水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀分析

陳忠潤 涂祖蕾

【摘要】水電是清潔可再生能源，具有運(yùn)行費(fèi)用低、電能質(zhì)量穩(wěn)定、機(jī)組啟停靈活、調(diào)峰調(diào)頻能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。水輪發(fā)電機(jī)組是水電廠的關(guān)鍵設(shè)備，其運(yùn)行穩(wěn)定性狀況不僅關(guān)系到電廠的經(jīng)濟(jì)效益，同時也影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性是機(jī)組整體機(jī)械、水力和電氣性能的集中體現(xiàn)，對機(jī)組的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要性不言而喻。

【關(guān)鍵詞】水電廠水力機(jī)組電網(wǎng)穩(wěn)定性振動

引言

水能資源的開發(fā)利用對于我國節(jié)能減排、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、實現(xiàn)2020年非化石能源占一次能源消費(fèi)比重達(dá)到15%的目標(biāo)有著重要的意義。“十二五”期間，我國水電建設(shè)經(jīng)歷了大發(fā)展，金沙江、瀾滄江、大渡河、雅礱江等流域開發(fā)加快，一個個大型甚至巨型水電廠相繼投入生產(chǎn)運(yùn)行。水輪發(fā)電機(jī)組的容量和尺寸越來越大、結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，實際遇到的問題也越來越新穎，同時對機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的要求也越來越高[1]。

1研究的背景和意義

國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)程對于表征水力機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的主要參數(shù)都給出了明確具體的要求和運(yùn)行允許范圍，各水電廠通常依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，對機(jī)組各部位的振動擺度等進(jìn)行評估，判斷是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，同時分析機(jī)組是否存在異常和潛在缺陷。機(jī)組穩(wěn)定性參數(shù)的大小和變化規(guī)律反映了機(jī)組的健康狀況水平，是確定機(jī)組檢修周期、檢修級別和檢修項目的重要依據(jù)。此外，對于大中型水電廠使用最為普遍的混流式水輪發(fā)電機(jī)組來說，幾乎必然的存在著禁止或限制運(yùn)行的振動區(qū)域，而判斷機(jī)組振動區(qū)域范圍和邊界的主要依據(jù)就是機(jī)組振動、擺度、壓力脈動等穩(wěn)定性特征參數(shù)。機(jī)組的振動區(qū)域是機(jī)組負(fù)荷分配的重要約束條件之一，避開振動區(qū)域運(yùn)行是水電機(jī)組運(yùn)行的基本要求。因此，各發(fā)電企業(yè)對于機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性狀況非常重視。機(jī)組穩(wěn)定性問題既是設(shè)計和制造廠家的重要課題，也是運(yùn)行維護(hù)單位極為關(guān)注的問題，研究機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性有重要的現(xiàn)實意義。

2國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀

機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性問題十分復(fù)雜，涉及到水力、機(jī)械、電磁等多方面因素，是典型的多物理場耦合問題，難以建立起準(zhǔn)確完整的數(shù)學(xué)模型。國外對水力發(fā)電機(jī)組振動問題研究起步較早，自二十世紀(jì)六、七十年代開始，日本和美國的工程技術(shù)人員就掀起了對機(jī)組穩(wěn)定性問題研究的熱潮，已研發(fā)出一批比較成熟的機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)并投入實際應(yīng)用。如日本日立公司研制的“水力發(fā)電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)”，日本東京電力公司和東芝公司共同研究開發(fā)的“抽水蓄能發(fā)電機(jī)組自動監(jiān)視系統(tǒng)”，美國本特利內(nèi)華達(dá)公司的HydroVU系統(tǒng)，加拿大VibrosystM公司的AGMS系統(tǒng)和ZO0M2000系統(tǒng)，德國申克公司的vibrocontrol4000系統(tǒng)以及瑞士VIBRO - METER公司的VM600系統(tǒng)和德國Simens公司的SCARD系統(tǒng)等。

國內(nèi)外相關(guān)科研工作者和工程技術(shù)人員對于機(jī)組穩(wěn)定性問題進(jìn)行了深入的研究，相關(guān)文獻(xiàn)資料相當(dāng)豐富。從已公開發(fā)表的技術(shù)論文來看，研究過程充分利用了理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗及真機(jī)試驗等多種手段，從各個角度和方面進(jìn)行了卓有成效的探索。

機(jī)械方面，文獻(xiàn)[2]建立了葛洲壩電廠水輪發(fā)電機(jī)主軸有限元模型，研究了水力機(jī)組主軸在多種激勵載荷組合下的動力特性變化規(guī)律，得到了主軸的自振頻率和動力響應(yīng)規(guī)律。文獻(xiàn)[3]以萬家寨電廠水輪機(jī)組為例，應(yīng)用轉(zhuǎn)子動力學(xué)計算軟件對機(jī)組軸系的臨界轉(zhuǎn)速進(jìn)行分析計算，并且預(yù)估了機(jī)組在不同工況水力激振力作用下的上導(dǎo)、水導(dǎo)、轉(zhuǎn)子中心和轉(zhuǎn)輪中心的擺度響應(yīng)情況。文獻(xiàn)[4]應(yīng)用有限元數(shù)值模擬軟件ANSYS建立了三峽電站水輪機(jī)組的上機(jī)架和轉(zhuǎn)輪頂蓋的有限元分析模型，對上機(jī)架與頂蓋進(jìn)行靜力分析檢驗其剛度與強(qiáng)度，同時對上機(jī)架與頂蓋進(jìn)行模態(tài)分析得到其自振頻率與振型。工程實踐案例中，大朝山電站[5]對運(yùn)行過程中轉(zhuǎn)輪葉片裂紋比較突出的5號機(jī)組從設(shè)計選型、鑄造和焊接缺陷、卡門渦列、尾水管壓力脈動及機(jī)組運(yùn)行工況等方面進(jìn)行了綜合分析，找到了裂紋產(chǎn)生的原因，通過對轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)行了修復(fù)處理，并優(yōu)化了機(jī)組的運(yùn)行策略，改善機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定狀況，取得了明顯效果。

水力方面，水流流過導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片時產(chǎn)生的卡門渦列可能誘發(fā)機(jī)組嚴(yán)重振動和噪聲。文獻(xiàn)[6]對大朝山電站1號機(jī)組轉(zhuǎn)輪裂紋原因進(jìn)行了分析，找到了卡門渦列頻率與轉(zhuǎn)輪葉片固有頻率共振是轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生裂紋及金屬異常聲音的根本原因，通過轉(zhuǎn)輪葉片修型，改變出水邊厚度提高卡門渦列的頻率，解決了共振的問題?；炝魇剿啓C(jī)尾水管壓力脈動是造成機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定的重要原因，文獻(xiàn)[7]研究了模型水輪機(jī)壓力脈動的時域和頻域特征以及原型與模型間的相似關(guān)系，利用動力時程分析法計算了水工結(jié)構(gòu)在水力激勵下的振動反應(yīng)，并分析探討了壓力脈動的分布特性。尾水管壓力脈動過大會引發(fā)機(jī)組的振擺擴(kuò)大，通常采用補(bǔ)氣的方式進(jìn)行治理。烏江渡水電廠通過增加大軸中心補(bǔ)氣和修復(fù)短管補(bǔ)氣，較好的消除尾水管壓力異常脈動，確保了機(jī)組的安全運(yùn)行。Paik等采用非定常湍流統(tǒng)計模型對水輪機(jī)尾水管進(jìn)行旋渦流動的數(shù)值模擬。廣西電力工業(yè)勘測設(shè)計研究院利用CFD數(shù)值模擬技術(shù)對一混流式水輪機(jī)尾水管流態(tài)和壓力脈動進(jìn)行了仿真，且仿真結(jié)果與真機(jī)實測結(jié)果比較相接近，認(rèn)為數(shù)值模擬方法可以預(yù)測尾水管壓力脈動頻率和幅值，可成為在模型設(shè)計階段研究真機(jī)水力穩(wěn)定性問題的重要手段。

電磁方面，關(guān)于發(fā)電機(jī)不平衡磁拉力及其動力學(xué)特性，國內(nèi)有許多學(xué)者對此進(jìn)行了研究，并取得一些重要的成果。哈爾濱大電機(jī)研究所曲風(fēng)波等[7]提出了可供發(fā)電機(jī)設(shè)計和振動分析使用的磁拉力近似計算公式，該公式使用簡便，與有限元計算結(jié)果基本相吻合，得到了較廣泛的應(yīng)用。文獻(xiàn)建立了考慮電機(jī)磁極對數(shù)分布的不平衡磁拉力及水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪線性密封力的水輪發(fā)電機(jī)組軸系動力學(xué)模型，推導(dǎo)出了運(yùn)動微分方程，并研究了勵磁電流及質(zhì)量偏心對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)輪橫向振動的影響。文獻(xiàn)提出了一種工程中實用的不平衡磁拉力分析計算方法，即利用發(fā)電機(jī)空載試驗得到其空載特性曲線，通過磁路計算及多項式擬合來獲取氣隙磁密、氣隙厚度及勵磁電流的關(guān)系方程，得到不平衡磁拉力。

而在水輪發(fā)電機(jī)組試驗研究方面，黃河干流上的萬家寨水電站，經(jīng)過多年來對機(jī)組運(yùn)行情況的觀察，以及通過對機(jī)組在不同負(fù)荷下的耗水率和機(jī)組穩(wěn)定特性進(jìn)行試驗研究總結(jié)，確定了機(jī)組在不同工況下的運(yùn)行振動區(qū)域，并用于指導(dǎo)機(jī)組的安全運(yùn)行。文獻(xiàn)對石泉水電廠2號機(jī)組穩(wěn)定性展開了試驗研究，從水力、機(jī)械和電氣等多方面分析機(jī)組不穩(wěn)定運(yùn)行的原因，并提出了相應(yīng)的處理措施。文獻(xiàn)針對萬安水電站3號機(jī)組大負(fù)荷工況下出現(xiàn)的振動情況，在不同水頭下對機(jī)組進(jìn)行了穩(wěn)定性試驗，在現(xiàn)場試驗基礎(chǔ)上，分析了機(jī)組在不同水頭、不同負(fù)荷下尾水管錐管處的水壓脈動狀況及機(jī)組各機(jī)架振動和大軸擺度情況，認(rèn)為機(jī)組存在水力不平衡并導(dǎo)致機(jī)組的擺度隨負(fù)荷的增加而增大。三峽電站對右岸21號機(jī)組在啟動試運(yùn)行階段進(jìn)行了試驗研究，掌握了該機(jī)組在小負(fù)荷區(qū)、渦帶工況區(qū)、大負(fù)荷區(qū)和高負(fù)荷區(qū)的水壓脈動及機(jī)組穩(wěn)定性特點(diǎn)，同時發(fā)現(xiàn)在試驗水頭下630MW～ 685MW高負(fù)荷區(qū)，水導(dǎo)擺度和頂蓋振動明顯增加，且主要振動頻率為轉(zhuǎn)頻的高負(fù)荷區(qū)異常振動現(xiàn)象。

3結(jié)論

水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性問題的核心是振動問題，機(jī)組在設(shè)計、制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行、檢修等全過程任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都有可能導(dǎo)致機(jī)組異常振動的發(fā)生。機(jī)組的振動可能引起機(jī)組金屬部件的破壞變形，縮短機(jī)組檢修周期和設(shè)備使用壽命，嚴(yán)重時會導(dǎo)致廠房基礎(chǔ)的共振，危害水工建筑物的安全。2009年8月7日發(fā)生的震驚世界的俄羅斯薩揚(yáng)·舒申斯克水電站特大事故，就與機(jī)組頂蓋振動有直接關(guān)系。該電站2號機(jī)組在水力不穩(wěn)定性區(qū)域運(yùn)行時，機(jī)組強(qiáng)烈的振動引起水輪機(jī)頂蓋螺栓疲勞破壞，最終頂蓋被高壓水流沖開，導(dǎo)致水淹廠房、事故擴(kuò)大、出現(xiàn)災(zāi)難性后果。參考文獻(xiàn)：

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基金項目：云南能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院科學(xué)研究基金項目（2018YJS019）