劉志輝

(三峽水力發(fā)電廠,湖北 宜昌 443133)

三峽左右岸電站共裝有26臺700 MW的水輪發(fā)電機(jī)組,分為左岸VGS(1F~3F、7F~9F)、左岸ALSTOM(4F~6F、10F~14F)、右岸東電 (15F~18F)、右岸ALSTOM(19F~22F)和右岸哈電(23F~26F)共5種機(jī)型.為掌握三峽電站機(jī)組在不同水頭下的特性和運行規(guī)律、確定機(jī)組安全穩(wěn)定運行范圍,自2003年首臺機(jī)組投產(chǎn)以來,三峽電廠利用機(jī)組啟動試運行、156 m蓄水過程、172 m試驗性蓄水和175 m試驗性蓄水過程,進(jìn)行了大量的試驗和研究.蓄水期間,分別在左右岸5種機(jī)型中各選1臺試驗機(jī)組進(jìn)行了全水頭的穩(wěn)定性試驗和能量特性試驗.通過試驗,初步掌握了機(jī)組的運行規(guī)律,編制了機(jī)組穩(wěn)定運行區(qū)域,實現(xiàn)了機(jī)組的穩(wěn)定運行.通過試驗數(shù)據(jù)與機(jī)組模型試驗數(shù)據(jù)的對比分析,為今后水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù).

1 穩(wěn)定性試驗介紹

1.1 試驗標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)程

試驗及數(shù)據(jù)處理根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行[1-3].

1.2 穩(wěn)定性試驗內(nèi)容和試驗方法

機(jī)組運行穩(wěn)定性試驗內(nèi)容包含階梯變負(fù)荷試驗、連續(xù)變負(fù)荷試驗、過速和甩負(fù)荷試驗等.

(1)階梯變負(fù)荷試驗.每一試驗水頭下做一次變負(fù)荷試驗,機(jī)組從0 MW(空載)按照預(yù)定負(fù)荷間隔增加負(fù)荷至最大試驗負(fù)荷;或由最大試驗負(fù)荷按照預(yù)定負(fù)荷間隔減少至0.0~350 MW負(fù)荷區(qū)間,間隔為50 MW;350~500 MW,間隔為20 MW;500 MW以上,間隔為10 MW.每個負(fù)荷工況機(jī)組穩(wěn)定運行60 s開始采集數(shù)據(jù).對每一試驗工況,測試儀同步采集時間不少于60 s.

(2)連續(xù)變負(fù)荷試驗.每一試驗水頭做一次連續(xù)變負(fù)荷試驗,機(jī)組負(fù)荷從0連續(xù)增加至最大試驗負(fù)荷,或從最大試驗負(fù)荷連續(xù)減少負(fù)荷至0.在連續(xù)升負(fù)荷 (或連續(xù)降負(fù)荷)過程中,每一工況停留60 s,形成負(fù)荷上升 (或下降)臺階.

(3)過速和甩負(fù)荷試驗.在上游水位172.5 m做過速和甩負(fù)荷試驗,分別甩25%、108%額定負(fù)荷.

1.3 測量項目及測點布置

(1)水壓脈動6個測點,蝸殼水壓脈動 (蝸殼進(jìn)人門旁)、無葉區(qū)水壓脈動、頂蓋水壓脈動 (+X方向)、尾水管上游側(cè)水壓脈動 (尾水門旁開孔)、尾水管下游側(cè)水壓脈動 (尾水門旁開孔)及蝸殼壓差.

(2)擺度共6個測點,分別為:上導(dǎo)擺度+X和+Y、下導(dǎo)擺度+X和+Y、水導(dǎo)擺度+X和+Y.

(3)機(jī)組振動,28個測點 (5臺機(jī)組振動測點略有不同).上機(jī)架水平振動+X、+Y,上機(jī)架垂直振動+X、+Y;下機(jī)架水平振動+X、+Y,下機(jī)架垂直振動+X、+Y,下機(jī)架水平振動 (渦流傳感器)+X、+Y,下機(jī)架撓度 (渦流傳感器)+X、+Y;定子機(jī)座水平振動+X、+Y,定子機(jī)座垂直振動+X、+Y;頂蓋水平振動 (低頻振動傳感器)+X、+Y,頂蓋垂直振動 (低頻振動傳感器)+X、+Y;頂蓋水平振動外側(cè) (渦流傳感器)+X、+Y、頂蓋垂直振動外側(cè)(渦流傳感器)+X、+Y,頂蓋撓度 (渦流傳感器)+X、+Y;蝸殼門振動;尾水門振動.

(4)接力器行程共1個測點.

(5)有功功率1個測點,單元控制室監(jiān)控系統(tǒng).(6)風(fēng)速共1個測點,大軸補(bǔ)氣管中心.

(7)噪聲共2個測點,水車室 (或蝸殼門)和尾水門處各一個.

(8)廠房振動共11個測點,發(fā)電機(jī)層樓板上游側(cè)+X方向;發(fā)電機(jī)層樓板上游側(cè)-X方向;發(fā)電機(jī)層樓板下游側(cè)+X方向;發(fā)電機(jī)層樓板下游側(cè)-X方向;上游墻高程75.3 m;下游墻高程75.3 m;下游墻高程67.0 m;下游墻高程57.0 m;風(fēng)罩墻高程71.0 m下游側(cè);風(fēng)罩墻高程71.0 m+X方向;機(jī)墩.

(9)鍵相共1個測點.

2 5種機(jī)型穩(wěn)定性能對比分析

2.1 5種機(jī)型壓力脈動對比

5種機(jī)型上游水位145.5 m和172.5 m下的壓力脈動對比見圖1、2.

圖1 尾水上游壓力脈動相對幅值

圖2 無葉區(qū)壓力脈動相對幅值

由圖1、2可見5種機(jī)型的壓力脈動隨負(fù)荷變化趨勢基本一致,壓力脈動幅值在小負(fù)荷區(qū)和渦帶區(qū)相對較大,大負(fù)荷區(qū)相對較小.總體上看,5種機(jī)型壓力脈動水平基本相當(dāng),在70%~100%出力范圍,未發(fā)現(xiàn)水力共振、卡門渦共振和異常壓力脈動,哈電26F略優(yōu)于其他機(jī)型;在高水頭運行范圍,ALSTOM 21F略優(yōu)于其他機(jī)型.綜上所述,在70%~100%出力范圍,右岸電站機(jī)組總體上略優(yōu)于左岸機(jī)組.

2.2 5種機(jī)型振動和擺度對比

5種機(jī)型上游水位145.5、172.5 m下的振動擺度對比見圖3~6,由圖可見,5種機(jī)型的振動和擺度隨負(fù)荷變化趨勢基本一致,在70%~100%出力范圍內(nèi),未發(fā)現(xiàn)異常振動現(xiàn)象,主軸擺度和機(jī)組振動基本滿足合同保證值或有關(guān)國標(biāo)允許值的要求.其中,主軸擺度:右岸東電 (16F)機(jī)組稍大,其余機(jī)型基本相當(dāng);機(jī)架振動:左岸VGS(8F)機(jī)組稍大于其他機(jī)型,其低水頭時的垂直振動尤為明顯;頂蓋振動:右岸ALSTOM(21F)機(jī)組明顯大于其他機(jī)型.

圖3 水導(dǎo)擺度

2.3 5種機(jī)型穩(wěn)定運行區(qū)對比

根據(jù)運行標(biāo)準(zhǔn)的允許值和蓄水過程中機(jī)組運行穩(wěn)定性試驗,綜合考慮壓力脈動、振動、擺度和水輪機(jī)效率等試驗結(jié)果,將機(jī)組在全水頭、全負(fù)荷范圍內(nèi)劃分成以下3個區(qū)域:穩(wěn)定運行區(qū) (可以連續(xù)穩(wěn)定運行)、限制運行區(qū) (允許限時運行)、禁止運行區(qū) (不宜運行).

2.3.1 穩(wěn)定運行區(qū)

穩(wěn)定運行區(qū)是機(jī)組在全部負(fù)荷范圍內(nèi)壓力脈動和振動最小的區(qū)域.從真機(jī)試驗看機(jī)組在此區(qū)內(nèi)運行時最為平穩(wěn),沒有水力共振、卡門渦共振和異常振動現(xiàn)象,壓力脈動小于4%,機(jī)組振動幅值滿足運行標(biāo)準(zhǔn)的允許值.該區(qū)內(nèi)水輪機(jī)的水力條件最為良好,機(jī)組在此區(qū)內(nèi)運行時,不僅能滿足安全穩(wěn)定運行,而且能獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益.

2.3.2 限制運行區(qū)

限制運行區(qū)沒有水力共振、卡門渦共振和異常振動現(xiàn)象,壓力脈動在4%~6%之間,部分測點的機(jī)組振動幅值略超過運行標(biāo)準(zhǔn)的允許值.由于該區(qū)域的脈動和振動主頻為頻率較低的尾水管渦帶頻率.從材料疲勞角度看,低頻比高頻較有利于延緩疲勞裂紋的產(chǎn)生.因此建議將該區(qū)列為限制運行區(qū),允許機(jī)組短時間內(nèi)可在此負(fù)荷范圍內(nèi)運行,但不宜作為長期運行的區(qū)域.

圖4 下機(jī)架垂直振動

圖5 頂蓋水平振動

2.3.3 禁止運行區(qū)

圖6 頂蓋垂直振動

禁止運行區(qū)是水輪機(jī)效率最低、轉(zhuǎn)輪水力條件最差的區(qū)域.該區(qū)域壓力脈動基本都超過了6%,多數(shù)測點的振動幅值也超過了運行標(biāo)準(zhǔn)的允許值,而且頻率較為復(fù)雜,主頻不突出,大部分頻率高于轉(zhuǎn)頻.在轉(zhuǎn)輪區(qū),將發(fā)生各種進(jìn)口水流的撞擊、脫流與產(chǎn)生葉道渦等不良水力現(xiàn)象.由于壓力脈動和振動大,動應(yīng)力也必然較大,機(jī)組長期在此區(qū)域內(nèi)運行,易于引起疲勞而縮短壽命,故建議將其列為不宜運行區(qū).

5種機(jī)型的穩(wěn)定運行區(qū)域劃分見圖7~11.由圖7~11可見,5種機(jī)型穩(wěn)定運行區(qū)基本相當(dāng),滿足合同70%~100%預(yù)想出力的要求,其中穩(wěn)定運行區(qū)下限,右岸哈電機(jī)組略低于其他機(jī)型.

圖7 按運行標(biāo)準(zhǔn)劃分6F運行區(qū)域

圖8 按運行標(biāo)準(zhǔn)劃分21F運行區(qū)域

圖9 按運行標(biāo)準(zhǔn)劃分8F運行區(qū)域

圖10 按運行標(biāo)準(zhǔn)劃分16F運行區(qū)域

圖11 按運行標(biāo)準(zhǔn)劃分26F運行區(qū)域

3 能量特性試驗及分析

3.1 試驗基本情況介紹

試驗及數(shù)據(jù)處理遵循以下國家標(biāo)準(zhǔn)和IEC規(guī)程的有關(guān)規(guī)定[4-5].

3.2 5種機(jī)型能量特性的對比分析

5種機(jī)型水輪機(jī)出力特性見表1.由表1可見,5種機(jī)型真機(jī)出力均超過合同保證值,其中VGS機(jī)組 (8F)、東電機(jī)組 (16F)和右岸ALSTOM機(jī)組(21F)超發(fā)能力相對較強(qiáng),右岸哈電機(jī)組 (26F)稍弱.

5種機(jī)型相對效率試驗曲線見圖12~16.從5種機(jī)型相對效率試驗曲線可以看出:

表1 5種機(jī)型水輪機(jī)出力特性

圖12 6F全水頭真機(jī)實測效率曲線

圖13 8F全水頭真機(jī)實測效率曲線

圖14 16F全水頭真機(jī)實測效率曲線

圖15 21F全水頭真機(jī)實測效率曲線

圖16 26F全水頭真機(jī)實測效率曲線

(1)真機(jī)實測效率曲線與廠家預(yù)期的效率曲線變化趨勢基本一致,說明真機(jī)的能量指標(biāo)與模型的能量指標(biāo)比較接近.

(2)實測水輪機(jī)最優(yōu)出力與廠家提出的預(yù)期最優(yōu)出力值基本一致.

(3)水輪機(jī)出力隨著導(dǎo)葉開度增大而增加,至試驗最大導(dǎo)葉開度,出力均未減小.

(4)70%預(yù)想出力至試驗最大出力,5種機(jī)型水輪機(jī)均有較高的水輪機(jī)效率.

[1]IEC 994-1991 水力機(jī)械 (水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī))振動和脈動現(xiàn)場測量導(dǎo)則[S].

[2]IEC 60041-1991 水力機(jī)械 (水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī))水力性能的現(xiàn)場驗收試驗[S].

[3]GB/T 17189-1997 水力機(jī)械振動和脈動現(xiàn)場測試規(guī)程[S].

[4] IEC 41-1991 水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)水力性能現(xiàn)場驗收試驗規(guī)程[S].

[5]GB/T 20043-2005 水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī)水力性能現(xiàn)場驗收試驗規(guī)程[S].