基于振動(dòng)特性分析的水輪發(fā)電機(jī)組安全運(yùn)行區(qū)劃分

蒲楠楠

(中國電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,杭州 311122)

0 前 言

水電站具有機(jī)組起、停機(jī)簡(jiǎn)單，負(fù)荷調(diào)整迅速等特點(diǎn)，在中國電網(wǎng)中大多擔(dān)任調(diào)峰調(diào)頻等任務(wù)，導(dǎo)致機(jī)組實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷范圍廣、機(jī)組長時(shí)間在不穩(wěn)定工況運(yùn)行的情況時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致機(jī)組疲勞破壞，影響水電站安全運(yùn)行和發(fā)電效益。因此，對(duì)機(jī)組安全運(yùn)行區(qū)規(guī)劃，在水電站日常調(diào)度運(yùn)行中尤為重要。到目前為止，關(guān)于機(jī)組安全運(yùn)行區(qū)劃分，已有諸多研究。清華大學(xué)王正偉[1]等通過在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果，對(duì)小浪底混流式機(jī)組及水口電站軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組進(jìn)行振動(dòng)區(qū)劃分。武漢大學(xué)婁強(qiáng)[2]等提出一種基于機(jī)組在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的機(jī)組運(yùn)行區(qū)精細(xì)化分方法，并在某混流式機(jī)組振動(dòng)區(qū)劃分工作中得到驗(yàn)證。國網(wǎng)新源有限公司技術(shù)中心樊玉林等[3]基于短時(shí)傅里葉變換分析手段，對(duì)水輪機(jī)渦帶工況進(jìn)行識(shí)別。西安理工大學(xué)于躍[4]以數(shù)值模擬手段，對(duì)水輪機(jī)流動(dòng)分析、轉(zhuǎn)輪動(dòng)力特性分析以及機(jī)組軸系動(dòng)力特定分析，得出小浪底水電站水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)區(qū)劃分。

根據(jù)已有關(guān)于水輪機(jī)振動(dòng)區(qū)劃分研究成果，已提出了較多振動(dòng)區(qū)分析方法，大多著重于特征數(shù)據(jù)提取方法的研究，尚未形成完善的振動(dòng)區(qū)劃分理論及劃分標(biāo)準(zhǔn)。本文以某水電站為例，以機(jī)組振動(dòng)規(guī)律作為機(jī)組運(yùn)行失穩(wěn)的主要表現(xiàn)，通過現(xiàn)場(chǎng)真機(jī)試驗(yàn)手段，獲取水輪發(fā)電機(jī)組軸系振動(dòng)擺度、關(guān)鍵部位(如蝸殼及尾水管等)水壓力脈動(dòng)等振動(dòng)指標(biāo)，通過分析頻譜特性及振動(dòng)變化規(guī)律，提出機(jī)組安全運(yùn)行區(qū)的判定方法，獲得特征水頭及典型負(fù)荷下機(jī)組安全運(yùn)行區(qū)，為提高機(jī)組的優(yōu)化運(yùn)行能力奠定基礎(chǔ)，也為其他水電站機(jī)組安全運(yùn)行區(qū)劃分提供參考。

1 機(jī)組全水頭振動(dòng)規(guī)律分析

1.1 工程概況

某電站安裝4臺(tái)單機(jī)容量為260 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組額定水頭為130 m，額定轉(zhuǎn)速為166.7 r/min。根據(jù)該電站上下游實(shí)際運(yùn)行水位，機(jī)組運(yùn)行毛水頭在110～160 m。

1.2 試驗(yàn)工況

本文以該電站2號(hào)機(jī)組為例，從110 m毛水頭開始，每隔20 m為一個(gè)試驗(yàn)水頭，直至最大毛水頭160 m為止，試驗(yàn)水頭工況如表1所示，機(jī)組測(cè)點(diǎn)分布及振動(dòng)參數(shù)限制運(yùn)行范圍如表2所示[5-6]。試驗(yàn)期間機(jī)組負(fù)荷以10 MW為一個(gè)工況點(diǎn)依次遞增，直至最大負(fù)荷。

表1 試驗(yàn)水頭劃分表

表2 機(jī)組振動(dòng)測(cè)點(diǎn)及振動(dòng)參數(shù)限制范圍

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.3.1毛水頭111.02 m工況

當(dāng)毛水頭為111.02 m，機(jī)組最大有功負(fù)荷為195 MW，最大開度為97.52%。

在0～60 MW負(fù)荷區(qū)域(導(dǎo)葉開度18.3%～37.9%)，尾水進(jìn)口水壓脈動(dòng)均超過100 kPa，全都超標(biāo)，主頻均為0.69 Hz。

在80～140 MW負(fù)荷區(qū)域(導(dǎo)葉開度41.5%～62.88%)，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)參數(shù)均有增大趨勢(shì)，以水導(dǎo)擺度值最具代表性，水導(dǎo)水平向擺度由125 μm增至354 μm，呈現(xiàn)成倍增加且有超標(biāo)現(xiàn)象，主頻為轉(zhuǎn)頻，次主頻為0.69 Hz。

在190～195 MW負(fù)荷區(qū)域(導(dǎo)葉開度90.5%～97.5%)，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)參數(shù)亦發(fā)生陡增趨勢(shì)，其中尾水進(jìn)口水壓脈動(dòng)值超標(biāo)，最大值為112.61 kPa，主頻為1.39 Hz。蝸殼進(jìn)口水壓脈動(dòng)最大值為116.58 kPa，主頻為1.39 Hz；水導(dǎo)水平向擺度值超標(biāo)，最大值為323 μm，主頻為轉(zhuǎn)頻。

除此以外，機(jī)組在該水頭其他負(fù)荷工況穩(wěn)定運(yùn)行見圖1。

圖1 毛水頭111.02 m工況下機(jī)組振動(dòng)隨負(fù)荷變化

2.3.2毛水頭127.89 m工況

當(dāng)毛水頭為127.89 m，機(jī)組最大有功負(fù)荷為250.0 MW，最大開度為97.9%。

在0～40 MW負(fù)荷區(qū)域(導(dǎo)葉開度12.4%～26.4%)，尾水進(jìn)口水壓脈動(dòng)值均超過100 kPa，全部超標(biāo)，主頻均為0.69 Hz。頂蓋水平振動(dòng)部分超標(biāo)，最大值為109 μm，主頻為0.69 Hz。

在110～160 MW 負(fù)荷區(qū)域(導(dǎo)葉開度44.3%～59.2%)，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)參數(shù)均有增大趨勢(shì)，以水導(dǎo)擺度值最具代表性，水導(dǎo)水平向擺度由130 μm增至339 μm，呈現(xiàn)成倍增加且有超標(biāo)現(xiàn)象，主頻為0.69 Hz，次主頻為轉(zhuǎn)頻。

在240～250 MW負(fù)荷區(qū)域(導(dǎo)葉開度89.5%～97.9%)，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)參數(shù)亦發(fā)生增大趨勢(shì)，其中水導(dǎo)水平向擺度值超標(biāo)，最大值為361 μm，主頻為轉(zhuǎn)頻。

除此以外，機(jī)組在該水頭其他負(fù)荷工況穩(wěn)定運(yùn)行見圖2。

圖2 毛水頭127.89 m工況下機(jī)組振動(dòng)隨負(fù)荷變化

2.3.3毛水頭142.11m工況

當(dāng)毛水頭為142.11 m，機(jī)組最大有功負(fù)荷為260 MW，最大開度為78.1%。

在0～90 MW負(fù)荷區(qū)域(導(dǎo)葉開度10.8%～35.8%)，尾水進(jìn)口水壓脈動(dòng)均超過100 kPa，全部超標(biāo)，最大值達(dá)到334.96 kPa，主頻為0.69 Hz。蝸殼進(jìn)口壓力脈動(dòng)值較大，最大值為53.22 kPa，主頻為1.39 Hz。

在110～180 MW負(fù)荷區(qū)域(導(dǎo)葉開度39.9%～55.6%)，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)參數(shù)均有增大趨勢(shì)，尾水進(jìn)口水壓脈動(dòng)值亦處于超過80 kPa的高水平。水導(dǎo)擺度值成倍增加且有超標(biāo)情況，水導(dǎo)水平向擺度由170 μm增至413 μm，主頻為轉(zhuǎn)頻，次主頻為1.39 Hz。

除此以外，機(jī)組在該水頭其他負(fù)荷工況穩(wěn)定運(yùn)行見圖3。

圖3 毛水頭142.11 m工況下機(jī)組振動(dòng)隨負(fù)荷變化

2.3.4毛水頭158.62 m工況

當(dāng)毛水頭為158.62 m，機(jī)組最大有功負(fù)荷為260 MW，最大開度為64.3%。

在0～140 MW負(fù)荷區(qū)域(導(dǎo)葉開度為9.9%～40.9%)，尾水進(jìn)口水壓脈動(dòng)均超過100 kPa，全部超標(biāo)，主頻均為0.69 Hz。頂蓋水平振動(dòng)大部分超標(biāo)，值最大為163 μm，主頻為0.69 Hz。

在150～170 MW負(fù)荷區(qū)域(導(dǎo)葉開度42.1%～46.4%)，尾水進(jìn)口水壓脈動(dòng)值處于超過80 kPa的高水平，測(cè)點(diǎn)振動(dòng)參數(shù)均有增大趨勢(shì)。

除此以外，機(jī)組在該水頭其他負(fù)荷工況穩(wěn)定運(yùn)行見圖4。

圖4 毛水頭127.89m工況下機(jī)組振動(dòng)隨負(fù)荷變化

2.4 機(jī)組振動(dòng)規(guī)律分析

(1) 不同水頭工況，在機(jī)組啟動(dòng)至某低負(fù)荷區(qū)間(0%～50%負(fù)荷區(qū)間)，尾水進(jìn)口水壓脈動(dòng)異常，普遍均超出規(guī)范允許范圍，同時(shí)機(jī)組存在強(qiáng)烈振動(dòng)，處于強(qiáng)烈不穩(wěn)定區(qū)；在與低負(fù)荷強(qiáng)烈不穩(wěn)定區(qū)臨近的中間某段負(fù)荷區(qū)間(50%～75%負(fù)荷區(qū)間)，尾水進(jìn)口水壓脈動(dòng)雖未超標(biāo)，但仍維持在高水平，普遍高于80 kPa。與此同時(shí)，其他各振動(dòng)參數(shù)均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，以水導(dǎo)擺度最具代表性，呈現(xiàn)倍增并超標(biāo)趨勢(shì)，機(jī)組出現(xiàn)不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；機(jī)組在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)(75%～95%負(fù)荷區(qū)間)，各項(xiàng)振動(dòng)指標(biāo)均正常且運(yùn)行平穩(wěn)，機(jī)組處于運(yùn)行穩(wěn)定區(qū)；機(jī)組運(yùn)行在趨近滿負(fù)荷運(yùn)行工況時(shí)(95%～100%負(fù)荷區(qū)間)，機(jī)組部分測(cè)點(diǎn)(如蝸殼進(jìn)口水壓脈動(dòng)、尾水進(jìn)口水壓脈動(dòng)、導(dǎo)軸承擺度等)呈現(xiàn)小幅度上升趨勢(shì)，除低水頭工況水導(dǎo)擺度超標(biāo)外，其他振動(dòng)指標(biāo)均正常，機(jī)組處于運(yùn)行穩(wěn)定區(qū)。

(2) 在小負(fù)荷工況，機(jī)組測(cè)點(diǎn)垂直振動(dòng)與尾水進(jìn)口水壓脈動(dòng)變化趨勢(shì)基本一致，主要影響頻率為0.69 Hz，約為1/4轉(zhuǎn)頻；在各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值陡增的中間某負(fù)荷區(qū)間，振動(dòng)參數(shù)的主要影響頻率為轉(zhuǎn)頻及0.69 Hz，亦與尾水進(jìn)口水壓脈動(dòng)主頻呈現(xiàn)相關(guān)性。根據(jù)前人研究，在部分負(fù)荷下，大部分混流式水輪機(jī)渦帶頻率總小于轉(zhuǎn)動(dòng)頻率，二者的實(shí)測(cè)比值在0.26～0.39，水頭、吸出高度、自由水面對(duì)頻率的影響可忽略[7]。據(jù)此推斷，尾水管渦帶為導(dǎo)致本電站機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定的主要因素。

混流式水輪機(jī)運(yùn)行在小負(fù)荷工況時(shí)，尾水管渦帶嚴(yán)重偏心，振動(dòng)劇烈且伴隨周期性旋進(jìn)，因此對(duì)機(jī)組會(huì)造成較大的振動(dòng)干擾；在中間負(fù)荷工況，渦帶區(qū)域同心，壓力脈動(dòng)減小；在高負(fù)荷區(qū)域運(yùn)行時(shí)，尾水管無渦帶，運(yùn)行平穩(wěn)；在約滿超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，尾水管渦帶在接近轉(zhuǎn)輪處收縮，可能對(duì)機(jī)組產(chǎn)生干擾[8]。本電站2號(hào)機(jī)組運(yùn)行規(guī)律與上述渦帶變化規(guī)律相似，也可證明尾水管渦帶是本電站機(jī)組不穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素。

(3) 機(jī)組振動(dòng)區(qū)存在于各個(gè)測(cè)試水頭，且振動(dòng)負(fù)荷區(qū)間隨測(cè)試水頭的升高向高負(fù)荷方向移動(dòng)。尾水進(jìn)口壓力脈動(dòng)隨水頭變化見圖5，水導(dǎo)擺度隨水頭變化見圖6。

圖5 尾水進(jìn)口壓力脈動(dòng)隨水頭變化

圖6 水導(dǎo)擺度隨水頭變化

3 機(jī)組安全運(yùn)行區(qū)劃分

3.1 劃分準(zhǔn)則

綜合以上振動(dòng)規(guī)律分析，總結(jié)出尾水管渦帶為影響電站機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素，且以尾水進(jìn)口水壓脈動(dòng)及水導(dǎo)擺度測(cè)點(diǎn)變化規(guī)律最具代表性。因此，2號(hào)機(jī)組安全運(yùn)行區(qū)劃分以尾水進(jìn)口水壓脈動(dòng)及水導(dǎo)擺度作為界定標(biāo)準(zhǔn)。

(1) 根據(jù)GB/T 15468-2020《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》中規(guī)定，原型水輪機(jī)尾水管進(jìn)口下游側(cè)壓力脈動(dòng)峰-峰值宜不大于10 m水柱[9]。因此，2號(hào)機(jī)組以10 m尾水進(jìn)口水壓脈動(dòng)等值線作為禁止運(yùn)行區(qū)的邊界。

(2) 機(jī)組在中間某段負(fù)荷區(qū)，水導(dǎo)擺度倍增且超標(biāo)。其他各振動(dòng)參數(shù)雖同樣出現(xiàn)增大趨勢(shì)，但均未超過規(guī)范允許值。因此，以水導(dǎo)擺度激增趨勢(shì)的起終點(diǎn)作為臨界運(yùn)行區(qū)的邊界。

3.2 機(jī)組安全運(yùn)行區(qū)劃分

綜合2號(hào)機(jī)組全水頭振動(dòng)規(guī)律分析，可將機(jī)組運(yùn)行區(qū)劃分為3類：禁止運(yùn)行區(qū)、臨界運(yùn)行區(qū)及穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。安全運(yùn)行區(qū)如圖7所示。

圖7 安全運(yùn)行區(qū)劃分

(1) 禁止運(yùn)行區(qū)

在小負(fù)荷工況(0%～50%負(fù)荷區(qū)間)，尾水進(jìn)口水壓脈動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)，頂蓋振動(dòng)在部分小負(fù)荷工況同樣出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，機(jī)組處于強(qiáng)烈振動(dòng)區(qū)，應(yīng)禁止運(yùn)行；在低水頭工況滿負(fù)荷及超負(fù)荷區(qū)域，尾水進(jìn)口水壓脈動(dòng)出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象，機(jī)組處于強(qiáng)烈振動(dòng)區(qū)，亦應(yīng)禁止運(yùn)行。

根據(jù)渦帶變化規(guī)律，小負(fù)荷工況亦為渦帶處于嚴(yán)重偏心階段，引起水壓脈動(dòng)及部分振動(dòng)值超標(biāo)，對(duì)機(jī)組損害最大；在低水頭滿負(fù)荷及超負(fù)荷工況，渦帶亦對(duì)機(jī)組造成影響，導(dǎo)致水壓脈動(dòng)值超標(biāo)。因此，將小負(fù)荷工況及低水頭滿超負(fù)荷工況界定為禁止運(yùn)行區(qū)較為合適。

(2) 臨界運(yùn)行區(qū)

在與小負(fù)荷臨近的中間某段負(fù)荷區(qū)(50%～75%負(fù)荷區(qū)間)，尾水進(jìn)口水壓脈動(dòng)仍處于高水平，機(jī)組各振動(dòng)參數(shù)均出現(xiàn)增大趨勢(shì)，但除水導(dǎo)擺度外的其他參數(shù)仍在規(guī)范允許值范圍。判定該區(qū)域?yàn)閺?qiáng)振區(qū)到穩(wěn)定區(qū)的臨界區(qū)域，機(jī)組仍處于不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，但此時(shí)渦帶對(duì)機(jī)組危害性減弱，可短時(shí)間運(yùn)行。

(3) 穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)(75%～100%負(fù)荷區(qū)間)

在高負(fù)荷區(qū)，機(jī)組各振動(dòng)參數(shù)均在規(guī)范允許范圍內(nèi)且無較大波動(dòng)，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，可長期穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 論

本文基于真機(jī)試驗(yàn)手段，對(duì)2號(hào)機(jī)組在不同運(yùn)行水頭下的振動(dòng)規(guī)律分析，進(jìn)而得到機(jī)組安全運(yùn)行區(qū)劃分界定標(biāo)準(zhǔn)，為混流式機(jī)組振動(dòng)區(qū)劃分提供參考，取得主要結(jié)論如下：

(1) 通過對(duì)2號(hào)機(jī)組的振動(dòng)規(guī)律分析，在小負(fù)荷運(yùn)行區(qū)，尾水水壓脈動(dòng)及頂蓋振動(dòng)超標(biāo)，機(jī)組出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)；在中間某負(fù)荷區(qū)，機(jī)組振動(dòng)參數(shù)呈現(xiàn)陡增趨勢(shì)，機(jī)組仍處于不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)；在高負(fù)荷區(qū)域，機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)；機(jī)組運(yùn)行趨近滿負(fù)荷工況時(shí)，機(jī)組振動(dòng)參數(shù)呈現(xiàn)小幅度上升趨勢(shì)，但未出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，機(jī)組處于運(yùn)行穩(wěn)定區(qū)。

(2) 通過對(duì)2號(hào)機(jī)組多個(gè)振動(dòng)異常工況進(jìn)行頻率相關(guān)性分析，均與尾水進(jìn)口水壓脈動(dòng)主頻呈現(xiàn)相關(guān)性，接近1/4轉(zhuǎn)頻。綜合2號(hào)機(jī)組振動(dòng)規(guī)律，得出2號(hào)機(jī)組不穩(wěn)定運(yùn)行是由尾水管渦帶引起。

(3) 2號(hào)機(jī)組振動(dòng)規(guī)律分析中，以尾水進(jìn)口水壓脈動(dòng)及水導(dǎo)擺度最具代表性，因此可作為機(jī)組安全運(yùn)行區(qū)界定原則，將機(jī)組運(yùn)行區(qū)劃分為3類：禁止運(yùn)行區(qū)、臨界運(yùn)行區(qū)及穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)。以10 m尾水進(jìn)口水壓脈動(dòng)等值線作為禁止運(yùn)行區(qū)的邊界；以水導(dǎo)擺度激增趨勢(shì)的起終點(diǎn)作為臨界運(yùn)行區(qū)的邊界。

本文以真機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)為依托，以機(jī)組不穩(wěn)定運(yùn)行的誘發(fā)因素為出發(fā)點(diǎn)，結(jié)合誘發(fā)因素的自身特性及機(jī)組振動(dòng)規(guī)律，從而得出機(jī)組安全運(yùn)行區(qū)的判定原則及界定標(biāo)準(zhǔn)，可為混流式機(jī)組安全運(yùn)行區(qū)劃分提供參考。