混流式水電機組穩(wěn)定性分析及運行區(qū)劃分研究

曹 斌，姚 澤，李 璽

（1.廣東云舜綜合能源科技有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510540；2.南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司，廣東 廣州 510080）

0 引言

某水電站安裝了4臺單機容量為300 MW的混流式水輪發(fā)電機組，機組額定轉速136.4 r/min，額定水頭111.0 m，設計水頭126.65 m，最大水頭143.0 m，最小水頭83.0 m。為保證機組長期安全穩(wěn)定運行，同時根據(jù)國家電力監(jiān)管委員會《關于吸取俄羅斯薩揚水電站事故教訓進一步加強水電站安全監(jiān)督管理的意見》，對1號機組進行了4個典型水頭下真機穩(wěn)定性試驗。通過全面測試各典型水頭下機組在空載和不同負荷下的振動、擺度及水壓力脈動，分別從水力、機械、電氣因素分析導致機組振動的原因[1]。根據(jù)機組運行穩(wěn)定性情況將運行區(qū)劃分為小負荷振動區(qū)、渦帶工況區(qū)及大負荷穩(wěn)定運行區(qū)[2]，為機組的安全運行、檢修、技術改造及科學調(diào)度提供準確依據(jù)。

1 機組振動分析

由于水輪發(fā)電機組結構的特殊性，其振動原因比一般旋轉機械復雜，不但要考慮機組本身旋轉部分和固定部分的振動外，還需考慮流體動水壓力對電站引水系統(tǒng)、水輪機過流部件造成的影響以及發(fā)電機電磁力對機組振動的影響[3]。因此，引起水輪發(fā)電機組振動的原因包括機械、水力和電氣3大振源，通常幾種振源同時存在[4]。由機械和電磁力因素引起的振動通常可通過機組檢修及現(xiàn)場動平衡試驗來減輕甚至消除，而由于水力因素引起的振動原因錯綜復雜，要大幅減輕或消除非常困難[5]。本文所進行的水電機組穩(wěn)定性試驗及運行區(qū)劃分研究，是指若試驗過程中發(fā)現(xiàn)存在機械或電磁力因素而引起機組振動，必須通過檢修或現(xiàn)場動平衡試驗大幅減輕或消除其影響。通過上述處理措施后，在某些負荷范圍內(nèi)，由于水力因素的影響，機組振動、擺度及尾水管壓力脈動仍超標，通過劃分運行區(qū)而避開振動較大的區(qū)域運行。為了全面了解引起機組振動的原因，目前常采用變轉速試驗、變勵磁試驗和變負荷試驗等方法[6，7]，確定振動的振幅、頻率和相位等重要參數(shù)，進行綜合分析，分辨引起振動的主要原因，提出減小振動的處理方法及合理的運行策略。

2 機組運行穩(wěn)定性分析

為了真實反映機組振動區(qū)，必須對引起機組振動的原因進行全面分析，表1為其中3個毛水頭下機組上機架水平振動、下機架水平振動及頂蓋水平振動主頻幅值/主頻(μm/Hz)真機試驗數(shù)據(jù)。

2.1 振動原因分析

2.1.1 機械振動分析

機械原因引起水電機組振擺的機理及特征與一般旋轉機械沒有本質(zhì)上的區(qū)別，主要振動原因及特征如下[8]：

（1）因轉動部分質(zhì)量不平衡引起的振動，其主要特征為振動幅值隨機組轉速變化敏感，振動幅值與轉速的二次方成正比，且水平方向振動比較大；

（2）因機組軸線曲折、對中不準、緊固件松動、軸承缺陷等引起的振動，其主要特征表現(xiàn)為機組在空載低速運行時，機組有明顯的振動；

（3）因機組轉動部件與固定部件碰摩所引起的振動，其特征為振動強烈并伴有撞擊聲響。

由表1數(shù)據(jù)頻譜分析來看，上機架水平振動及上導擺度的轉頻分量非常大，同時還存在一定的2倍頻分量，表明機組存在一定的機械振動的影響。

2.1.2 電磁振動分析

（1）因發(fā)電機轉動部分受不平衡力引起的振動，其主要特征為振動隨勵磁電流增大而增大，且上機架振動較明顯；

（2）因定子鐵心組合縫松動或定子鐵心松動等引起的振動，其主要特征表現(xiàn)為振動隨轉速變化明顯，且機組帶負荷運行一定時間后，振幅又隨時間減小，同時其振動頻率一般為電流頻率的2倍。

由表1及機組其它振動信號可知，信號中并未發(fā)現(xiàn)發(fā)電機2倍工頻（100 Hz）及其諧波頻率的電磁振動，表明電磁力因素對機組振動影響非常小。

2.1.3 水力振動分析

水流流經(jīng)水輪機蝸殼、轉輪及尾水管等過流部件時，由于水力不平衡以及壓力脈動等原因而引起機組振動[9-11]。

（1）蝸殼中不均勻流場引起的小漩渦進入轉輪引起的振動，這種情況在低水頭電站較多，振頻為n為機組轉速，z為轉輪葉片數(shù)，一般屬中頻振動，和發(fā)電機上機架自振頻率相同時使機組產(chǎn)生共振；

（2）卡門渦列所誘發(fā)的振動，其振動特征為卡門渦流的頻率與葉片厚度和流速有關，僅在一定負荷下發(fā)生，振幅隨過機流量增加明顯增大；

（3）尾水管中水流的低頻壓力脈動所引起的機組振動，在水輪機組振擺故障中最常見且發(fā)生頻率最高的是尾水管渦帶。

由表1及機組其它振動信號可知，機組從空載到90 MW以下工況受水力不穩(wěn)定因素影響很大，從90 MW到230 MW機組振動信號中出現(xiàn)較大的渦帶頻率成分，機組受尾水管渦帶的影響很大。

2.2 運行穩(wěn)定性分析

圖1~圖3分別為機組各部位擺度、振動及水壓力脈動隨負荷變化趨勢圖，從圖中可以清楚地看出機組運行穩(wěn)定性變化趨勢，在不同水頭下，各部位振動、擺度隨負荷變化趨勢是一致的。從空載到（60 MW~90 MW）以下為小負荷不穩(wěn)定工況區(qū)，不同水頭負荷區(qū)間有所不同，高水頭取高限。隨著負荷增大機組進入渦帶工況區(qū)，其負荷范圍約為170 MW到240 MW以下，不同水頭負荷區(qū)間有所不同，高水頭取高限。隨著負荷進一步增加，機組進入高負荷穩(wěn)定運行區(qū)。根據(jù)4個毛水頭下穩(wěn)定性試驗分析數(shù)據(jù)，將機組劃分為三個運行區(qū)間，即低負荷不穩(wěn)定工況區(qū)、渦帶工況區(qū)及高負荷穩(wěn)定運行區(qū)。

圖1 在4個毛水頭下機組各部位擺度隨負荷變化趨勢圖

圖2 在4個毛水頭下機組各部位振動隨負荷變化趨勢圖

圖3 在4個毛水頭下機組各部位水壓力脈動隨負荷變化趨勢圖

2.2.1 低負荷不穩(wěn)定工況區(qū)分析

在小負荷不穩(wěn)定工況區(qū)內(nèi)運行時，由于嚴重偏離混流式水輪機最優(yōu)工況，導致存在水流進口沖角，因此機組受到水力不穩(wěn)定因素影響很大，表現(xiàn)為機組運行時噪音很大，各部位振動、擺度及水壓力脈動均較大。

2.2.2 渦帶工況區(qū)分析

在渦帶工況區(qū)內(nèi)，機組由于受到尾水管渦帶和水力不穩(wěn)定因素綜合影響，導致機組各部位振動、擺度及水壓力脈動均較大。從各部位振動信號及水壓脈動信號頻譜分析來看，均出現(xiàn)較大的渦帶頻率分量，并且渦帶頻率分量在頂蓋振動信號及尾水錐管水壓脈動信號中均表現(xiàn)為主頻。圖4為毛水頭133 m時，機組有功為170 MW時頂蓋水平振動頻譜圖，圖5為毛水頭133 m時，機組有功為160 MW時尾水錐管水壓脈動頻譜圖，從圖中可以清楚地看出各信號中的渦帶頻率分量。

圖4 毛水頭133 m下170 MW時頂蓋水平振動頻譜圖

圖5 毛水頭133 m下160 MW時尾水錐管壓脈動頻譜圖

2.2.3 高負荷穩(wěn)定運行工況區(qū)分析

由表1可知，機組進入高負荷穩(wěn)定運行工況區(qū)以后，振動信號中的渦帶頻率基本消失，各部位振動、擺度及水壓力脈動均非常小，各項指標均滿足國標要求，機組在此負荷區(qū)間內(nèi)可以長期安全穩(wěn)定運行。

3 結語

（1）通過對1號機組4個毛水頭下真機試驗表明，在小負荷工況區(qū)內(nèi)運行時，由于嚴重偏離混流式水輪機最優(yōu)工況，導致存在水流進口沖角，因此機組受到水力不穩(wěn)定因素影響很大，各部位振動、擺度及水壓力脈動均較大；在渦帶工況區(qū)內(nèi)，機組由于受到尾水管渦帶和水力不穩(wěn)定因素綜合影響，導致機組各部位振動、擺度及水壓力脈動均較大。

（2）試驗結果表明1號機組上導擺度及上機架水平振動均出現(xiàn)超標。從數(shù)據(jù)頻譜分析來看，上機架水平振動及上導擺度的轉頻分量非常大，同時還存在一定的2倍頻分量。因此必須加強對機組振動擺度的監(jiān)測，同時高度重視檢修質(zhì)量，對機組進行全面檢查，尤其需要重視機組軸線、中心、水平以及導軸瓦間隙的檢查和調(diào)整，必要時進行動平衡試驗，以對上機架水平振動及上導擺度有所改善。通過以上手段，徹底消除機組的振動故障隱患。

（3）綜合考慮水輪機高效率運行區(qū)等因素，可將機組劃分為三個工況區(qū)（小負荷不穩(wěn)定工況區(qū)、渦帶工況區(qū)及高負荷穩(wěn)定運行區(qū)），并得出機組全水頭試驗穩(wěn)定運行區(qū)域特性曲線如圖6所示，在機組運行時應根據(jù)不同的水頭來調(diào)整機組出力，優(yōu)化機組運行方式，使機組運行于高效率區(qū)，并盡可能地避開振動區(qū)。

圖6 1號機組運行區(qū)域劃分