傅 康,賈 嶸,董開松

(1.西安理工大學(xué),西安 710048；2.甘肅省電力科學(xué)研究院，蘭州 7300502)

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基于振動特性試驗的水電機組穩(wěn)定性分析與評估

傅 康1,賈 嶸1,董開松2

(1.西安理工大學(xué),西安 710048；2.甘肅省電力科學(xué)研究院，蘭州 7300502)

水輪發(fā)電機組作為電力系統(tǒng)中的重要調(diào)頻電源，其安全可靠關(guān)乎整個系統(tǒng)的安全運行。文章以達(dá)拉河口水電站為例，通過振動特性試驗分析研究了機組在不同工況下的振動擺度值。試驗結(jié)果顯示，該電站機組整體穩(wěn)定性良好，能滿足長期穩(wěn)定運行要求。

水電機組；振動；穩(wěn)定性；狀態(tài)監(jiān)測

0 前 言

水電作為電力系統(tǒng)中第二大常規(guī)電源，在系統(tǒng)中通常充當(dāng)調(diào)壓、調(diào)頻機組，其安全穩(wěn)定性關(guān)乎整個系統(tǒng)的可靠運行。大量運行資料顯示，水電機組的大部分故障均能在其振動信號中有所反映；由水力不平衡和電力不平衡引起的機組異常振動也是導(dǎo)致機組不穩(wěn)定的重要原因[1-3]。因此，開展水電機組穩(wěn)定性監(jiān)測與分析研究具有重要的實際意義[4]。

振動現(xiàn)象是每個旋轉(zhuǎn)機械都必須面對的難題，水輪發(fā)電機組也不可避免[5-6]。水輪發(fā)電機組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在日常運行中受電磁、機械、水力等諸多因素影響，導(dǎo)致其振動產(chǎn)生機理復(fù)雜，表現(xiàn)形式多樣[7-8]。水輪發(fā)電機組的異常振動現(xiàn)象給機組穩(wěn)定帶來很大影響，其不僅會損害機組自身結(jié)構(gòu)，甚至?xí)?dǎo)致電力系統(tǒng)不穩(wěn)定。例如，2009年8月17日，俄羅斯薩彥-舒申斯克水電站發(fā)生了世界水電史上罕見的重大事故，造成75人死亡、13人受傷，電站10臺機組全部損壞或損毀，部分廠房結(jié)構(gòu)被摧毀等重大損失。事后經(jīng)調(diào)查，其原因有多方面因素，其中有一條明確指出由于“機組運行中水輪機軸承振動幅值嚴(yán)重超標(biāo)”而未按規(guī)定“卸荷并停機”，導(dǎo)致渦輪機組螺樁脫落，最終釀成慘劇。事故現(xiàn)場的一些情況如圖1所示[9]。

圖1 俄羅斯薩彥-舒申斯克水電站事故現(xiàn)場圖片圖

本文以達(dá)拉河口水電站為例，通過機組的振動信號對機組的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。

1 電站概況

達(dá)拉河口水電站位于甘肅省迭部縣東南30 km處，規(guī)模為Ⅲ等中型工程，壩高為65 m，總庫容1 740.0萬m3，電站安裝3臺17.5 MW的水輪發(fā)電機組，總裝機52.5 MW，多年平均發(fā)電量2.73億kWh，工程總投資4.4億元。該電站是目前甘南州最大的水電站。機組主要參數(shù)如下：

發(fā)電機

型式及型號 SF17.5-10/3300

額定容量 20 588 kVA

額定電壓 10.5 kV

額定電流 1 132.1 A

額定轉(zhuǎn)速 600 r/min

水輪機型號 HL(F613)-LJ-155

最大/額定水頭 211.1/1 900/173.8 m

額定功率 17.5 MW

額定流量 10.38 m3/s

額定轉(zhuǎn)速 600 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速 1 170 r/min

2 測點布置

試驗系統(tǒng)采用EN600水輪發(fā)電機組測試儀，使用的傳感器有3300和7200型電渦流位移傳感器、低頻振動傳感器、3277型壓力傳感器等。試驗在下導(dǎo)、水導(dǎo)+x/-y方向各設(shè)置1個渦流傳感器測量大軸擺度，測量擺度相位的渦流傳感器設(shè)置在水導(dǎo)-y方向，上機架+y方向設(shè)置垂直和水平振動測點，下機架+y方向設(shè)置水平振動測點，頂蓋(水導(dǎo)油盆蓋)-y方向設(shè)置垂直和水平振動測點。

3 試驗分析

3.1 變轉(zhuǎn)速試驗

機組在不加勵磁的狀態(tài)下，調(diào)整機組轉(zhuǎn)速分別穩(wěn)定在300、400、500和600 r/min，測量機組各部位振動和擺度值，分析機組的質(zhì)量平衡狀態(tài)。機組振動與機組轉(zhuǎn)速平方的關(guān)系見圖2。

圖2 機組振動與轉(zhuǎn)速平方的關(guān)系圖

從圖2可以看出，機組各部位的擺度以及上、下機架的振動均隨機組轉(zhuǎn)速的增大而增大，其中擺度轉(zhuǎn)頻分量的增大與轉(zhuǎn)速平方基本成線性關(guān)系，這說明機組軸系存在有不平衡力。從各部位擺度與振動數(shù)值來看，下導(dǎo)擺度最大，上機架水平振動隨轉(zhuǎn)速增加也有明顯的增加，這主要是由于機組轉(zhuǎn)子存在動不平衡力造成的。因此應(yīng)該考慮在機組轉(zhuǎn)子上進(jìn)行配重以減小不平衡力給機組造成的影響。

3.2 變勵磁試驗

機組在額定轉(zhuǎn)速條件下，調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流，使發(fā)電機端電壓分別穩(wěn)定在(25%、50%、75%、100%)Ue(額定端電壓)，測量機組各部位振動和擺度值。主要分析質(zhì)量力和電磁力的綜合作用下機組的動平衡狀態(tài)。變勵磁試驗的試驗結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，機組振動和擺度隨發(fā)電機出口電壓的升高略有升高，但其升高的幅度不明顯，說明不平衡的電磁力很小，對機組的影響不明顯。

圖3 機組振動與發(fā)電機出口電壓百分?jǐn)?shù)的關(guān)系圖

3.3 變負(fù)荷試驗

在機組并網(wǎng)的條件下，調(diào)整機組功率分別穩(wěn)定在0、2、4、5、7、9、11、13、15、17、17.5、19.19(最大)MW，測量機組各部位振動、擺度值和水壓脈動值。分析機組在不同電磁力及水動力的作用下機組運行的穩(wěn)定性特性。壓力脈動通頻幅值與負(fù)荷的關(guān)系見圖4，機組振動擺度通頻幅值與負(fù)荷的關(guān)系見圖5。

圖4 壓力脈動通頻幅值與機組負(fù)荷的關(guān)系圖

圖5 機組振動擺度幅值與負(fù)荷的關(guān)系圖

從圖4、5可以看出，機組穩(wěn)定性與負(fù)荷的關(guān)系不大，從壓力脈動的變化來看機組的振區(qū)不明顯，在整個負(fù)荷區(qū)域內(nèi)，機組的穩(wěn)定性沒有明顯變化。說明水力因素對機組穩(wěn)定性的影響不大，這對機組的調(diào)度非常有利。

4 結(jié) 語

通過上述試驗結(jié)果表明：

(1) 達(dá)拉河口水電站機組存在明顯的機械不平衡，建議電站檢修期間對機組進(jìn)行重新配重；

(2) 該電站電磁力和水力因素對機組穩(wěn)定性的影響不明顯，機組振區(qū)不明顯。綜合來看，該電站對機組進(jìn)行重新配重后，能夠滿足長期穩(wěn)定運行的條件。

[1] 萬元,譚振國.基于振動特性試驗的大型混流式機組穩(wěn)定性分析與評估[J].水利水電技術(shù),2014,45(12):15-19.

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[5] 趙婷.基于小波分析的機械振動故障分析[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué),2008.

[6] 周洋.小波分析在旋轉(zhuǎn)機械振動信號監(jiān)測和故障診斷中的應(yīng)用研究[D].上海：同濟大學(xué),2007.

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[8] 彭兵. 基于改進(jìn)支持向量機和特征信息融合的水電機組故障診斷[D].武漢：華中科技大學(xué),2008:1-10.

[9] 俄羅斯最大水電站發(fā)生事故7人死亡(組圖)[EB/OL].(2009-08-17)[2016-10-19].http：//news.sina.com.cn/w/p/2009-08-17/150418452253.shtml.

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Analysis and Assessment of Unit Stability Based on Vibration Characteristics Tests

FU Kang1, JIA Rong1, DONG Kaisong2

(1. Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China; 2. Gansu Electric Power Research Institute, Lanzhou 730502, China)

As the important frequency change power supply, safe and liability of the unit is critical for the safety operation of the whole system. With the case of Dalahe Hydropower Station, the vibration throw values are analyzed and studied under the different operating conditions based on the vibration characteristics tests. The test results show that the integral stability of the unit is perfect and can satisfies requirement of the long-term and stable operation. Key words: unit; vibration; stability; status monitoring

1006—2610(2016)05—0063—03

2016-05-11

傅康(1989- )，男，陜西省商洛市人，碩士研究生，主要研究方向為水輪發(fā)電機組狀態(tài)監(jiān)測及故障診斷.

國家自然基金項目(51279161)——《水輪發(fā)電機組振動與局放的監(jiān)測與診斷》.

TV734.2

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.015