基于振動特性分析的水輪發電機組安全運行區劃分

蒲楠楠

(中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司,杭州 311122)

0 前 言

水電站具有機組起、停機簡單，負荷調整迅速等特點，在中國電網中大多擔任調峰調頻等任務，導致機組實際運行負荷范圍廣、機組長時間在不穩定工況運行的情況時有發生，嚴重者會導致機組疲勞破壞，影響水電站安全運行和發電效益。因此，對機組安全運行區規劃，在水電站日常調度運行中尤為重要。到目前為止，關于機組安全運行區劃分，已有諸多研究。清華大學王正偉[1]等通過在線監測數據，結合流場計算結果，對小浪底混流式機組及水口電站軸流轉槳式機組進行振動區劃分。武漢大學婁強[2]等提出一種基于機組在線監測數據的機組運行區精細化分方法，并在某混流式機組振動區劃分工作中得到驗證。國網新源有限公司技術中心樊玉林等[3]基于短時傅里葉變換分析手段，對水輪機渦帶工況進行識別。西安理工大學于躍[4]以數值模擬手段，對水輪機流動分析、轉輪動力特性分析以及機組軸系動力特定分析，得出小浪底水電站水輪發電機組振動區劃分。

根據已有關于水輪機振動區劃分研究成果，已提出了較多振動區分析方法，大多著重于特征數據提取方法的研究，尚未形成完善的振動區劃分理論及劃分標準。本文以某水電站為例，以機組振動規律作為機組運行失穩的主要表現，通過現場真機試驗手段，獲取水輪發電機組軸系振動擺度、關鍵部位(如蝸殼及尾水管等)水壓力脈動等振動指標，通過分析頻譜特性及振動變化規律，提出機組安全運行區的判定方法，獲得特征水頭及典型負荷下機組安全運行區，為提高機組的優化運行能力奠定基礎，也為其他水電站機組安全運行區劃分提供參考。

1 機組全水頭振動規律分析

1.1 工程概況

某電站安裝4臺單機容量為260 MW的混流式水輪發電機組，機組額定水頭為130 m，額定轉速為166.7 r/min。根據該電站上下游實際運行水位，機組運行毛水頭在110～160 m。

1.2 試驗工況

本文以該電站2號機組為例，從110 m毛水頭開始，每隔20 m為一個試驗水頭，直至最大毛水頭160 m為止，試驗水頭工況如表1所示，機組測點分布及振動參數限制運行范圍如表2所示[5-6]。試驗期間機組負荷以10 MW為一個工況點依次遞增，直至最大負荷。

表1 試驗水頭劃分表

表2 機組振動測點及振動參數限制范圍

2.3 試驗數據分析

2.3.1毛水頭111.02 m工況

當毛水頭為111.02 m，機組最大有功負荷為195 MW，最大開度為97.52%。

在0～60 MW負荷區域(導葉開度18.3%～37.9%)，尾水進口水壓脈動均超過100 kPa，全都超標，主頻均為0.69 Hz。

在80～140 MW負荷區域(導葉開度41.5%～62.88%)，各測點振動參數均有增大趨勢，以水導擺度值最具代表性，水導水平向擺度由125 μm增至354 μm，呈現成倍增加且有超標現象，主頻為轉頻，次主頻為0.69 Hz。

在190～195 MW負荷區域(導葉開度90.5%～97.5%)，各測點振動參數亦發生陡增趨勢，其中尾水進口水壓脈動值超標，最大值為112.61 kPa，主頻為1.39 Hz。蝸殼進口水壓脈動最大值為116.58 kPa，主頻為1.39 Hz；水導水平向擺度值超標，最大值為323 μm，主頻為轉頻。

除此以外，機組在該水頭其他負荷工況穩定運行見圖1。

圖1 毛水頭111.02 m工況下機組振動隨負荷變化

2.3.2毛水頭127.89 m工況

當毛水頭為127.89 m，機組最大有功負荷為250.0 MW，最大開度為97.9%。

在0～40 MW負荷區域(導葉開度12.4%～26.4%)，尾水進口水壓脈動值均超過100 kPa，全部超標，主頻均為0.69 Hz。頂蓋水平振動部分超標，最大值為109 μm，主頻為0.69 Hz。

在110～160 MW 負荷區域(導葉開度44.3%～59.2%)，各測點振動參數均有增大趨勢，以水導擺度值最具代表性，水導水平向擺度由130 μm增至339 μm，呈現成倍增加且有超標現象，主頻為0.69 Hz，次主頻為轉頻。

在240～250 MW負荷區域(導葉開度89.5%～97.9%)，各測點振動參數亦發生增大趨勢，其中水導水平向擺度值超標，最大值為361 μm，主頻為轉頻。

除此以外，機組在該水頭其他負荷工況穩定運行見圖2。

圖2 毛水頭127.89 m工況下機組振動隨負荷變化

2.3.3毛水頭142.11m工況

當毛水頭為142.11 m，機組最大有功負荷為260 MW，最大開度為78.1%。

在0～90 MW負荷區域(導葉開度10.8%～35.8%)，尾水進口水壓脈動均超過100 kPa，全部超標，最大值達到334.96 kPa，主頻為0.69 Hz。蝸殼進口壓力脈動值較大，最大值為53.22 kPa，主頻為1.39 Hz。

在110～180 MW負荷區域(導葉開度39.9%～55.6%)，各測點振動參數均有增大趨勢，尾水進口水壓脈動值亦處于超過80 kPa的高水平。水導擺度值成倍增加且有超標情況，水導水平向擺度由170 μm增至413 μm，主頻為轉頻，次主頻為1.39 Hz。

除此以外，機組在該水頭其他負荷工況穩定運行見圖3。

圖3 毛水頭142.11 m工況下機組振動隨負荷變化

2.3.4毛水頭158.62 m工況

當毛水頭為158.62 m，機組最大有功負荷為260 MW，最大開度為64.3%。

在0～140 MW負荷區域(導葉開度為9.9%～40.9%)，尾水進口水壓脈動均超過100 kPa，全部超標，主頻均為0.69 Hz。頂蓋水平振動大部分超標，值最大為163 μm，主頻為0.69 Hz。

在150～170 MW負荷區域(導葉開度42.1%～46.4%)，尾水進口水壓脈動值處于超過80 kPa的高水平，測點振動參數均有增大趨勢。

除此以外，機組在該水頭其他負荷工況穩定運行見圖4。

圖4 毛水頭127.89m工況下機組振動隨負荷變化

2.4 機組振動規律分析

(1) 不同水頭工況，在機組啟動至某低負荷區間(0%～50%負荷區間)，尾水進口水壓脈動異常，普遍均超出規范允許范圍，同時機組存在強烈振動，處于強烈不穩定區；在與低負荷強烈不穩定區臨近的中間某段負荷區間(50%～75%負荷區間)，尾水進口水壓脈動雖未超標，但仍維持在高水平，普遍高于80 kPa。與此同時，其他各振動參數均呈現增大趨勢，以水導擺度最具代表性，呈現倍增并超標趨勢，機組出現不穩定運行狀態；機組在高負荷運行時(75%～95%負荷區間)，各項振動指標均正常且運行平穩，機組處于運行穩定區；機組運行在趨近滿負荷運行工況時(95%～100%負荷區間)，機組部分測點(如蝸殼進口水壓脈動、尾水進口水壓脈動、導軸承擺度等)呈現小幅度上升趨勢，除低水頭工況水導擺度超標外，其他振動指標均正常，機組處于運行穩定區。

(2) 在小負荷工況，機組測點垂直振動與尾水進口水壓脈動變化趨勢基本一致，主要影響頻率為0.69 Hz，約為1/4轉頻；在各測點振動值陡增的中間某負荷區間，振動參數的主要影響頻率為轉頻及0.69 Hz，亦與尾水進口水壓脈動主頻呈現相關性。根據前人研究，在部分負荷下，大部分混流式水輪機渦帶頻率總小于轉動頻率，二者的實測比值在0.26～0.39，水頭、吸出高度、自由水面對頻率的影響可忽略[7]。據此推斷，尾水管渦帶為導致本電站機組運行不穩定的主要因素。

混流式水輪機運行在小負荷工況時，尾水管渦帶嚴重偏心，振動劇烈且伴隨周期性旋進，因此對機組會造成較大的振動干擾；在中間負荷工況，渦帶區域同心，壓力脈動減小；在高負荷區域運行時，尾水管無渦帶，運行平穩；在約滿超負荷運行時，尾水管渦帶在接近轉輪處收縮，可能對機組產生干擾[8]。本電站2號機組運行規律與上述渦帶變化規律相似，也可證明尾水管渦帶是本電站機組不穩定運行的主要因素。

(3) 機組振動區存在于各個測試水頭，且振動負荷區間隨測試水頭的升高向高負荷方向移動。尾水進口壓力脈動隨水頭變化見圖5，水導擺度隨水頭變化見圖6。

圖5 尾水進口壓力脈動隨水頭變化

圖6 水導擺度隨水頭變化

3 機組安全運行區劃分

3.1 劃分準則

綜合以上振動規律分析，總結出尾水管渦帶為影響電站機組安全穩定運行的主要因素，且以尾水進口水壓脈動及水導擺度測點變化規律最具代表性。因此，2號機組安全運行區劃分以尾水進口水壓脈動及水導擺度作為界定標準。

(1) 根據GB/T 15468-2020《水輪機基本技術條件》中規定，原型水輪機尾水管進口下游側壓力脈動峰-峰值宜不大于10 m水柱[9]。因此，2號機組以10 m尾水進口水壓脈動等值線作為禁止運行區的邊界。

(2) 機組在中間某段負荷區，水導擺度倍增且超標。其他各振動參數雖同樣出現增大趨勢，但均未超過規范允許值。因此，以水導擺度激增趨勢的起終點作為臨界運行區的邊界。

3.2 機組安全運行區劃分

綜合2號機組全水頭振動規律分析，可將機組運行區劃分為3類：禁止運行區、臨界運行區及穩定運行區。安全運行區如圖7所示。

圖7 安全運行區劃分

(1) 禁止運行區

在小負荷工況(0%～50%負荷區間)，尾水進口水壓脈動嚴重超標，頂蓋振動在部分小負荷工況同樣出現超標現象，機組處于強烈振動區，應禁止運行；在低水頭工況滿負荷及超負荷區域，尾水進口水壓脈動出現超標現象，機組處于強烈振動區，亦應禁止運行。

根據渦帶變化規律，小負荷工況亦為渦帶處于嚴重偏心階段，引起水壓脈動及部分振動值超標，對機組損害最大；在低水頭滿負荷及超負荷工況，渦帶亦對機組造成影響，導致水壓脈動值超標。因此，將小負荷工況及低水頭滿超負荷工況界定為禁止運行區較為合適。

(2) 臨界運行區

在與小負荷臨近的中間某段負荷區(50%～75%負荷區間)，尾水進口水壓脈動仍處于高水平，機組各振動參數均出現增大趨勢，但除水導擺度外的其他參數仍在規范允許值范圍。判定該區域為強振區到穩定區的臨界區域，機組仍處于不穩定運行狀態，但此時渦帶對機組危害性減弱，可短時間運行。

(3) 穩定運行區(75%～100%負荷區間)

在高負荷區，機組各振動參數均在規范允許范圍內且無較大波動，機組運行平穩，可長期穩定運行。

4 結 論

本文基于真機試驗手段，對2號機組在不同運行水頭下的振動規律分析，進而得到機組安全運行區劃分界定標準，為混流式機組振動區劃分提供參考，取得主要結論如下：

(1) 通過對2號機組的振動規律分析，在小負荷運行區，尾水水壓脈動及頂蓋振動超標，機組出現強烈振動；在中間某負荷區，機組振動參數呈現陡增趨勢，機組仍處于不穩定運行區；在高負荷區域，機組運行平穩；機組運行趨近滿負荷工況時，機組振動參數呈現小幅度上升趨勢，但未出現強烈振動，機組處于運行穩定區。

(2) 通過對2號機組多個振動異常工況進行頻率相關性分析，均與尾水進口水壓脈動主頻呈現相關性，接近1/4轉頻。綜合2號機組振動規律，得出2號機組不穩定運行是由尾水管渦帶引起。

(3) 2號機組振動規律分析中，以尾水進口水壓脈動及水導擺度最具代表性，因此可作為機組安全運行區界定原則，將機組運行區劃分為3類：禁止運行區、臨界運行區及穩定運行區。以10 m尾水進口水壓脈動等值線作為禁止運行區的邊界；以水導擺度激增趨勢的起終點作為臨界運行區的邊界。

本文以真機測試數據為依托，以機組不穩定運行的誘發因素為出發點，結合誘發因素的自身特性及機組振動規律，從而得出機組安全運行區的判定原則及界定標準，可為混流式機組安全運行區劃分提供參考。