位的影響差別很大；磁拉力對上機架水平振動有影響，對聯接法蘭擺度有顯著的影響。

3.4 變負荷試驗

協聯變負荷各部振動、擺度峰峰值的變化趨勢如圖3所示。由圖可見：

（1）機組在各個負荷工況下，水導擺度＋向和＋向通頻峰峰值均沒有超過200 μm，上導擺度＋向和＋向采用95%置信度幅值在200 μm左右，擺度都沒有超過國標考核標準的250 μm。

③壓漿參數中的壓力和漿量，必須是從大到小的進行調整，初始壓力和漿量的確定取決于鉆孔內涌滲水壓力和涌滲水量的大小，初始壓漿壓力應大于孔內涌水壓力，初始漿量應大于孔內涌水量。

（2）各個負荷工況下的聯機法蘭擺度＋和＋在500～700 μm之間波動，已超過國標考核標準，后期應采取措施減輕聯機法蘭擺度，以確保機組能長期安全穩定運行。

圖2 變勵磁振動趨勢圖

（3）機組在各個負荷工況下，各部位水平、垂直振動都不超過50 μm，滿足標準要求。

圖3 變負荷振動趨勢圖（97%置信度）

3.5 協聯試驗

導葉開度75%、54%時的協聯試驗趨勢圖如圖4、圖5所示（62%導葉開度圖略）。

從振動和擺度的角度來評判協聯關系曲線：

（1）75%、62%導葉開度機組現有協聯點振動、擺度都在區間的最小值，說明協聯工況點設置合理。

圖4 協聯導葉開度75%（定導葉變槳葉）試驗趨勢圖

4 結論

通過對機組變轉速試驗、變勵磁試驗、變負荷試驗數據的深入分析，可得出以下結論：

（1）下機架在承受全部自重狀態下的撓度在設計范圍內。

圖5 協聯導葉開度54%試驗趨勢圖

（2）機組存在一定的質量不平衡，可考慮對發電機轉子實施現場動平衡，進一步提高機組穩定性水平。

（3）存在不平衡磁拉力，對上機架水平振動影響較小，但對聯接法蘭擺度有顯著的影響。

（4）由變負荷試驗可知，除聯軸法蘭外，各測點振動峰峰值和擺度峰峰值均在國家標準范圍內，運行狀態良好。聯機法蘭擺度在500～700 μm之間波動，已超過國標考核標準。

（5）75%和62%導葉開度協聯點設置合理，但54%開度協聯點需要調整。由于制造、安裝和運行條件的差異，真機協聯關系曲線可能與模型機有差異。在條件允許的情況下，電廠應開展全面系統的協聯試驗，檢驗、校正協聯曲線，以提高機組效率和穩定性。

綜上所述，聯機法蘭擺度超標應是機組無下導、轉子與轉輪間大軸過長、轉動部件質量不平衡、不平衡磁拉力等因素共同作用的結果，降低聯軸法蘭擺度也理應從這幾方面著手。

[1]宮汝志，李德友，王洪杰，等. 烏江構皮灘水電機組水力穩定性試驗研究[J]. 排灌機械工程學報，2016，34（1）：32-37.

[2]翟曉陽，韋家慶，韋剛，等. 廣西樂灘水電站機組穩定性試驗分析[J]. 水電站機電技術，2019，42（7）：19-20，36.

[3]鄧必剛. 天一電廠3號機組穩定性試驗分析及處理[J]. 水電站機電技術，2017，40（4）：48-50.

[4]張楊，宋軒，孫一然. 寶泉電站機組振動穩定性分析[J]. 水電站機電技術，2019，42（5）：8-12.

[7]杜曉康，李志祥，陳鋼，等. 三峽電廠振擺監測系統應用分析[J].水力發電學報，2016，35（10）：77-92.

[5]馮雁敏，常洪軍，張恩博，等. 某混流式水輪發電機組現場穩定性試驗及振動保護策略研究[J]. 水電能源科學，2016，34（7）：178-182，5.

[6]傅康，賈嶸，董開松. 基于振動特性試驗的水電機組穩定性分析與評估[J]. 西北水電，2016（5）：63-65.

[7]孟龍，劉孟，支發林，等. 機械不平衡及軸瓦間隙對水輪機運行穩定性的影響分析[J]. 機械工程學報，2016，52（3）：49-55.

[8]李漢臻. 兩導半傘式立軸混流式水電機組上機架振動超標原因分析[J]. 電工技術，2020（1）：78-79，82.

[9]莫亞波，狄洪偉，李海波，等. 抽水蓄能機組擺度異常原因分析與處理[J]. 四川水力發電，2020，39（1）：73-77.

[10]趙淵，支發林. 基于鍵相位法的轉槳式水輪發電機組動平衡研究[J]. 人民長江，2017，48（16）：83-87.

[11]國家能源局. 水輪發電機組啟動試驗規程：DL/T 507－2014[S]. 北京：中國電力出版社，2014.

[12]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 旋轉機械轉軸徑向振動的測量和評定第5部分：水力發電廠和泵站機組：GB/T 11348.5－2008[S]. 北京：中國標準出版社，2008.

[13]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 水輪發電機組狀態在線監測系統技術導則：GB/T 28570－2012[S]. 北京：中國標準出版社，2012.

[14]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會. 水力機械振動和脈動現場測試規程：GB/T 17189－2017[S]. 北京：中國標準出版社，2017.

Stability Test and Analysis of a Large Kaplan Unit

QIAN Julin1，LI Qian1，XIAO Zhihuai2，DAI Yongfeng3，XIAO Huimin2，YU Haonan2

( 1.Fuchunjiang Hydropower Plant of State Grid Xinyuan Co., Ltd., Tonglu 311504, China; 2.School of Power and Mechanical Engineering ,Wuhan University, Wuhan 430072, China; 3.School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China )

The stability tests of lifting rotor, variable speed, variable excitation and variable load are carried out for a large axial flow unit. Through the stability test, the vibration, swing and other indicators of the prototype unit can be obtained and the operating state of the unit can be judged. The analysis of the test data shows that the deflection of the lower frame is within the safe range when it bears the total dead weight. The problem of mass unbalance in the generator unit could be solved through on-site dynamic balancing of the generator rotor. Unbalanced magnetic tension has little effect on the horizontal vibration of the upper frame, but significantly influences the swing of the connecting flange. The on-cam operating conditions of 75% and 62% guide vane opening are set reasonably, but the on-cam operating condition of 54% needs to be adjusted. When running with load, the coupling flange swing exceeds the national standard. The excess of coupling flange swing may be caused by the combined action of such factors as unit without lower guide, long shaft between rotor and runner, mass unbalance of rotating parts, and unbalance of magnetic pull, etc. These factors should be taken into consideration in reducing coupling flange swing.

stability test；vibration；swinging；Kaplan unit；shaft coupling flange

TV734.2+1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.08.001

1006-0316 (2021) 08-0001-06

2021-01-14

國家自然科學基金項目：復雜多變網構下水電機組穩定性機理與機網協調控制研究（51979204）；國網新源水電有限公司富春江水力發電廠項目：國網新源水電富春江電廠水輪發電機組穩定性測試與及轉子動力學分析研究（SGTYHT/19-JS-217）

錢巨林（1967－），男，浙江諸暨人，高級工程師，主要從事水輪機發電機組方面的研究工作，E-mail：julin-qian@sgxy.sgcc.com.cn。

通訊作者：肖志懷（1968－），男，湖北武漢人，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為水電機組故障診斷、建模與優化控制等，E-mail：xiaozhihuai@126.com。