王利杰，孫 波

(華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

水輪發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性能直接關(guān)系著水電站的安全運行。水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性試驗可以有效獲取機(jī)組振動、擺度、壓力脈動等穩(wěn)定性指標(biāo)，是掌握機(jī)組穩(wěn)定性能的有效方法。機(jī)組穩(wěn)定性試驗可以檢驗機(jī)組設(shè)計、制造、安裝或檢修質(zhì)量，通過分析機(jī)組振動特點和規(guī)律，了解水力、機(jī)械和電磁三種不平衡因素的影響程度，研究振因、分析振源，為機(jī)組安裝、檢修及技術(shù)改造提供科學(xué)依據(jù)，還可以掌握機(jī)組各種工況下的運行狀態(tài)，劃分運行范圍，指導(dǎo)機(jī)組安全、穩(wěn)定運行。本文通過某水電站水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)分析，結(jié)合電站運行實際情況，在全水頭范圍內(nèi)劃分機(jī)組的運行區(qū)域，為電站安全運行提供科學(xué)依據(jù)[1]。

1 某水電站穩(wěn)定性試驗分析

某水電站安裝6臺單機(jī)容量600 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，機(jī)組最大水頭240 m，最小水頭153 m，額定水頭200 m，額定轉(zhuǎn)速142.9 r/min。根據(jù)電站實際運行情況，劃分機(jī)組穩(wěn)定性試驗水頭工況，其中5號機(jī)組試驗水頭如表1所示，試驗負(fù)荷工況根據(jù)現(xiàn)場運行情況間隔10～20 MW選取一個工況點。

機(jī)組穩(wěn)定性試驗測點包括：上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)擺度(X向、Y向)，上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋振動(水平X向、水平Y(jié)向、Z向)、蝸殼進(jìn)口壓力脈動、尾水進(jìn)口壓力脈動等。導(dǎo)軸承處擺度幅值通過電渦流傳感器監(jiān)測，上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋處振動幅值通過低頻振動傳感器監(jiān)測，壓力脈動幅值通過動態(tài)壓力傳感器監(jiān)測。機(jī)組實時出力、活動導(dǎo)葉開度以及電站上游、尾水水位通過中控室實時監(jiān)控系統(tǒng)讀取。

限于篇幅，本文僅給出毛水頭209.1 m時5號機(jī)組振動、擺度、壓力脈動試驗數(shù)據(jù)曲線，如圖1～圖3所示。209.1 m毛水頭時，在各試驗負(fù)荷工況下5號機(jī)組各部位的振動幅值無明顯規(guī)律且滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，各導(dǎo)軸承擺度幅值均滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 某水電站穩(wěn)定性試驗水頭劃分表 m

圖1 毛水頭209.1 m時5號機(jī)組導(dǎo)軸承擺度與有功功率的關(guān)系圖

圖2 毛水頭209.1 m時5號機(jī)組機(jī)架振動與有功功率的關(guān)系圖

圖3 毛水頭209.1 m時5號機(jī)組壓力脈動與有功功率的關(guān)系圖

根據(jù)實測數(shù)據(jù)，導(dǎo)軸承擺度呈現(xiàn)出在某些負(fù)荷區(qū)域相對較大的規(guī)律，與其他負(fù)荷區(qū)域相比，在此負(fù)荷區(qū)域?qū)лS承擺度出現(xiàn)1/4倍轉(zhuǎn)頻0.6 Hz的主要影響頻率，隨著負(fù)荷的1/4倍轉(zhuǎn)頻的影響增加逐漸減小，此現(xiàn)象符合由渦帶引起的水力不穩(wěn)定規(guī)律[2]。機(jī)組不同水頭渦帶工況區(qū)所在的負(fù)荷區(qū)域范圍不盡相同，隨著水頭增加向高負(fù)荷方向逐漸推移。上導(dǎo)、下導(dǎo)及水導(dǎo)擺度幅值趨勢圖形狀相似，幅值相對較大負(fù)荷區(qū)間大致相同，趨勢圖形狀相似。

2 機(jī)組運行區(qū)域劃分原則

1)可長期持續(xù)運行區(qū)域：結(jié)合電廠實際情況，參考國家標(biāo)準(zhǔn)《旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸徑向振動的測量和評定第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組》中劃定的A、B區(qū)域[3]，即通常認(rèn)為振動在此區(qū)域內(nèi)的機(jī)器可以無限制地長期運行。

2)不宜長期運行區(qū)域：參考國家標(biāo)準(zhǔn)《水輪機(jī)基本技術(shù)條件》規(guī)定，水輪機(jī)應(yīng)在相應(yīng)水頭下機(jī)組保證功率的45%～100%功率范圍內(nèi)穩(wěn)定運行[4]，鑒于機(jī)組合同未對所有水頭的機(jī)組保證出力進(jìn)行約定，選取試驗過程中相應(yīng)毛水頭下的機(jī)組最大出力的45%為低負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運行區(qū)域。低負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運行工況做為特殊運行工況的一種，目前還沒有足夠的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗來建立特殊工況的限制曲線。出于機(jī)組安全運行的考慮，建議不宜在此區(qū)域長期持續(xù)運行。

3)渦帶工況區(qū)域：根據(jù)實測數(shù)據(jù)(圖1)，導(dǎo)軸承擺度幅值呈現(xiàn)出在某些負(fù)荷區(qū)域相對較大的規(guī)律，此負(fù)荷區(qū)域?qū)лS承擺度出現(xiàn)1/4倍轉(zhuǎn)頻0.6 Hz的主要影響頻率，隨著負(fù)荷的增加1/4倍轉(zhuǎn)頻的影響逐漸減少，此現(xiàn)象符合由渦帶引起的水力不穩(wěn)定規(guī)律。機(jī)組不同水頭渦帶工況區(qū)所在的負(fù)荷區(qū)域范圍不盡相同，隨著水頭增加向高負(fù)荷方向逐漸推移。建議機(jī)組在渦帶工況運行時注意加強巡視。

3 某水電站機(jī)組運行區(qū)域

依據(jù)上文所述的機(jī)組運行區(qū)域劃分原則，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對某水電站6臺機(jī)組全水頭下運行區(qū)域進(jìn)行劃分，其中5號機(jī)組運行區(qū)域見圖4、圖5所示。該電站根據(jù)本文所提供的運行區(qū)域，在調(diào)度允許情況下盡可能控制機(jī)組在高負(fù)荷運行區(qū)域，不僅保證了機(jī)組安全穩(wěn)定運行，而且可以有效降低機(jī)組耗水率，提高電站運行的經(jīng)濟(jì)效益。

圖4 某水電站5號機(jī)組運行區(qū)域排列圖

圖5 某水電站5號機(jī)組運行區(qū)域分布圖

4 結(jié) 語

通過對某水電站水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求同時結(jié)合電站實際運行情況，對機(jī)組在全水頭范圍內(nèi)運行區(qū)域進(jìn)行劃分，繪制出運行區(qū)域分布圖，為電站機(jī)組穩(wěn)定、安全、高效運行提供科學(xué)依據(jù)。