楊潔冰

（嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪 628400）

水輪發(fā)電機組運行振擺特性及分析研究

楊潔冰

（嘉陵江亭子口水利水電開發(fā)有限公司，四川 蒼溪 628400）

水電站機組運行特性概括為三點內(nèi)容：一是水流能量利用特性，二是水輪機的空化和空蝕，三是機組穩(wěn)定特性。能量和空蝕空化已經(jīng)與機組的利用程度和機組的使用壽命緊緊相關(guān)，通常會因為機組的振動問題而影響到機組的安全運行，進(jìn)而影響到發(fā)電機組對電網(wǎng)系統(tǒng)所做的貢獻(xiàn)，此外，長久以來的振動還會對機組的很多零部件造成損傷，成為潛在的威脅機組安全運行的關(guān)鍵因素?，F(xiàn)階段，由機組振動問題所導(dǎo)致的廠房結(jié)構(gòu)振動已經(jīng)成為整個水電站重點關(guān)注和研究的對象。為了更好地了解和掌握水電站廠房的振動特性，更好地解決擺度等問題，最直接、最實用的方法就是對水電站進(jìn)行現(xiàn)場檢測，再結(jié)合相關(guān)的數(shù)據(jù)來反饋水電站廠房的特性，不僅如此，現(xiàn)場實地檢測還能夠獲得更多的一手?jǐn)?shù)據(jù)，進(jìn)行處理和分析就能夠歸納出水電站的共性，為水電站運行優(yōu)化、避免機組事故等具有重要參考價值。本文結(jié)合亭子口水電站實際振動試驗，對以下內(nèi)容進(jìn)行了研究分析：

（1）亭子口水電站機組變轉(zhuǎn)速試驗、變負(fù)荷試驗、特殊工況測試結(jié)果，對機組和廠房結(jié)構(gòu)實測數(shù)據(jù)進(jìn)行時域分析。

（2）基于機組和廠房振擺分析結(jié)果，結(jié)合水輪機運行特性曲線并考慮機組安全運行要求，提出了機組安全的運行區(qū)域劃分的指示并對亭子口水電站運行振擺區(qū)域預(yù)測。

（3）根據(jù)四川中鼎科技有限公司《亭子口1號機組全水頭振動區(qū)界定試驗報告》（編號：ZDKJ/BG14-472），進(jìn)行針對性開停機的非平穩(wěn)過程進(jìn)行了振源分析。

水電站；振擺；振源

1　研究目的和意義

嘉陵江亭子口水利樞紐坐落于四川省廣元市，主要位于嘉陵江干流的中上游，距離當(dāng)?shù)厣n溪縣城大約15 km，整個水電站由大壩、電站、泄洪建筑物等多個部分組成。大壩為混凝土重力壩，壩軸線總長995.4m，壩頂高程465.0m，最大壩高116m。樞紐布置方式：河床中間布置8個表孔、5個底孔及消能建筑物，底孔（兼作排砂孔）布置在表孔左側(cè)，河床左側(cè)布置壩后式電站廠房，河床右側(cè)布置垂直升船機，兩岸布置非溢流壩段。永久建筑物主體工程量：土石方明挖812.0萬m3，混凝土522.6萬m3，鋼筋69088 t，鋼材39 766 t。該建筑物不僅是四川省的重點建設(shè)工程，同時歸屬于水利部管轄，是一個水利民生工程，主要提供防洪和發(fā)電功能，同時兼顧航運和攔沙減淤。裝機容量為4×275MW，機組為混流式水輪發(fā)電機組。水輪機型號HLVS220-LJ-670，發(fā)電機型號SF275-60/14700。

四川中鼎科技有限公司已對我廠機組振動問題進(jìn)行了相應(yīng)分析和研究，針對一些問題也得出了一定的結(jié)論，對避免機組共振區(qū)域具有一定價值。2013年08月09日17∶33，我廠1號機組在成功試運行72 h之后正式并網(wǎng)發(fā)電，在此期間對廠房的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察，現(xiàn)場實地檢測獲得了更多的一手?jǐn)?shù)據(jù)，進(jìn)行處理和分析就能夠歸納出水電站的共性，為水電站運行優(yōu)化、避免機組事故等具有重要參考價值。為此四川中鼎科技有限公司對我廠1號機組進(jìn)行了全水頭振區(qū)界定試驗。

1.1實際勘測試驗

對于水電機組來說，振動現(xiàn)象毫無規(guī)律，也存在著明顯的振動差異性，現(xiàn)實中很多震源往往都不能完全搞清楚其振動機理，因而也就很難對其進(jìn)行模擬和仿真，并且不管是進(jìn)行模擬實驗還是精確的科學(xué)計算，也都不可能將所有的因素全部考慮進(jìn)來，因而只能夠選擇不同運行狀態(tài)下水位水頭來進(jìn)行研究和檢測。而為了更好地掌握和了解水電機組的振動特性，實測被認(rèn)為是最好的方法之一。現(xiàn)場測試時針對5個毛水頭進(jìn)行了測試分析。

1）上游水位：438.6m，下游水位：373.4m，毛水頭為65.2m。

2）上游水位：441.06m，下游水位：372.71m，毛水頭為68.35m。

3）上游水位：447.4m，下游水位：373.8m，毛水頭為73.6m。

4）上游水位：450.9m，下游水位：372.8m，毛水頭為78.1m。

5）上游水位：457.4m，下游水位：373.7m，毛水頭為83.7m。

1.2試驗依據(jù)

試驗測點布置依據(jù)GB/T17189-2007《水力機械振動和脈動測試規(guī)程》，具體布置如下：

上機架水平振動（簡稱上平）-X，+Y各一點

下機架垂直振動（簡稱下垂）-X一點

定子中部水平振動（簡稱定平）-X一點

下機架水平振動（簡稱下平）-X，+Y各一點

上導(dǎo)擺度（簡稱上擺）-X，+Y各一點

下導(dǎo)擺度（簡稱下擺）-X，+Y各一點

水導(dǎo)擺度（簡稱水?dāng)[）X，+Y各一點

頂蓋垂直振動（簡稱頂垂）-X一點

頂蓋水平振動（簡稱頂平）-X一點

尾水管壓力脈動（尾壓脈動）一點

軸位信號（簡稱軸位）-X一點

以上一共16個觀測點。主測方向為-X，同方向的測點均安裝在機組相應(yīng)方向鉛垂面上，測點方向與廠房坐標(biāo)一致。各擺度測點安裝在機架或軸承蓋上作相對測試，各振動測點均安裝在基礎(chǔ)壁上作絕對測試。試驗中的轉(zhuǎn)軸相位為自編相位，與安裝的盤車相位不一致。

1.3水輪發(fā)電機組振動故障因素

根據(jù)《亭子口1號機組全水頭振動區(qū)界定試驗報告》（編號：ZDKJ/BG14-472）對我廠1號水輪機組振動因素分析。

1.3.1轉(zhuǎn)速試驗

啟停機組，分別在各種轉(zhuǎn)速下測量機組典型部位（上導(dǎo)、推力、下導(dǎo)、水導(dǎo)）的振幅。

比如，機組的轉(zhuǎn)速在60%到100%的額定范圍內(nèi)，振幅是比較大的，對轉(zhuǎn)速進(jìn)行改變也不會對振幅造成較為明顯的變動，并且振動的頻率也會和機組轉(zhuǎn)動的頻率相同，此時，機組振動的原因大都是因為軸承存在一定的間隙、主軸的零部件存在磨損等（如上風(fēng)洞內(nèi)擋風(fēng)板）。

1.3.2勵磁試驗

機組在額度轉(zhuǎn)速下，投入勵磁系統(tǒng)，機組各部件會伴隨著勵磁電流的變化而變化。假如振幅會隨著勵磁電流同向變化，那么引起機組振動的主要原因就是不平衡磁拉力的存在，這個時候就需要進(jìn)一步檢測發(fā)電機的定子和轉(zhuǎn)子的空氣間隙是不是均勻存在的，磁極線圈有沒有發(fā)生短路的情況。

1.3.3負(fù)荷或補氣試驗

在不同水頭下改變機組的負(fù)荷，檢測水頭在不同負(fù)荷狀態(tài)下的振幅和接力器行程，進(jìn)而繪制出相應(yīng)的關(guān)系：

A=f（N）或A=f（L）

式中A——振幅，mm

L——接力器行程，mm

N——發(fā)電機有用功率，kW當(dāng)振幅伴隨著機組負(fù)荷的變化而同向變化的時候，軸承處的變化幅度比其他部位明顯，那么造成機組振動的最主要原因就是水力的不平衡。

假如振動只是在某一個負(fù)荷區(qū)域變化比較強烈，其他區(qū)域振動明顯減弱，那么造成機組振動的最主要原因就是尾水管中可能產(chǎn)生了偏心渦帶。

此外，再對機組振動較為強烈的區(qū)域進(jìn)行補氣實驗，再次檢測軸承處的振動幅度，如果補氣前后存在著較為明顯的出入，那么造成機組振動的最主要原因就是尾水管中可能產(chǎn)生了偏心渦帶。

2　針對1號機組振擺特性數(shù)據(jù)分析

1號機組安裝時上導(dǎo)軸承總間隙為350μm，下導(dǎo)軸承總間隙為700μm，水導(dǎo)軸承總間隙為500μm。各水頭分析已扣除上導(dǎo)擺度因電磁干擾影響的附加幅值。

2.11號機組毛水頭為65.2m時的振區(qū)

1號機組在上游水位為438.6m，下游水位為373.4m時，機組最大能帶228MW負(fù)荷。機組按20 MW負(fù)荷遞增試驗，對負(fù)荷變化時各振動、擺度進(jìn)行全程監(jiān)測。在整個帶負(fù)荷變化過程中發(fā)現(xiàn)，機組在并網(wǎng)至60MW負(fù)荷區(qū)間受小開度下流態(tài)紊亂影響，導(dǎo)致大軸產(chǎn)生隨機振動，機組在80MW至160MW負(fù)荷區(qū)間受尾水管壓力脈動影響，各振動、擺度均形成了典型的低頻水力振動波形且通頻幅值明顯增大。在180MW及以上負(fù)荷時，各振動、擺度測值均較大的小于規(guī)程要求的限定值，機組運行穩(wěn)定性優(yōu)秀。

2.21號機組毛水頭為68.35m時的振區(qū)

1號機組在上游水位為441.06m，下游水位為372.71m時，機組最大能帶235MW負(fù)荷。機組按25MW負(fù)荷遞增試驗，對負(fù)荷變化時各振動、擺度進(jìn)行全程監(jiān)測。在整個帶負(fù)荷變化過程中發(fā)現(xiàn)，機組在并網(wǎng)至75MW負(fù)荷區(qū)間受小開度下流態(tài)紊亂影響，導(dǎo)致大軸產(chǎn)生隨機振動，從而致使水?dāng)[表現(xiàn)為隨機高頻波形；機組在80MW至170MW負(fù)荷區(qū)間受尾水管壓力脈動的影響，各振動、擺度均形成了典型的低頻水力振動波形且通頻幅值明顯增大，其低頻頻率主要為0.23倍轉(zhuǎn)頻，這種低頻水力振動現(xiàn)象一直持續(xù)到175MW附近才漸趨消失。在175MW及以上負(fù)荷時，各振動、擺度測值均較大的小于規(guī)程要求的限定值，機組運行穩(wěn)定性優(yōu)秀。

2.31號機組毛水頭為73.6m時的振區(qū)

1號機組在上游水位為447.4m，下游水位為373.8m時，機組可帶滿負(fù)荷運行。機組按20MW負(fù)荷遞增試驗，對負(fù)荷變化時各振動、擺度進(jìn)行全程監(jiān)測。在整個帶負(fù)荷變化過程中發(fā)現(xiàn)，機組在并網(wǎng)至80MW負(fù)荷區(qū)間受小開度下流態(tài)紊亂影響，導(dǎo)致大軸產(chǎn)生隨機振動，從而致使水?dāng)[表現(xiàn)為隨機高頻波形；機組在80MW至180MW負(fù)荷區(qū)間受尾水管壓力脈動的影響，各振動、擺度均形成了典型的低頻水力振動波形且通頻幅值明顯增大，其低頻頻率主要為0.23倍轉(zhuǎn)頻，這種低頻水力振動現(xiàn)象一直持續(xù)到200MW附近才漸趨消失。在200MW及以上負(fù)荷時，各振動、擺度測值均較大的小于規(guī)程要求的限定值，機組運行穩(wěn)定性優(yōu)秀。

2.41號機組毛水頭為78.1m時的振區(qū)

1號機組在上游水位為450.9m，下游水位為372.8m時，機組可帶滿負(fù)荷運行。機組按20MW負(fù)荷遞增試驗，對負(fù)荷變化時各振動、擺度進(jìn)行全程監(jiān)測。在整個帶負(fù)荷變化過程中發(fā)現(xiàn)，機組在并網(wǎng)至60MW負(fù)荷區(qū)間受小開度下流態(tài)紊亂影響，導(dǎo)致大軸隨機振動，從而致使水?dāng)[表現(xiàn)為隨機高頻波形；機組在80MW至180MW負(fù)荷區(qū)間受尾水管壓力脈動的影響，各振動、擺度均形成了典型的低頻水力振動波形且通頻幅值明顯增大，其低頻頻率主要為0.23倍轉(zhuǎn)頻，這種低頻水力振動現(xiàn)象一直持續(xù)到200MW附近才漸趨消失。在200MW以上時，各振動、擺度測值均較大的小于規(guī)程要求的限定值，機組運行穩(wěn)定性優(yōu)秀。

2.51號機組毛水頭為83.7m時的振區(qū)

1號機組在上游水位為457.4m，下游水位為373.7m時，機組可帶滿負(fù)荷運行。機組按20MW負(fù)荷遞增試驗，對負(fù)荷變化時各振動、擺度進(jìn)行全程監(jiān)測。在整個帶負(fù)荷變化過程中發(fā)現(xiàn)，機組在并網(wǎng)至60MW負(fù)荷區(qū)間受小開度下流態(tài)紊亂影響，導(dǎo)致大軸隨機振動，從而致使水?dāng)[表現(xiàn)為隨機高頻波形；機組在80MW至180MW負(fù)荷區(qū)間受尾水壓力脈動的影響，各振動、擺度均形成了典型的低頻水力振動波形且通頻幅值明顯增大，其低頻頻率主要為0.23倍轉(zhuǎn)頻，這種低頻水力振動現(xiàn)象一直持續(xù)到200MW附近才漸趨消失。在200MW以上時，各振動、擺度測值均較大的小于規(guī)程要求的限定值，機組運行穩(wěn)定性優(yōu)秀。

通過五個水頭的試驗分析，1號機組大致應(yīng)分為四個負(fù)荷運行區(qū)域，即小開度區(qū)、水力振動區(qū)、過渡區(qū)和穩(wěn)定運行區(qū)，圖1為不同水頭下運行區(qū)域劃分示意圖。

圖1　不同水頭下運行區(qū)域劃分示意圖

3　高水位高水頭下機組和廠房結(jié)構(gòu)振動區(qū)域分析

正是因為水輪發(fā)電機組的振動存在著較為復(fù)雜的特性，特別是一些振動機理到現(xiàn)在還不是清晰明了，再加上水力振動還存在著一系列不確定性，這就造成實際工作當(dāng)中，針對不同水位的電阻情況無法做出有效的預(yù)測，整個工作的難度加大許多。所以，只能夠根據(jù)一些實際測量的數(shù)據(jù)來進(jìn)行一定的推理和分析預(yù)測。

通常而言，混流式水輪機存在著葉片不可調(diào)節(jié)的情況：當(dāng)導(dǎo)葉開度較小的時候，水流會對轉(zhuǎn)輪進(jìn)口進(jìn)行沖擊，而在葉片的背面進(jìn)行脫流，這就造成轉(zhuǎn)輪的出口處會帶有一定的正環(huán)量；當(dāng)導(dǎo)葉開度較大的時候，葉片的正面脫流，轉(zhuǎn)輪出口水流的絕對速度角度是大于90°的；而在最優(yōu)工況的時候，水流的相對速度的方向會和轉(zhuǎn)輪進(jìn)口完全相同，水流會平行于葉片的骨線而進(jìn)入轉(zhuǎn)輪，并不會產(chǎn)生相應(yīng)地沖擊，也就不會造成能量的損耗，避免脫流現(xiàn)象的發(fā)生。

伴隨著水頭的不斷加大，一直變化著的水頭會產(chǎn)生不同的負(fù)荷，相應(yīng)地流量會進(jìn)一步減小，導(dǎo)葉的開度也會減小，此時就有可能形成葉道渦，造成較強的壓力脈動，葉片正常脫流的現(xiàn)象就會隨著水頭的不斷變化而變化，敏感度也會變得越來越高，因而也就可以斷定穩(wěn)定運行區(qū)域的邊界和過渡區(qū)域的邊界都會處于高負(fù)荷的偏移狀態(tài)，但是考慮到高水頭高水位高負(fù)荷的狀態(tài)下會存在一定的上限限制，因而當(dāng)負(fù)荷超過設(shè)計工況的時候，較少可能會出現(xiàn)柱狀渦帶和反向渦帶。

4　結(jié)論

水電站發(fā)電機組一旦出現(xiàn)振動和擺動就會產(chǎn)生一系列的危害，會對整個發(fā)電站帶來威脅，因而成為專家和學(xué)者爭相研究的熱門課題。想要更好地了解和掌握水輪機機組振動的特性，最主要、最有效的方法就是進(jìn)行實地檢測，在獲得大量的一手?jǐn)?shù)據(jù)以后，綜合分析和研究廠房結(jié)構(gòu)，進(jìn)而找出廠房和機組運行工況之間的關(guān)系。對于水電站廠房本身而言，負(fù)載較多，能夠引起震源的可能性也是非常廣泛的，不僅如此，水電站各個部位的振動往往又都是相互聯(lián)系的，相關(guān)的規(guī)律性會比較弱，但是這只是針對水平振動，在垂向振動上，相應(yīng)地變化規(guī)律基本一致，這就能夠解釋機組和廠房的下機架存在著一定的緊密聯(lián)系。

[1]四川中鼎科技有限公司.亭子口1號機組全水頭振動區(qū)界定試驗報告（編號：ZDKJ/BG14-472）[Z].

[2]劉洋.大型水電站機組及廠房振蕩測試分析[D].天津：天津大學(xué)，2006.

TM312

B

1672-5387（2016）11-0008-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.11.003

2016-09-01

楊潔冰（1990-），男，助理工程師，從事水電站運行工作。