緊水灘水電廠5號(hào)機(jī)開(kāi)機(jī)過(guò)程異常振動(dòng)分析與處理

段文華，李德紅，項(xiàng)興華

（浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江麗水323000）

?

緊水灘水電廠5號(hào)機(jī)開(kāi)機(jī)過(guò)程異常振動(dòng)分析與處理

段文華，李德紅，項(xiàng)興華

（浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江麗水323000）

摘要：緊水灘水電廠5號(hào)機(jī)增容改造時(shí)更換了轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)等重要部件。改造后機(jī)組自動(dòng)開(kāi)機(jī)過(guò)程中出現(xiàn)異常振動(dòng)。通過(guò)對(duì)機(jī)組振動(dòng)、水壓、接力器行程與轉(zhuǎn)速等參數(shù)分析，判斷與調(diào)速器開(kāi)機(jī)控制策略有關(guān)。對(duì)調(diào)速器開(kāi)機(jī)控制策略進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整及試驗(yàn)后，機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程振動(dòng)與壓力最高值明顯減小，機(jī)組運(yùn)行正常。

關(guān)鍵詞：增容改造；開(kāi)機(jī)；振動(dòng)；試驗(yàn)

1　機(jī)組概況

緊水灘水電廠裝有6臺(tái)單機(jī)50 MW的混流式機(jī)組，電站總裝機(jī)300 MW。6臺(tái)機(jī)組分別于1987年～1988年投產(chǎn)發(fā)電，均為杭州發(fā)電設(shè)備廠生產(chǎn)。發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF-K50-30/6400，立軸懸式，采用雙路自循環(huán)徑向密閉通風(fēng)型式，不裝設(shè)風(fēng)扇，用轉(zhuǎn)子支架自轉(zhuǎn)打風(fēng)作用進(jìn)行空氣循環(huán)。設(shè)計(jì)出力為50 MW，額定轉(zhuǎn)速200 r/min。水輪機(jī)如圖1所示，型號(hào)為HL220-LJ-300，立軸混流式，金屬蝸殼，包角345°，轉(zhuǎn)輪直徑3 m，額定出力51.5 MW，設(shè)計(jì)水頭69m，最大水頭85 m，最小水頭60.5 m。機(jī)組主要承擔(dān)系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻任務(wù)。5號(hào)機(jī)增容改造為緊水灘電廠首臺(tái)機(jī)組改造，從原來(lái)的51.5 MW增容至56.7 MW，新水輪機(jī)型號(hào)為HLA835-LJ-305，改造主要更換部件為轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)葉。緊水灘水電廠5號(hào)機(jī)增容改造前后主要參數(shù)如表1。

圖1　緊水灘電廠5號(hào)水輪機(jī)剖面圖

表1　5號(hào)水輪機(jī)增容前后主要參數(shù)

2　開(kāi)機(jī)過(guò)程異?，F(xiàn)象分析

緊水灘水電廠5號(hào)機(jī)增容改造后第一次自動(dòng)開(kāi)機(jī)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)機(jī)組存在異常振動(dòng)。在機(jī)組從導(dǎo)葉全關(guān)自動(dòng)開(kāi)機(jī)到機(jī)組上升到額定轉(zhuǎn)速過(guò)程中，機(jī)組短時(shí)突然產(chǎn)生較大振動(dòng)，在發(fā)電機(jī)層機(jī)組旁能感覺(jué)到明顯振動(dòng)。

由于機(jī)組同時(shí)進(jìn)行性能試驗(yàn)，對(duì)機(jī)組相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)視記錄，因此開(kāi)機(jī)過(guò)程各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)也被記錄下來(lái)。機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程振動(dòng)、擺度、水壓、導(dǎo)葉開(kāi)度等各測(cè)點(diǎn)時(shí)域波形圖見(jiàn)圖2～圖4。從時(shí)域波形圖看出，機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程中，機(jī)組頂蓋、定子鐵芯和定子基座都存在突然增大的一個(gè)振動(dòng)波，時(shí)間節(jié)點(diǎn)相同。機(jī)組蝸殼進(jìn)口水壓值與壓力脈動(dòng)值有明顯的上升尖波，頂蓋下壓力值存在下降變化波，尾水管壓力值變化不明顯。機(jī)組導(dǎo)葉開(kāi)度時(shí)域圖中，這一現(xiàn)象發(fā)生在導(dǎo)葉最大空載開(kāi)度突然關(guān)回的時(shí)刻，對(duì)應(yīng)機(jī)組轉(zhuǎn)速達(dá)到90 %左右。

圖2　機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程頂蓋振動(dòng)、接力器行程與轉(zhuǎn)速時(shí)域波形圖

圖3　機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程尾水管、蝸殼、頂蓋下各壓力時(shí)域波形圖

圖4　機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程上機(jī)架、定子鐵芯和定子基座振動(dòng)時(shí)域波形圖

在隨后的機(jī)組試驗(yàn)中，多次發(fā)現(xiàn)機(jī)組自動(dòng)開(kāi)機(jī)過(guò)程都存在這一現(xiàn)象，時(shí)間點(diǎn)都在轉(zhuǎn)速上升到約90%時(shí)。手動(dòng)操作調(diào)速器開(kāi)啟導(dǎo)葉使機(jī)組轉(zhuǎn)速上升到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，沒(méi)有異常振動(dòng)現(xiàn)象。將開(kāi)機(jī)過(guò)程與空轉(zhuǎn)、帶負(fù)荷、甩負(fù)荷過(guò)程數(shù)據(jù)比較分析，發(fā)現(xiàn)開(kāi)機(jī)過(guò)程蝸殼壓力最高值與甩25 %負(fù)荷時(shí)測(cè)值相近，上機(jī)架振動(dòng)值與上導(dǎo)擺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于空轉(zhuǎn)與負(fù)荷運(yùn)行時(shí)數(shù)值，也大于機(jī)組甩100 %負(fù)荷時(shí)相應(yīng)值，見(jiàn)表2。

表2　開(kāi)機(jī)過(guò)程與空轉(zhuǎn)、帶負(fù)荷、甩負(fù)荷過(guò)程數(shù)據(jù)比較表

3　原因分析

開(kāi)機(jī)過(guò)程中各振動(dòng)與壓力值異常增大都發(fā)生在轉(zhuǎn)速上升到約90 %時(shí)，此時(shí)為調(diào)速器將導(dǎo)葉最大空載開(kāi)度突然關(guān)回的時(shí)刻。導(dǎo)葉突然關(guān)回，在蝸殼形成水錘，頂蓋下形成負(fù)水錘，由于導(dǎo)葉后壓力無(wú)測(cè)點(diǎn)，推測(cè)可能導(dǎo)葉后壓力變化更大，導(dǎo)致機(jī)組突然產(chǎn)生明顯振動(dòng)。機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程導(dǎo)葉最大空載開(kāi)度、開(kāi)啟規(guī)律、關(guān)回量與調(diào)速器開(kāi)機(jī)控制策略有關(guān)。

緊水灘電廠5號(hào)機(jī)組增容改造前后調(diào)速器開(kāi)機(jī)控制策略未作調(diào)整，調(diào)速器自動(dòng)開(kāi)機(jī)控制策略過(guò)程曲線如圖5所示。

圖5　調(diào)速器開(kāi)機(jī)過(guò)程曲線圖

圖5中：A點(diǎn)開(kāi)度Y1受最大和最小空載開(kāi)度設(shè)定值影響，該點(diǎn)的值是根據(jù)當(dāng)前水頭的空載開(kāi)度加上約12 %，B點(diǎn)開(kāi)度Y2為2倍的最大空載開(kāi)度。從開(kāi)機(jī)令下達(dá)到A點(diǎn)的斜率（增量）是固定值，內(nèi)部設(shè)置為每周期0.08 %開(kāi)度（周期為20 ms）。A-B段的斜率（增量）也是固定值，內(nèi)部設(shè)置為每周期0.015%開(kāi)度（周期約為20 ms）。到達(dá)B點(diǎn)后經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，當(dāng)機(jī)組頻率達(dá)到45～48 Hz時(shí)（即C點(diǎn)）調(diào)速器輸出自動(dòng)將導(dǎo)葉開(kāi)度壓至按水頭計(jì)算得出的空載開(kāi)度給定值Y3后進(jìn)入空載運(yùn)行工況，然后經(jīng)PID調(diào)節(jié)到達(dá)D點(diǎn)開(kāi)度Y4，整個(gè)開(kāi)機(jī)過(guò)程完成。

初步分析機(jī)組增容改造后，轉(zhuǎn)輪通流量增大，實(shí)際工況可能和調(diào)速器原設(shè)置的開(kāi)機(jī)過(guò)程控制策略不匹配，最大空載開(kāi)度、關(guān)回量偏大，引起水輪機(jī)產(chǎn)生較大水錘，使機(jī)組產(chǎn)生突然振動(dòng)。

4　調(diào)速器開(kāi)機(jī)控制策略調(diào)整試驗(yàn)

結(jié)合試驗(yàn)對(duì)調(diào)速器開(kāi)機(jī)過(guò)程曲線進(jìn)行了實(shí)測(cè)。A點(diǎn)時(shí)導(dǎo)葉開(kāi)度為26 %，B點(diǎn)時(shí)導(dǎo)葉開(kāi)度為42 %，Y3位置時(shí)導(dǎo)葉開(kāi)度為18%，D點(diǎn)時(shí)導(dǎo)葉開(kāi)度為22%。初步分析B點(diǎn)時(shí)導(dǎo)葉開(kāi)度為42%相對(duì)偏大，因此通過(guò)組合調(diào)整A、B、C、D點(diǎn)位置導(dǎo)葉開(kāi)度的方法進(jìn)行優(yōu)化。先后對(duì)調(diào)速器開(kāi)機(jī)過(guò)程曲線進(jìn)行了三次修改，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3。通過(guò)機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)修改前后采集機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)、壓力的時(shí)域波形圖比較分析，見(jiàn)圖6～圖9，由于機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與之前機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)源不同，數(shù)據(jù)大小與精度存在明顯差別，只能依據(jù)機(jī)組的狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)前后進(jìn)行比較。通過(guò)時(shí)域波形圖比較分析，調(diào)速器控制策略優(yōu)化后各部振動(dòng)與壓力最高值明顯比修改前減小。優(yōu)化后試驗(yàn)時(shí)機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程平穩(wěn)，人為感覺(jué)機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程中的突然振動(dòng)明顯減小，甚至好于其它機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程。

圖6　修改前開(kāi)機(jī)過(guò)程時(shí)域波形圖

圖7　第一次修改后開(kāi)機(jī)過(guò)程時(shí)域波形圖

圖8　第二次修改后開(kāi)機(jī)過(guò)程時(shí)域波形圖

圖9　最后修改后開(kāi)機(jī)過(guò)程時(shí)域波形圖

表3　開(kāi)機(jī)過(guò)程曲線修改參數(shù)、實(shí)際參數(shù)數(shù)據(jù)表

5　結(jié)束語(yǔ)

緊水灘水電廠5號(hào)機(jī)增容改造更換了轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)等重要部件，水輪機(jī)的特性與改造前發(fā)生很大變化，仍采用原調(diào)速器開(kāi)機(jī)控制策略，導(dǎo)致機(jī)組自動(dòng)開(kāi)機(jī)過(guò)程產(chǎn)生突然振動(dòng)。通過(guò)對(duì)調(diào)速器開(kāi)機(jī)控制策略試驗(yàn)調(diào)整，機(jī)組開(kāi)機(jī)過(guò)程振動(dòng)與壓力最高值明顯減小，消除了開(kāi)機(jī)過(guò)程異常情況，保證了開(kāi)機(jī)過(guò)渡過(guò)程平穩(wěn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]魏守平.水輪機(jī)控制工程[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社，2005.

[2]蔡維由.水輪機(jī)調(diào)速器[M].武漢:武漢水利電力大學(xué)出版社，2000.

作者簡(jiǎn)介：段文華（1978-），男，工程師，從事水電自動(dòng)化技術(shù)管理工作。

收稿日期：2015-10-31

DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.04.015

中圖分類號(hào)：TM312

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-5387（2016）04-0046-03