混流式水電機(jī)組穩(wěn)定性分析及運(yùn)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(tái)單機(jī)容量為300 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組額定轉(zhuǎn)速136.4 r/min，額定水頭111.0 m，設(shè)計(jì)水頭126.65 m，最大水頭143.0 m，最小水頭83.0 m。為保證機(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)根據(jù)國(guó)家電力監(jiān)管委員會(huì)《關(guān)于吸取俄羅斯薩揚(yáng)水電站事故教訓(xùn)進(jìn)一步加強(qiáng)水電站安全監(jiān)督管理的意見(jiàn)》，對(duì)1號(hào)機(jī)組進(jìn)行了4個(gè)典型水頭下真機(jī)穩(wěn)定性試驗(yàn)。通過(guò)全面測(cè)試各典型水頭下機(jī)組在空載和不同負(fù)荷下的振動(dòng)、擺度及水壓力脈動(dòng)，分別從水力、機(jī)械、電氣因素分析導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)的原因[1]。根據(jù)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性情況將運(yùn)行區(qū)劃分為小負(fù)荷振動(dòng)區(qū)、渦帶工況區(qū)及大負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)[2]，為機(jī)組的安全運(yùn)行、檢修、技術(shù)改造及科學(xué)調(diào)度提供準(zhǔn)確依據(jù)。

1 機(jī)組振動(dòng)分析

由于水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)的特殊性，其振動(dòng)原因比一般旋轉(zhuǎn)機(jī)械復(fù)雜，不但要考慮機(jī)組本身旋轉(zhuǎn)部分和固定部分的振動(dòng)外，還需考慮流體動(dòng)水壓力對(duì)電站引水系統(tǒng)、水輪機(jī)過(guò)流部件造成的影響以及發(fā)電機(jī)電磁力對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響[3]。因此，引起水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的原因包括機(jī)械、水力和電氣3大振源，通常幾種振源同時(shí)存在[4]。由機(jī)械和電磁力因素引起的振動(dòng)通?？赏ㄟ^(guò)機(jī)組檢修及現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡試驗(yàn)來(lái)減輕甚至消除，而由于水力因素引起的振動(dòng)原因錯(cuò)綜復(fù)雜，要大幅減輕或消除非常困難[5]。本文所進(jìn)行的水電機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)及運(yùn)行區(qū)劃分研究，是指若試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)存在機(jī)械或電磁力因素而引起機(jī)組振動(dòng)，必須通過(guò)檢修或現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡試驗(yàn)大幅減輕或消除其影響。通過(guò)上述處理措施后，在某些負(fù)荷范圍內(nèi)，由于水力因素的影響，機(jī)組振動(dòng)、擺度及尾水管壓力脈動(dòng)仍超標(biāo)，通過(guò)劃分運(yùn)行區(qū)而避開(kāi)振動(dòng)較大的區(qū)域運(yùn)行。為了全面了解引起機(jī)組振動(dòng)的原因，目前常采用變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、變勵(lì)磁試驗(yàn)和變負(fù)荷試驗(yàn)等方法[6，7]，確定振動(dòng)的振幅、頻率和相位等重要參數(shù)，進(jìn)行綜合分析，分辨引起振動(dòng)的主要原因，提出減小振動(dòng)的處理方法及合理的運(yùn)行策略。

2 機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性分析

為了真實(shí)反映機(jī)組振動(dòng)區(qū)，必須對(duì)引起機(jī)組振動(dòng)的原因進(jìn)行全面分析，表1為其中3個(gè)毛水頭下機(jī)組上機(jī)架水平振動(dòng)、下機(jī)架水平振動(dòng)及頂蓋水平振動(dòng)主頻幅值/主頻(μm/Hz)真機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.1 振動(dòng)原因分析

2.1.1 機(jī)械振動(dòng)分析

機(jī)械原因引起水電機(jī)組振擺的機(jī)理及特征與一般旋轉(zhuǎn)機(jī)械沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別，主要振動(dòng)原因及特征如下[8]：

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

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

（3）因機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件與固定部件碰摩所引起的振動(dòng)，其特征為振動(dòng)強(qiáng)烈并伴有撞擊聲響。

由表1數(shù)據(jù)頻譜分析來(lái)看，上機(jī)架水平振動(dòng)及上導(dǎo)擺度的轉(zhuǎn)頻分量非常大，同時(shí)還存在一定的2倍頻分量，表明機(jī)組存在一定的機(jī)械振動(dòng)的影響。

2.1.2 電磁振動(dòng)分析

（1）因發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分受不平衡力引起的振動(dòng)，其主要特征為振動(dòng)隨勵(lì)磁電流增大而增大，且上機(jī)架振動(dòng)較明顯；

（2）因定子鐵心組合縫松動(dòng)或定子鐵心松動(dòng)等引起的振動(dòng)，其主要特征表現(xiàn)為振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速變化明顯，且機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行一定時(shí)間后，振幅又隨時(shí)間減小，同時(shí)其振動(dòng)頻率一般為電流頻率的2倍。

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

2.1.3 水力振動(dòng)分析

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

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

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

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

由表1及機(jī)組其它振動(dòng)信號(hào)可知，機(jī)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(jī)組振動(dòng)信號(hào)中出現(xiàn)較大的渦帶頻率成分，機(jī)組受尾水管渦帶的影響很大。

2.2 運(yùn)行穩(wěn)定性分析

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

圖1 在4個(gè)毛水頭下機(jī)組各部位擺度隨負(fù)荷變化趨勢(shì)圖

圖2 在4個(gè)毛水頭下機(jī)組各部位振動(dòng)隨負(fù)荷變化趨勢(shì)圖

圖3 在4個(gè)毛水頭下機(jī)組各部位水壓力脈動(dòng)隨負(fù)荷變化趨勢(shì)圖

2.2.1 低負(fù)荷不穩(wěn)定工況區(qū)分析

在小負(fù)荷不穩(wěn)定工況區(qū)內(nèi)運(yùn)行時(shí)，由于嚴(yán)重偏離混流式水輪機(jī)最優(yōu)工況，導(dǎo)致存在水流進(jìn)口沖角，因此機(jī)組受到水力不穩(wěn)定因素影響很大，表現(xiàn)為機(jī)組運(yùn)行時(shí)噪音很大，各部位振動(dòng)、擺度及水壓力脈動(dòng)均較大。

2.2.2 渦帶工況區(qū)分析

在渦帶工況區(qū)內(nèi)，機(jī)組由于受到尾水管渦帶和水力不穩(wěn)定因素綜合影響，導(dǎo)致機(jī)組各部位振動(dòng)、擺度及水壓力脈動(dòng)均較大。從各部位振動(dòng)信號(hào)及水壓脈動(dòng)信號(hào)頻譜分析來(lái)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(dòng)信號(hào)及尾水錐管水壓脈動(dòng)信號(hào)中均表現(xiàn)為主頻。圖4為毛水頭133 m時(shí)，機(jī)組有功為170 MW時(shí)頂蓋水平振動(dòng)頻譜圖，圖5為毛水頭133 m時(shí)，機(jī)組有功為160 MW時(shí)尾水錐管水壓脈動(dòng)頻譜圖，從圖中可以清楚地看出各信號(hào)中的渦帶頻率分量。

圖4 毛水頭133 m下170 MW時(shí)頂蓋水平振動(dòng)頻譜圖

圖5 毛水頭133 m下160 MW時(shí)尾水錐管壓脈動(dòng)頻譜圖

2.2.3 高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行工況區(qū)分析

由表1可知，機(jī)組進(jìn)入高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行工況區(qū)以后，振動(dòng)信號(hào)中的渦帶頻率基本消失，各部位振動(dòng)、擺度及水壓力脈動(dòng)均非常小，各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)要求，機(jī)組在此負(fù)荷區(qū)間內(nèi)可以長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)對(duì)1號(hào)機(jī)組4個(gè)毛水頭下真機(jī)試驗(yàn)表明，在小負(fù)荷工況區(qū)內(nèi)運(yùn)行時(shí)，由于嚴(yán)重偏離混流式水輪機(jī)最優(yōu)工況，導(dǎo)致存在水流進(jìn)口沖角，因此機(jī)組受到水力不穩(wěn)定因素影響很大，各部位振動(dòng)、擺度及水壓力脈動(dòng)均較大；在渦帶工況區(qū)內(nèi)，機(jī)組由于受到尾水管渦帶和水力不穩(wěn)定因素綜合影響，導(dǎo)致機(jī)組各部位振動(dòng)、擺度及水壓力脈動(dòng)均較大。

（2）試驗(yàn)結(jié)果表明1號(hào)機(jī)組上導(dǎo)擺度及上機(jī)架水平振動(dòng)均出現(xiàn)超標(biāo)。從數(shù)據(jù)頻譜分析來(lái)看，上機(jī)架水平振動(dòng)及上導(dǎo)擺度的轉(zhuǎn)頻分量非常大，同時(shí)還存在一定的2倍頻分量。因此必須加強(qiáng)對(duì)機(jī)組振動(dòng)擺度的監(jiān)測(cè)，同時(shí)高度重視檢修質(zhì)量，對(duì)機(jī)組進(jìn)行全面檢查，尤其需要重視機(jī)組軸線、中心、水平以及導(dǎo)軸瓦間隙的檢查和調(diào)整，必要時(shí)進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，以對(duì)上機(jī)架水平振動(dòng)及上導(dǎo)擺度有所改善。通過(guò)以上手段，徹底消除機(jī)組的振動(dòng)故障隱患。

（3）綜合考慮水輪機(jī)高效率運(yùn)行區(qū)等因素，可將機(jī)組劃分為三個(gè)工況區(qū)（小負(fù)荷不穩(wěn)定工況區(qū)、渦帶工況區(qū)及高負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)），并得出機(jī)組全水頭試驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域特性曲線如圖6所示，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)應(yīng)根據(jù)不同的水頭來(lái)調(diào)整機(jī)組出力，優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行方式，使機(jī)組運(yùn)行于高效率區(qū)，并盡可能地避開(kāi)振動(dòng)區(qū)。

圖6 1號(hào)機(jī)組運(yùn)行區(qū)域劃分