續(xù)元周，李文清

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000）

貫流式機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性及其特征

續(xù)元周，李文清

（國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司緊水灘水力發(fā)電廠，浙江 麗水 323000）

貫流式機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，運(yùn)行穩(wěn)定性相對(duì)較差，本文針對(duì)進(jìn)水口流道變化、轉(zhuǎn)輪室內(nèi)工況異常和AGC調(diào)節(jié)時(shí)的機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性作了實(shí)例分析，并闡述機(jī)組在該工況運(yùn)行時(shí)的噪聲、振動(dòng)等數(shù)據(jù)的特征。

水壓不平衡；卡門渦列；狹縫射流；AGC調(diào)節(jié)運(yùn)行

1 概述

臥式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的貫流式機(jī)組，管形座是機(jī)組的主要支撐部件，其上游側(cè)法蘭面與發(fā)電機(jī)定子相連，下游側(cè)法蘭面與水輪機(jī)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)相連；管形座在整個(gè)燈泡機(jī)組結(jié)構(gòu)中相當(dāng)于“翹翹板的支點(diǎn)”，這種結(jié)構(gòu)的支撐穩(wěn)定性，與立式機(jī)組相比要明顯薄弱一些，下面結(jié)合貫流式機(jī)組的運(yùn)行實(shí)例來(lái)分析其運(yùn)行的穩(wěn)定性。

2 進(jìn)水邊界改變

進(jìn)水流道由于雜物堆積等因素，會(huì)使機(jī)組進(jìn)水邊界條件改變，引起水壓不平衡，造成機(jī)組進(jìn)水呈紊流狀態(tài)，形成漩渦狀進(jìn)入機(jī)組，影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性。

2.1 進(jìn)水口攔污柵有異物堵塞

進(jìn)水口攔污柵堵塞多數(shù)發(fā)生在攔污柵的上部，視堵塞情況，該部位會(huì)產(chǎn)生不吸氣、間歇性吸氣、貫通式三種不同形態(tài)的漩渦，漩渦形態(tài)和水位的高低有關(guān)。

間歇性或貫通式漩渦會(huì)將成串氣泡帶入流道，進(jìn)流道氣泡貼著壓力鋼管頂部下移至轉(zhuǎn)輪室內(nèi)，在低壓區(qū)內(nèi)破裂，強(qiáng)力擊打轉(zhuǎn)輪體，導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)，而堵塞引起的水頭損失又會(huì)影響機(jī)組協(xié)聯(lián)關(guān)系的準(zhǔn)確性，加大機(jī)組的振動(dòng)。

浙江某水電站一臺(tái)1 MW的豎井貫流式機(jī)組，由于進(jìn)水口攔污柵堵塞，運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組有功負(fù)荷在670～480 kW之間擺動(dòng)，轉(zhuǎn)輪室發(fā)出較強(qiáng)的“嚓、當(dāng)”聲，似硬質(zhì)物碰擊在鐵板上的清脆聲響，異聲和振動(dòng)的頻度約每秒3次，為機(jī)組轉(zhuǎn)頻的2倍。

另一例子是浙江某水電站一臺(tái)24 MW貫流機(jī)組，攔污柵堵塞時(shí)運(yùn)行，有功在18～27 MW之間擺動(dòng)，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)發(fā)出“哐、哐”的巨大聲響，機(jī)組振動(dòng)明顯加大。

2.2 導(dǎo)葉開度不均勻

不穩(wěn)定的水流會(huì)產(chǎn)生水力不平衡，引起機(jī)組轉(zhuǎn)頻為主的振動(dòng)，其振幅隨機(jī)組導(dǎo)葉開度的變化而變化，且時(shí)而明顯，時(shí)而消失。

重慶某水電站有一臺(tái)20 MW貫流機(jī)組，導(dǎo)葉對(duì)稱方向的開口偏差都很大，最大的達(dá)到18 mm，導(dǎo)葉的高度為1 727 mm，所以流量偏差比較大。機(jī)組運(yùn)行時(shí)，組合軸承振動(dòng)符合規(guī)程要求，水導(dǎo)軸承的轉(zhuǎn)頻振幅隨負(fù)荷的增大而迅速增大，在滿負(fù)荷時(shí)，轉(zhuǎn)頻振幅的均值在 150 μm/s，最大值達(dá) 170 μm/s以上。

2.3 導(dǎo)葉有異物卡阻

異物阻擾了正常的水流，會(huì)導(dǎo)致流道水壓不平衡，引起機(jī)組振動(dòng)加大。這種不平衡通常在機(jī)組帶60%以上額定負(fù)荷時(shí)體現(xiàn)出來(lái)，轉(zhuǎn)頻為主的振動(dòng)幅值也在此時(shí)明顯提高。

廣東某水電站有一臺(tái)35 MW貫流式機(jī)組，導(dǎo)葉被異物卡阻，機(jī)組接近滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，導(dǎo)葉安全連桿動(dòng)作報(bào)警，連桿彈簧來(lái)回縮放。

在導(dǎo)葉、槳葉開度不變的情況下，機(jī)組負(fù)荷由34 MW下滑至28 MW，機(jī)組振動(dòng)明顯加大，水導(dǎo)的轉(zhuǎn)頻振幅最大到390 μm/s。當(dāng)機(jī)組負(fù)荷降至25 MW以下時(shí)，異?，F(xiàn)象消失,增至30 MW時(shí)異常情況又會(huì)復(fù)現(xiàn)。

3 轉(zhuǎn)輪室內(nèi)工況異常

機(jī)組轉(zhuǎn)輪室在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)異常聲響，一般有以下兩種情形：

3.1 狹縫射流

在貫流式水輪機(jī)中，轉(zhuǎn)槳葉片的工作面和背面存在著壓力差，在槳葉外緣和轉(zhuǎn)輪室之間的狹窄縫隙中，形成一股射流，其速度很高而壓力很低。狹縫射流的頻率為 f=（z1n）/60，其中 f為頻率（Hz）；z1為轉(zhuǎn)槳葉片數(shù)目；n為水輪機(jī)轉(zhuǎn)速（r/min）。

福建沙縣某電站發(fā)生過(guò)轉(zhuǎn)輪某一葉片的狹縫射流案例。

該站一臺(tái)額定轉(zhuǎn)速100 r/min的16 MW貫流式機(jī)組，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到84 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)輪室會(huì)發(fā)出輕微的類似金屬碰撞的聲音；轉(zhuǎn)速到88～104 r/min時(shí)，聲響達(dá)到高峰，刮擦聲淹蓋了水流聲；轉(zhuǎn)速升至108 r/min以上，異常聲響又漸消失，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)呈現(xiàn)正常狀態(tài)。異常聲響的聽(tīng)覺(jué)頻率與轉(zhuǎn)速同步。

檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)輪室部分區(qū)域的油漆有邊界基本垂直的塊狀剝落，裸露出加工痕跡清晰的轉(zhuǎn)輪金屬面，但無(wú)機(jī)械刮擦跡象。而油漆脫落區(qū)位于漿葉空載開度時(shí)近下游側(cè)的投影平面上，主要集中在漿葉上方的轉(zhuǎn)輪室頂部120°范圍內(nèi)。緊靠漿葉中心線的下游方也有一塊較大脫落區(qū)，在漿葉轉(zhuǎn)動(dòng)范圍以外的區(qū)域，也有局部較大的油漆剝落現(xiàn)象。

3.2 卡門渦列

導(dǎo)葉和槳葉具有鈍尾時(shí)，在葉片后面的尾跡區(qū)會(huì)出現(xiàn)卡門渦列。渦列交替從葉片的兩側(cè)泄出，從而在物體上產(chǎn)生一個(gè)周期性的交變作用力，形成激振源，誘發(fā)機(jī)組振動(dòng)。

若卡門渦列的頻率與導(dǎo)葉或槳葉的某階固有頻率耦合共振，則會(huì)造成葉片振動(dòng)，發(fā)出尖銳的金屬嘯叫聲，并使葉片出水邊產(chǎn)生規(guī)律性的裂紋，部份葉片裂紋會(huì)有分叉。

青海某水電站有一臺(tái)40 MW機(jī)組，由于卡門渦列的影響，運(yùn)行時(shí)水輪機(jī)室的噪音特別大。特別是在空載運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)輪室內(nèi)發(fā)出尖銳的金屬嘯叫聲，振動(dòng)很大，造成機(jī)組齒盤測(cè)速探頭被磨損，測(cè)振傳感器被振落，發(fā)電機(jī)磁極松動(dòng)等故障，其軸向的振動(dòng)幅值最大達(dá) 160 μm/s以上。

4 AGC調(diào)節(jié)運(yùn)行

AGC控制是根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷“差值”進(jìn)行調(diào)節(jié)，投入AGC功能的機(jī)組，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)成為發(fā)電機(jī)組的常態(tài)工況。

貫流式機(jī)組靜態(tài)運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性好、效率高，但水力系統(tǒng)的TW較大，導(dǎo)致機(jī)組在動(dòng)態(tài)負(fù)荷調(diào)節(jié)或響應(yīng)大波動(dòng)的過(guò)渡過(guò)程中水力慣性系數(shù)較大，穩(wěn)定性較差。為滿足調(diào)保計(jì)算的要求，貫流機(jī)組的導(dǎo)葉、槳葉全開全關(guān)的時(shí)間設(shè)置是不同的，導(dǎo)葉響應(yīng)速度較快，槳葉隨動(dòng)速度較慢，通常導(dǎo)葉比槳葉的動(dòng)作速率要快3～6倍，所以在機(jī)組響應(yīng)系統(tǒng)變化時(shí)，導(dǎo)葉能及時(shí)動(dòng)作，而槳葉需要較長(zhǎng)時(shí)間才能操作到位。

湖南某水電站一臺(tái)45 MW貫流機(jī)組，設(shè)置導(dǎo)葉全行程快速關(guān)閉時(shí)間為7 s，槳葉全行程關(guān)閉時(shí)間為24 s。投入AGC后導(dǎo)葉槳葉調(diào)節(jié)時(shí)間偏差實(shí)測(cè)為：當(dāng)響應(yīng)系統(tǒng)較大負(fù)荷變化時(shí)，槳葉滯后導(dǎo)葉1～4 s；當(dāng)響應(yīng)較小負(fù)荷變化時(shí)，槳葉滯后導(dǎo)葉0.2～0.8 s。

因槳葉動(dòng)作的滯后，AGC調(diào)節(jié)過(guò)程中，使得機(jī)組經(jīng)常處于一種非協(xié)聯(lián)工況運(yùn)行，引起機(jī)組振動(dòng)和噪聲都很大。

5 結(jié)語(yǔ)

貫流式機(jī)組由于整體懸浮在過(guò)水流道中，機(jī)體受到水浮力、水流脈動(dòng)、水錘、旋渦、沖擊等多種動(dòng)水壓力，并且在不同運(yùn)行工況時(shí)還有機(jī)械扭矩、電磁力、正反向水推力等多種負(fù)荷，受力環(huán)境較復(fù)雜。

因此，貫流式機(jī)組在運(yùn)行時(shí)，需要避開不利工況區(qū)，并避免作AGC等有動(dòng)態(tài)控制的運(yùn)行方式，同時(shí)應(yīng)注重機(jī)組振動(dòng)的監(jiān)測(cè)，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

[1]孫旭東.燈泡貫流式水輪機(jī)水力振動(dòng)的形成及其影響[J].電站系統(tǒng)工程，2006（5）:58-60.

[2]鄭福民.水輪機(jī)消除卡門渦振的措施[J].水力發(fā)電，1995（1）:55-56.

[3]劉強(qiáng).燈泡貫流式機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性分析[J].水力發(fā)電，2007（7）:63-65.

[4]劉明侯，Chen T L.狹縫射流撞擊圓柱表面的湍流特性實(shí)驗(yàn)研究 [J].力學(xué)學(xué)報(bào)，2005（2）:135-139.

[5]高忠信，唐澍，梁賀志.水輪機(jī)固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉后的卡門渦頻率研究[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展（A輯），2005（6）:729-735.

TK733+.8

A

1672-5387（2017）11-0019-02

10.13599/j.cnki.11-5130.2017.11.007

2017-08-25

續(xù)元周（1968-），男，工程師，從事水電站設(shè)備運(yùn)行與安全管理工作。