協(xié)聯(lián)優(yōu)化對(duì)軸流轉(zhuǎn)漿式水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的影響

王輝斌，鄒桂麗，莫 劍，熊 智，陳貞石，張亞林，李 明

（1．湖南省電力公司科學(xué)研究院，湖南 長沙 410007；2．湖南省東江水電廠，湖南 郴州 423403）

與混流式水輪機(jī)組相比，轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，安裝要求較高。在實(shí)際運(yùn)行過程出現(xiàn)了各種問題，嚴(yán)重時(shí)甚至影響到機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。如黃河大峽水電站第2臺(tái)機(jī)組自投運(yùn)起即存在上導(dǎo)擺度大、振動(dòng)嚴(yán)重等缺陷[1]，福建水口水電站2號(hào)機(jī)組上機(jī)架振動(dòng)、軸擺度嚴(yán)重超標(biāo)問題[2]，葛洲壩二江水電機(jī)組水導(dǎo)擺度嚴(yán)重超標(biāo)、40%～55%額定負(fù)荷區(qū)存在強(qiáng)振等問題[3]，Inverawe電站25 MW機(jī)組高負(fù)荷區(qū)存在振動(dòng)過大[4]。可見有必要對(duì)此類水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究，總結(jié)出優(yōu)化運(yùn)行穩(wěn)定性狀態(tài)的一般性策略。本文以小東江水電站為例進(jìn)行研究分析。

小東江水電站位于湖南省資興市境內(nèi)耒水河上，裝設(shè)4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，1、2號(hào)機(jī)組單機(jī)容量7 MW，為定槳式水輪發(fā)電機(jī)組；3、4號(hào)機(jī)組單機(jī)容量20．5 MW，為轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組。工程于1984年開始施工，1990年10月投產(chǎn)發(fā)電。電站最大水頭17．3 m，最小水頭9 m，加權(quán)平均水頭14．6 m。

1 小東江水電站機(jī)組振動(dòng)情況及初步分析

小東江水電站3號(hào)機(jī)組自投運(yùn)起即存在振動(dòng)異常，擺度經(jīng)常性異常增大，部分工況下存在嚴(yán)重振動(dòng)。根據(jù)湖南省電力公司科學(xué)研究院2006年14 m水頭的測試結(jié)果顯示：①機(jī)組在低負(fù)荷 （3～4 MW左右）運(yùn)行時(shí)存在強(qiáng)烈振區(qū)，上機(jī)架振動(dòng)最大達(dá)到了200 μm左右；②大軸擺度超標(biāo)，最大達(dá)到400 μm左右，調(diào)整軸瓦間隙后有逐步增大趨勢；③非振動(dòng)區(qū)運(yùn)行的振動(dòng)幅值偏大：上機(jī)架水平振動(dòng)大部分工況超過了120 μm，水導(dǎo)軸承水平振動(dòng)最大達(dá)80 μm。各部位振動(dòng)趨勢如圖1所示。

圖1 14 m水頭振動(dòng)擺度趨勢示意

為確保安全穩(wěn)定運(yùn)行，電廠每年對(duì)機(jī)組進(jìn)行多次檢修。雖經(jīng)檢修將機(jī)組軸線調(diào)整合格、導(dǎo)瓦間隙調(diào)整至要求值，但機(jī)組振動(dòng)擺度依然異常偏大，可見軸線及軸瓦間隙并非是引起該機(jī)組異常振動(dòng)的根本性原因。另根據(jù)該機(jī)組變勵(lì)磁試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，各部位振動(dòng)擺度幅值與勵(lì)磁電壓幅值的關(guān)系不明顯，因此基本排除電氣因素的振動(dòng)。經(jīng)分析，不能排除該機(jī)組協(xié)聯(lián)曲線不佳導(dǎo)致機(jī)組異常運(yùn)行。嚴(yán)重的機(jī)組振動(dòng)影響該機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，增加檢修工作量，影響發(fā)電效益，為此電廠自2006年以來聯(lián)合試驗(yàn)單位對(duì)該機(jī)組的異常振動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)方案

（1)原協(xié)聯(lián)關(guān)系測試。試驗(yàn)時(shí)，機(jī)組并網(wǎng)至空載開度，調(diào)速器切現(xiàn)地控制，在空載至最大負(fù)荷開度調(diào)節(jié)若干個(gè)導(dǎo)葉開度，每個(gè)工況點(diǎn)穩(wěn)定3～5 min。

（2)協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化試驗(yàn)。根據(jù)調(diào)速器內(nèi)置協(xié)聯(lián)曲線需在5個(gè)水頭下進(jìn)行試驗(yàn)，但考慮到水頭調(diào)整的方便性，實(shí)際進(jìn)行了12、14、15 m水頭的協(xié)聯(lián)優(yōu)化試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，導(dǎo)葉開度分別穩(wěn)定在空載開度至最大負(fù)荷開度調(diào)節(jié)若干個(gè)開度，每個(gè)導(dǎo)葉開度工況點(diǎn)手動(dòng)調(diào)節(jié)槳葉開度，在原協(xié)聯(lián)點(diǎn)附近單向調(diào)節(jié)5～6個(gè)槳葉開度，每個(gè)工況穩(wěn)定若干時(shí)間。

（3)協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化后測試。優(yōu)化后測試的目的是為了通過對(duì)比測試，評(píng)估協(xié)聯(lián)優(yōu)化的效果。如效果不理想，可對(duì)協(xié)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行適當(dāng)修正。并重復(fù)該項(xiàng)試驗(yàn)，直至達(dá)到預(yù)期效果為止。試驗(yàn)時(shí)，先將水頭調(diào)整至與原協(xié)聯(lián)關(guān)系試驗(yàn)時(shí)相同的水頭，在接近導(dǎo)葉開度工況下進(jìn)行測試。

（4)動(dòng)平衡處理。調(diào)速器協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化后，為進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行狀況，視機(jī)組的振動(dòng)擺度情況，可適當(dāng)進(jìn)行動(dòng)平衡處理。

3 處理過程

3.1 協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化后曲線，規(guī)律跟原協(xié)聯(lián)曲線的規(guī)律基本一致：同一導(dǎo)葉開度下進(jìn)行比較，12、13、14 m水頭的優(yōu)化槳葉開度比原槳葉開度分別降低了約20%、15%、12%。協(xié)聯(lián)曲線對(duì)比見圖2所示：

圖2 協(xié)聯(lián)曲線優(yōu)化前后對(duì)比

3.1.1 協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化對(duì)水輪機(jī)性能指標(biāo)的影響分析各試驗(yàn)水頭下，在相同導(dǎo)葉開度工況下進(jìn)行對(duì)比，協(xié)聯(lián)優(yōu)化后，水輪機(jī)的指數(shù)效率均明顯得到了提高 （平均提高約5%），各工況均有改善 （見圖3所示）。

圖3 14 m水頭協(xié)聯(lián)優(yōu)化前后水輪機(jī)指數(shù)效率對(duì)比

協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化后在14 m水頭下 （額定水頭），機(jī)組最大出力達(dá)到20．8 MW，能滿足機(jī)組設(shè)計(jì)要求。

3.1.2 協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性的影響分析

協(xié)聯(lián)曲線的優(yōu)化對(duì)機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性有一定的改善，對(duì)70%導(dǎo)葉開度以下機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性有明顯改善，其中50%導(dǎo)葉開度附近的水導(dǎo)擺度改善最為明顯 （降低約200 μm左右），高負(fù)荷區(qū)上機(jī)架水平振動(dòng)降低約30 μm。

協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化試驗(yàn)明顯提高了水輪機(jī)的效率；改善了機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性，特別是明顯改善了低負(fù)荷區(qū)機(jī)組的運(yùn)行狀況，對(duì)高負(fù)荷區(qū)的上機(jī)架水平振動(dòng)也有所改善。

3.2 動(dòng)平衡優(yōu)化研究

為進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行狀況，決定對(duì)小東江3號(hào)機(jī)組進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)。該機(jī)組轉(zhuǎn)子質(zhì)量為146 t，配重半徑為3．3 m，轉(zhuǎn)速為107 r/min，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在轉(zhuǎn)子上試加配重40kg，第一次試加在6號(hào)支臂（勵(lì)磁出線段對(duì)應(yīng)的支臂為1號(hào)支臂，順時(shí)針編號(hào)，共8個(gè)支臂）上，第二次試加在8號(hào)支臂上，經(jīng)兩次試重，最終在5號(hào)支臂上加35 kg，4號(hào)支臂上加10 kg。配重效果見表1所示。

表1 動(dòng)平衡試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)配重，上導(dǎo)擺度和上機(jī)架水平振動(dòng)幅值降低約50%以上，水導(dǎo)擺度在空載工況幅值有所改善。

4 優(yōu)化分析

4.1 優(yōu)化前后對(duì)比

在完成以上試驗(yàn)后，為驗(yàn)證最終優(yōu)化效果，進(jìn)行了13、14 m水頭穩(wěn)定性對(duì)比測試，其中14 m水頭優(yōu)化效果更為明顯，對(duì)比結(jié)果見圖4。

4.2 優(yōu)化結(jié)果

（1）振動(dòng)區(qū)內(nèi)機(jī)組最大振動(dòng)擺度幅值降低一半以上，解決了機(jī)組低負(fù)荷區(qū)內(nèi)的強(qiáng)振：上機(jī)架振動(dòng)從最大244 μm降低到最大97 μm，上導(dǎo)擺度最大值從289 μm降低到113 μm，水導(dǎo)軸承水平振動(dòng)從最大 83 μm 降低至 23 μm。

（2）非振動(dòng)區(qū)內(nèi) （40%以上導(dǎo)葉開度）運(yùn)行，機(jī)組狀態(tài)良好：上導(dǎo)擺度最大88 μm，上機(jī)架水平最大振動(dòng)為56 μm。

4.3 試驗(yàn)結(jié)論及建議

（1）根據(jù)無水測試結(jié)果，該機(jī)組的協(xié)聯(lián)關(guān)系在60%以上導(dǎo)葉開度槳葉的誤差較大，建議對(duì)調(diào)速器特性進(jìn)行全面檢查測試，消除協(xié)聯(lián)誤差。

（2）處理后機(jī)組在非振動(dòng)區(qū)運(yùn)行時(shí)水導(dǎo)擺度仍有約300 μm左右，盡快安排檢修機(jī)會(huì)，對(duì)機(jī)組的軸線、各導(dǎo)瓦間隙進(jìn)行檢查調(diào)整。

（3）盡可能避開機(jī)組振動(dòng)區(qū) （35%以下導(dǎo)葉開度）運(yùn)行。

5 結(jié)語

小東江水電站3號(hào)機(jī)組通過協(xié)聯(lián)優(yōu)化、動(dòng)平衡處理、檢修等手段，成功消除了機(jī)組振動(dòng)異常狀況，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性狀態(tài)得到了極大改善：①消除了低負(fù)荷區(qū)內(nèi)的強(qiáng)振，降低了振動(dòng)擺度幅值；②水輪機(jī)效率得到了明顯提高，且能滿足機(jī)組額定出力要求。

圖4 14 m水頭協(xié)聯(lián)優(yōu)化前后擺度對(duì)比

由此可見，采取協(xié)聯(lián)關(guān)系的優(yōu)化和動(dòng)平衡處理等多種手段，是改善轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的重要措施。同時(shí)也證實(shí)了協(xié)聯(lián)的進(jìn)一步優(yōu)化將對(duì)優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)具有不可忽視的作用，轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)的協(xié)聯(lián)曲線需經(jīng)現(xiàn)場試驗(yàn)驗(yàn)證確定。

該項(xiàng)目的成功經(jīng)驗(yàn)不僅適用于軸流轉(zhuǎn)槳式水輪機(jī)組，對(duì)貫流式水輪機(jī)組同樣也有重要的參考價(jià)值。

［1］ 李建衛(wèi)，等.軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組振動(dòng)問題處理［J］.水電站機(jī)電技術(shù)， 2002（1）:48-49.

［2］ 水口機(jī)組轉(zhuǎn)槳式機(jī)組幾起振動(dòng)消除的方法［J］.大電機(jī)消息，2000（12）：13-15.

［3］ 劉梅清.大型軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組導(dǎo)軸承間隙增大的演變及原因分析，水電站機(jī)電技術(shù)，1990（4）:4-7.

［4］ R．M．萊塞，等.解決25 MW軸流轉(zhuǎn)槳式機(jī)組的振動(dòng)問題，國際水力發(fā)電， 2003（4）:20-24.

［5］ 馬振岳，等.水電站機(jī)組及廠房振動(dòng)的研究與治理［M］.北京：中國水利水電出版社，2004.