穩(wěn)定性試驗混流式水輪發(fā)電運行區(qū)域劃分研究

楊劍鋒

［云南電力試驗研究院（集團）有限公司，云南 昆明 650000］

1 理論背景

本文基于華能瀾滄江水電股份有限公司（簡稱瀾滄江公司），自2010 年開展大型水輪機組震動區(qū)劃分研究開始，依據(jù)2002 年制定的《在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價機器的機械振動 第5 部分：水力發(fā)電廠和泵站機組》（GB/T 6075.5—2002）相關(guān)檢測機組震動區(qū)劃分的文件原則；2008 年又結(jié)合（GB/T 11348.5）文件制定的機組穩(wěn)定性原則，進行相應的試驗工作，2016 年依據(jù)《水力發(fā)電廠和蓄能泵站機組機械振動的評定》（GB/T 32584—2016）文件規(guī)定的發(fā)電機組劃分振動區(qū)為檢測依據(jù)原則，先后召開了大型水輪機組穩(wěn)定性試驗運行劃分原則的討論會，參與會議的主要單位及成員中云南試研究院介紹了相關(guān)機組振動區(qū)劃分依據(jù)、原則的研究情況。通過觀察云南省大型水輪機組檢測試驗劃分的趨勢，有效觀察試驗振動位移讀數(shù)的區(qū)分原則，對比云南電力試驗研究院（集團）有限公司相關(guān)水輪機組振動的峰值，以300r/min 為參數(shù)，對比瑞麗江一級電廠參照水輪機組振動的轉(zhuǎn)速，以428.6r/min 為參數(shù)，設定穩(wěn)定性試驗劃分原則。

2 問題的提出

一般情況下，水輪發(fā)電機組運行區(qū)域的劃分一般是根據(jù)部分特征水頭（如最大水頭、工作水頭、最小水頭等）的穩(wěn)定性試驗和典型負荷條件進行的。由于試驗數(shù)據(jù)有限，劃分的運行區(qū)域域難以覆蓋所有作業(yè)水頭和負載工況，劃分結(jié)果比較粗糙。本文通過對小灣水電站滿負荷水輪發(fā)電機組進行全負荷范圍實機穩(wěn)定性試驗，獲得大量穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)，并利用穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)分析方法，判斷機組的穩(wěn)定性指標是否滿足標準規(guī)范和供貨合同的要求。根據(jù)穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果，結(jié)合電站實際運行情況，將機組劃分為滿負荷運行區(qū)。電站的實際運行證明，本文方法劃分的運行區(qū)域能夠滿足電網(wǎng)調(diào)度運行的要求，并取得了滿意的效果。

3 依據(jù)機組振動測量數(shù)值劃分運行區(qū)域

根據(jù)機組的振動、擺度、壓力脈動等測量數(shù)值，結(jié)合運轉(zhuǎn)綜合特性曲線來劃分。水輪發(fā)電機組在不同運行工況表現(xiàn)的振擺狀態(tài)有很大差別，主要振動激勵源也不一樣，根據(jù)《DLT 710—2018 水輪機運行規(guī)程》參照內(nèi)容，把運行區(qū)域劃分為①“禁止運行區(qū)（D 區(qū)，水輪機不應運行的工況區(qū)域）”；②“限制運行區(qū)（C 區(qū)，水輪機不宜長期運行的工況區(qū)域）”；③“穩(wěn)定運行區(qū)（A/B 區(qū)，水輪機可長期安全、穩(wěn)定運行的工況區(qū)域）”三類，甚至有“過渡運行區(qū)”“穩(wěn)態(tài)運行區(qū)”“暫態(tài)運行區(qū)”等。

3.1 軸承擺度

此時機組導葉開度較小，偏離最優(yōu)工況區(qū)較遠，在水輪機流道中發(fā)生漩渦、脫流與空化等各種水力不穩(wěn)定現(xiàn)象，也更為劇烈與復雜，該區(qū)域運行振動較大，大軸擺動、出力不穩(wěn)定、效率較低。已有真機試驗證明，機組小開度運行時，轉(zhuǎn)輪上的動應力是較大的。對于小開度時壓力脈動幅值超過或遠大于尾水管渦帶區(qū)的壓力脈動最大值的，應禁止運行，對于小開度區(qū)壓力脈動比尾水管渦帶區(qū)的壓力脈動最大值要小或者相當?shù)模辽僖矐O置為限制運行區(qū)。

3.2 機架和頂蓋振動的趨勢

首先，結(jié)合運轉(zhuǎn)綜合特性曲線確定大量的原型機組穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)表明，低頻渦帶壓力脈動主要影響主軸擺度通頻值，而對軸承、機架的振動影響不大，其中根據(jù)下機架與Y 向水平與垂直的振動趨勢。建議以不超過導軸承間隙為原則，在空載工況下，主軸相對振動（擺度）應不大于軸承冷態(tài)間隙的70%。因此對混流式水輪發(fā)電機組，可為渦帶工況區(qū)的振動設定一個稍微寬松一點的標準并不影響機組的安全運行。

其次，不同的區(qū)域的強渦帶工況區(qū)情況：機組在這一負荷區(qū)尾水管壓力脈動較大，致使機組的擺動較劇烈，不利于機組穩(wěn)定運行，甚至可能與管道中的水體形成共振引起廠房的劇烈振動，危害電廠的安全，機組應避免在該區(qū)域運行。此區(qū)域根據(jù)實測振動、擺度、壓力脈動的趨勢和限值來確定；低負荷區(qū)和強渦帶工況區(qū)一起劃入振動區(qū)。穩(wěn)定運行區(qū)：機組在穩(wěn)定運行區(qū)運行時各項指標性能均良好，建議機組多在該區(qū)域運行。

4 小灣水電站水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性試驗分析

（1）以小灣水電站分水頭穩(wěn)定性試驗為例：根據(jù)分水頭穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)測量穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)，及相關(guān)特征如表1 所示。

表1 穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)及相關(guān)特征

（2）結(jié)合曲線圖及功能圖分析，由于機組每次檢修后特性不一致，導致其擺度幅值有所不同，但是其振動區(qū)域是推進水頭而增加的，用以表現(xiàn)機組某一個擺度值在相同工況點下隨水頭變化走勢圖。選出#2 機7個試驗水頭下水導擺度數(shù)據(jù)，繪制出機組振動區(qū)域和水頭、有功功率圖等。

（3）小灣水電站下游水位變化較大，因此振動區(qū)不僅僅跟上游水位有關(guān)，振動區(qū)跟毛水頭的相關(guān)性更大，通過數(shù)據(jù)分析，小灣水電站機組上游水位在1239～1178m 區(qū)間運行時將小灣水電站穩(wěn)定性區(qū)域確定為表2 所示。

表2 機組運行水頭與振動區(qū)對應

（4）小灣水電站尾水水位最大變幅為5m，對機組振動特性有影響，建議機組振動區(qū)參考毛水頭確定；由于機組安裝工藝、運行狀態(tài)、檢修裝配質(zhì)量等因素的影響導致各臺機組振動區(qū)測量存在的一定差異，但總體上符合混流式機組的水力特性。經(jīng)過#2、#6 機組分水頭穩(wěn)定性數(shù)據(jù)分析確定，小灣機組的水力振動特性基本一致，振動區(qū)跟水頭有強相關(guān)性。

5 小灣水電站大型混流式水輪發(fā)電機組運行區(qū)域

低負荷區(qū)的劃分可以依據(jù)運轉(zhuǎn)綜合特性曲線。強渦帶工況區(qū)一般在中負荷區(qū)域，強渦帶工況區(qū)和穩(wěn)定運行區(qū)的邊界是振動區(qū)劃分的關(guān)鍵，區(qū)域邊界的確定的兩種方法：①主要根據(jù)趨勢來劃分，凡是出現(xiàn)渦帶頻率振動的工況區(qū)都是渦帶工況區(qū)，它等同于渦帶壓力脈動工況區(qū)。②根據(jù)限值來劃分，渦帶壓力脈動工況區(qū)中，機組振動、擺度超過規(guī)定值的工況區(qū)。

參考在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價機器的機械振動第5 部分：水力發(fā)電廠和泵站機組》（GB/T 6075.5—2002）旋轉(zhuǎn)機械轉(zhuǎn)軸徑向振動的測量和評定 第5 部分：水力發(fā)電廠和泵站機組》（GB/T 32584—2016）水力發(fā)廠和蓄能泵站機組機械振動的評定》標準，對于已經(jīng)建立了穩(wěn)態(tài)運行振動基準值的機組，應用準則Ⅱ進行振動評價，振幅相對于基準值變化25%以上認為變化是明顯的，因此把振幅相大于穩(wěn)定運行基準值25%以上的范圍劃為振動區(qū)。注：認為25%的變化是明顯的，該值提供一個指導，但是對于特殊機器，也可根據(jù)經(jīng)驗采用其他值。470MW 以下負荷振動超過125%基準值，綜合考慮振動、擺度、壓力脈動情況，把0～470MW 劃為振動區(qū)，470～700MW 為穩(wěn)定運行區(qū)，如圖1 所示。

圖1 470～700MW 為穩(wěn)定運行區(qū)

根據(jù)穩(wěn)定運行區(qū)域（A、B）區(qū)的限值來劃分區(qū)域的邊界。450MW 以下負荷振動超過標準規(guī)定值（A、B區(qū)），綜合考慮振動、擺度、壓力脈動情況，把0MW～450MW 劃為振動區(qū)，450MW～700MW 為穩(wěn)定運行區(qū)。

6 結(jié)語

機組運行區(qū)域劃分原則需要考慮水頭對機組振動區(qū)的影響，劃分的振動區(qū)一定是基于某運行水頭下的數(shù)據(jù)分析的原則。

（1）依據(jù)GB/T 710—2018 標準確定相關(guān)機組運行區(qū)域劃穩(wěn)定區(qū)運行區(qū)、限制運行區(qū)域、禁止運行區(qū)域。分析傳統(tǒng)振動與沖擊測量描述慣性式的傳感器特征的相關(guān)規(guī)定，引用相關(guān)的機械振動與沖擊標準，檢測安裝傳感器靈敏度元件（動電、壓電、電阻應變、可變電感、壓阻、可變電阻、可變電容元件、差動變壓器、電磁、光電、光學、磁致伸縮元件等）。

（2）所測試的參數(shù)類型（位移、速度、加速度）；有效提高檢測傳感器響應單軸向、多軸向、角運動的特征類型；控制傳感器和振動表面的螺紋、粘接、夾具、接觸等其他連接方式。有效保證水輪機相關(guān)輸出特性的測量范圍。

（3）包括一般性能、特殊性能（頻率，電阻抗、范圍，敏感度，溫度順變、幅頻響應，電磁場、地電流、放射性輻照、相移，相頻響應，靈敏度穩(wěn)定性、阻尼、橫向靈敏度、最大運動極限、非線性度、環(huán)境影響等）方面的標準化機械振動沖擊檢測范圍。

總之，確定大型水輪機組振動原則劃分的區(qū)別，不斷優(yōu)化機組運行測量的工況，有效保障機組試驗穩(wěn)定性的振動區(qū)劃分原則，從而有效保障標準規(guī)范化的管理體系。