某巨型水輪機組啟動試運行穩定性試驗研究

譚 鋆，李友平，司漢松

(中國長江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

某巨型水輪機主要的技術參數為：Hr=137 m，Ne=862.1 MW，n=90.91 r/min，Hs=-7.4 m，轉輪葉片數為15，是目前投運的最大單機容量機組，其運行的穩定性受到國內外同行的高度關注，對確保電力系統的安全穩定也具有及其重要的意義。

水輪機模型試驗是檢驗水輪機轉輪性能的重要手段，但是由于受到各種因素的制約，水輪機模型與真機之間不可能完全相似，水輪機模型試驗的結果不能完全反映真機的水力特性，因此必須通過試驗來獲取真機的真實性能[1]。在機組啟動階段，對該機組開展現場穩定性試驗，掌握機組的特性，為電廠機組的安全、經濟運行提供依據[2]。

1 試驗條件

1.1 試驗水頭及測點布置

試驗工況如下，上游水位：948.74 m，下游水位：823.19 m，毛水頭：H=125.55 m。

本次試驗共布置了44個測點，測點分布如下：擺度6個測點：上導，下導，水導；振動18個測點：上機架、下機架、定子機座、定子鐵心、頂蓋等；水壓7個測點：蝸殼進口出口、尾水進口出口、無葉區、錐管0.3D等；噪聲5個測點：機頭、風洞、水車室、蝸殼門、尾水門等；其他信號：鍵相、導葉開度、有功、無功等。為保證測試數據的可靠性，本次試驗儀器及傳感器在試驗前均由相關部門進行校驗合格。

1.2 試驗標準

試驗及數據處理根據國家標準和行業標準的有關規定進行：

GB/T 11348.5-2008旋轉機械轉軸徑向振動的測量和評定第五部分：水力發電廠和泵站機組。

GB/T 17189-2017水力機械(水輪機、蓄能泵和水泵水輪機)振動和脈動現場測試規程。

DL/T 507-2014 水輪發電機組啟動試驗規程。

2 機組運行穩定性

2.1 水壓力脈動

水輪機的水力特性是影響水輪發電機組穩定運行的最重要因素，在機組運行穩定性試驗中需特別關注水壓力脈動的測量[3]。

圖1、圖2、圖3分別為試驗工況下無葉區、蝸殼進口、錐管0.3D處的水壓(97%置信度)脈動值△H/H隨負荷變化的趨勢圖。為了便于比較，在圖中作出了廠家保證值的范圍。從圖中可知，X、Y方向的脈動值變化趨勢基本一致，說明試驗數據是可信的。

圖1 無葉區壓力脈動圖

圖2 蝸殼進口壓力脈動圖

圖3 錐管0.3D壓力脈動圖

無葉區壓力脈動在0～300 MW小負荷區域從6%逐漸減小至2.5%左右，在300～600 MW區域呈現單峰值形態，最大值為3.33%，主頻為0.29 Hz；機組負荷大于600MW后逐漸穩定，均在廠家保證值范圍內，機組負荷大于750 MW后有輕微翹尾現象，最大值為3.1%，主頻為22.71 Hz(15倍轉頻)；

蝸殼進口壓力脈動在試驗工況下均滿足廠家保證值要求，機組負荷大于200 MW后逐漸穩定，維持在1.6%左右；

錐管0.3D壓力脈動在試驗工況下基本均滿足廠家保證值要求。在0～100 MW小負荷區域幅值較大，最大值為6.3%，主頻為0.01 Hz；在100～700 MW負荷區域，幅值逐漸減小，機組負荷大于700 MW后趨于穩定，穩定在1%左右。

2.2 機組擺度

圖4為機組擺度幅值隨負荷變化的趨勢圖。在0～200 MW負荷范圍內，隨著機組負荷的增加，機組擺度逐漸減小，總體在廠家保證值范圍內，主頻主要為轉頻1.51 Hz；隨著導葉開度及流量的增大，在300～550 MW負荷范圍內，機組擺度呈現單峰形態，擺度值維持在較高水平，此時頻率主要為0.3 Hz，與該工況下無葉區壓力脈動的頻率基本一致。在550～850 MW負荷范圍內，三部軸承擺度幅值較小且穩定，幅值均維持在100 um左右，此時頻率主要為轉頻1.51 Hz。

圖4 機組擺度圖

2.3 頂蓋振動

圖5為頂蓋振動幅值隨負荷變化趨勢圖。頂蓋振動幅值變化范圍較大，與無葉區壓力脈動變化趨勢基本一致。在0～200 MW負荷區域達到最大值，大于廠家保證值，主要為0.3 Hz以下的低頻振動，與該工況下無葉區、錐管0.3D處的壓力脈動頻率基本一致；在300～750 MW負荷區域，頂蓋振動幅值均滿足廠家要求且穩定，幅值基本維持在20～30 um之間；機組負荷大于750 MW后，頂蓋水平振動幅值有翹尾現象，略微超標，從頻譜可知，此時主要為低于0.3 Hz左右的低頻振動。

圖5 頂蓋振動圖

3 機組運行區域劃分

根據試驗數據及廠家合同保證值，可以將試驗水頭下全負荷范圍內該機組的運行區域劃分為[4-5]。

1)小負荷區。小負荷區的運行范圍約為空載0～200 MW，機組處于低水頭、小開度的工況下，無葉區、蝸殼進口、錐管0.3D處壓力脈動達到最大值，信號的主頻為渦帶頻率，約為0.3 Hz；此時機組振動、擺度幅值均維持在較高的水平，此時機組擺度主頻主要為轉頻1.51 Hz，頂蓋振動主頻為0.3 Hz左右的低頻。

2)渦帶工況區。負荷范圍約為330～550 MW，機組處于渦帶工況，機組無葉區壓力脈動呈現單峰值形態，此時機組振動、擺度均出現峰值，主頻均為0.3 Hz。

3)大負荷最佳運行區。負荷范圍約為550～750 MW，機組振動、擺度、壓力脈動等參數幅值達到全負荷最小值且幅值穩定，是機組的最佳運行區域。

4)高負荷區。負荷范圍約為750～850 MW，無葉區壓力脈動和頂蓋振動出現翹尾現象，略有增加，無葉區壓力脈動的主頻為15倍轉頻；該區域其余部件振動擺度基本保持穩定，未出現明顯變化。

4 結 語

1)在機組脫離渦帶區域之后，壓力脈動、機組擺度、振動幅值均小于廠家保證值，在高負荷區的頂蓋振動水平幅值超過廠家保證值。

2)試驗數據表明，試驗水頭下全負荷區間可劃分為：小負荷區、渦帶工況區、大負荷最佳運行區、高負荷區。小負荷區壓力脈動、頂蓋振動的幅值最大，機組擺度也出現峰值；渦帶工況區機組擺度幅值最大，壓力脈動、機組振動幅值有明顯增加，主要頻率為渦帶頻率；大負荷區內壓力脈動、擺度、振動的幅值最小；高負荷區內頂蓋振動、無葉區壓力脈動幅值有所增加。

3)試驗成果說明，在新機組啟動試運行期間對機組進行全面試驗，有助于機組投運后的安全運行，有助于分析研究機組的特性。