蒲楠楠

(中國電建集團華東勘測設(shè)計研究院有限公司,杭州 311122)

0 前 言

水電站具有機組起、停機簡單，負荷調(diào)整迅速等特點，在中國電網(wǎng)中大多擔(dān)任調(diào)峰調(diào)頻等任務(wù)，導(dǎo)致機組實際運行負荷范圍廣、機組長時間在不穩(wěn)定工況運行的情況時有發(fā)生，嚴重者會導(dǎo)致機組疲勞破壞，影響水電站安全運行和發(fā)電效益。因此，對機組安全運行區(qū)規(guī)劃，在水電站日常調(diào)度運行中尤為重要。到目前為止，關(guān)于機組安全運行區(qū)劃分，已有諸多研究。清華大學(xué)王正偉[1]等通過在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合流場計算結(jié)果，對小浪底混流式機組及水口電站軸流轉(zhuǎn)槳式機組進行振動區(qū)劃分。武漢大學(xué)婁強[2]等提出一種基于機組在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的機組運行區(qū)精細化分方法，并在某混流式機組振動區(qū)劃分工作中得到驗證。國網(wǎng)新源有限公司技術(shù)中心樊玉林等[3]基于短時傅里葉變換分析手段，對水輪機渦帶工況進行識別。西安理工大學(xué)于躍[4]以數(shù)值模擬手段，對水輪機流動分析、轉(zhuǎn)輪動力特性分析以及機組軸系動力特定分析，得出小浪底水電站水輪發(fā)電機組振動區(qū)劃分。

根據(jù)已有關(guān)于水輪機振動區(qū)劃分研究成果，已提出了較多振動區(qū)分析方法，大多著重于特征數(shù)據(jù)提取方法的研究，尚未形成完善的振動區(qū)劃分理論及劃分標準。本文以某水電站為例，以機組振動規(guī)律作為機組運行失穩(wěn)的主要表現(xiàn)，通過現(xiàn)場真機試驗手段，獲取水輪發(fā)電機組軸系振動擺度、關(guān)鍵部位(如蝸殼及尾水管等)水壓力脈動等振動指標，通過分析頻譜特性及振動變化規(guī)律，提出機組安全運行區(qū)的判定方法，獲得特征水頭及典型負荷下機組安全運行區(qū)，為提高機組的優(yōu)化運行能力奠定基礎(chǔ)，也為其他水電站機組安全運行區(qū)劃分提供參考。

1 機組全水頭振動規(guī)律分析

1.1 工程概況

某電站安裝4臺單機容量為260 MW的混流式水輪發(fā)電機組，機組額定水頭為130 m，額定轉(zhuǎn)速為166.7 r/min。根據(jù)該電站上下游實際運行水位，機組運行毛水頭在110～160 m。

1.2 試驗工況

本文以該電站2號機組為例，從110 m毛水頭開始，每隔20 m為一個試驗水頭，直至最大毛水頭160 m為止，試驗水頭工況如表1所示，機組測點分布及振動參數(shù)限制運行范圍如表2所示[5-6]。試驗期間機組負荷以10 MW為一個工況點依次遞增，直至最大負荷。

表1 試驗水頭劃分表

表2 機組振動測點及振動參數(shù)限制范圍

2.3 試驗數(shù)據(jù)分析

2.3.1毛水頭111.02 m工況

當毛水頭為111.02 m，機組最大有功負荷為195 MW，最大開度為97.52%。

在0～60 MW負荷區(qū)域(導(dǎo)葉開度18.3%～37.9%)，尾水進口水壓脈動均超過100 kPa，全都超標，主頻均為0.69 Hz。

在80～140 MW負荷區(qū)域(導(dǎo)葉開度41.5%～62.88%)，各測點振動參數(shù)均有增大趨勢，以水導(dǎo)擺度值最具代表性，水導(dǎo)水平向擺度由125 μm增至354 μm，呈現(xiàn)成倍增加且有超標現(xiàn)象，主頻為轉(zhuǎn)頻，次主頻為0.69 Hz。

在190～195 MW負荷區(qū)域(導(dǎo)葉開度90.5%～97.5%)，各測點振動參數(shù)亦發(fā)生陡增趨勢，其中尾水進口水壓脈動值超標，最大值為112.61 kPa，主頻為1.39 Hz。蝸殼進口水壓脈動最大值為116.58 kPa，主頻為1.39 Hz；水導(dǎo)水平向擺度值超標，最大值為323 μm，主頻為轉(zhuǎn)頻。

除此以外，機組在該水頭其他負荷工況穩(wěn)定運行見圖1。

圖1 毛水頭111.02 m工況下機組振動隨負荷變化

2.3.2毛水頭127.89 m工況

當毛水頭為127.89 m，機組最大有功負荷為250.0 MW，最大開度為97.9%。

在0～40 MW負荷區(qū)域(導(dǎo)葉開度12.4%～26.4%)，尾水進口水壓脈動值均超過100 kPa，全部超標，主頻均為0.69 Hz。頂蓋水平振動部分超標，最大值為109 μm，主頻為0.69 Hz。

在110～160 MW 負荷區(qū)域(導(dǎo)葉開度44.3%～59.2%)，各測點振動參數(shù)均有增大趨勢，以水導(dǎo)擺度值最具代表性，水導(dǎo)水平向擺度由130 μm增至339 μm，呈現(xiàn)成倍增加且有超標現(xiàn)象，主頻為0.69 Hz，次主頻為轉(zhuǎn)頻。

在240～250 MW負荷區(qū)域(導(dǎo)葉開度89.5%～97.9%)，各測點振動參數(shù)亦發(fā)生增大趨勢，其中水導(dǎo)水平向擺度值超標，最大值為361 μm，主頻為轉(zhuǎn)頻。

除此以外，機組在該水頭其他負荷工況穩(wěn)定運行見圖2。

圖2 毛水頭127.89 m工況下機組振動隨負荷變化

2.3.3毛水頭142.11m工況

當毛水頭為142.11 m，機組最大有功負荷為260 MW，最大開度為78.1%。

在0～90 MW負荷區(qū)域(導(dǎo)葉開度10.8%～35.8%)，尾水進口水壓脈動均超過100 kPa，全部超標，最大值達到334.96 kPa，主頻為0.69 Hz。蝸殼進口壓力脈動值較大，最大值為53.22 kPa，主頻為1.39 Hz。

在110～180 MW負荷區(qū)域(導(dǎo)葉開度39.9%～55.6%)，各測點振動參數(shù)均有增大趨勢，尾水進口水壓脈動值亦處于超過80 kPa的高水平。水導(dǎo)擺度值成倍增加且有超標情況，水導(dǎo)水平向擺度由170 μm增至413 μm，主頻為轉(zhuǎn)頻，次主頻為1.39 Hz。

除此以外，機組在該水頭其他負荷工況穩(wěn)定運行見圖3。

圖3 毛水頭142.11 m工況下機組振動隨負荷變化

2.3.4毛水頭158.62 m工況

當毛水頭為158.62 m，機組最大有功負荷為260 MW，最大開度為64.3%。

在0～140 MW負荷區(qū)域(導(dǎo)葉開度為9.9%～40.9%)，尾水進口水壓脈動均超過100 kPa，全部超標，主頻均為0.69 Hz。頂蓋水平振動大部分超標，值最大為163 μm，主頻為0.69 Hz。

在150～170 MW負荷區(qū)域(導(dǎo)葉開度42.1%～46.4%)，尾水進口水壓脈動值處于超過80 kPa的高水平，測點振動參數(shù)均有增大趨勢。

除此以外，機組在該水頭其他負荷工況穩(wěn)定運行見圖4。

圖4 毛水頭127.89m工況下機組振動隨負荷變化

2.4 機組振動規(guī)律分析

(1) 不同水頭工況，在機組啟動至某低負荷區(qū)間(0%～50%負荷區(qū)間)，尾水進口水壓脈動異常，普遍均超出規(guī)范允許范圍，同時機組存在強烈振動，處于強烈不穩(wěn)定區(qū)；在與低負荷強烈不穩(wěn)定區(qū)臨近的中間某段負荷區(qū)間(50%～75%負荷區(qū)間)，尾水進口水壓脈動雖未超標，但仍維持在高水平，普遍高于80 kPa。與此同時，其他各振動參數(shù)均呈現(xiàn)增大趨勢，以水導(dǎo)擺度最具代表性，呈現(xiàn)倍增并超標趨勢，機組出現(xiàn)不穩(wěn)定運行狀態(tài)；機組在高負荷運行時(75%～95%負荷區(qū)間)，各項振動指標均正常且運行平穩(wěn)，機組處于運行穩(wěn)定區(qū)；機組運行在趨近滿負荷運行工況時(95%～100%負荷區(qū)間)，機組部分測點(如蝸殼進口水壓脈動、尾水進口水壓脈動、導(dǎo)軸承擺度等)呈現(xiàn)小幅度上升趨勢，除低水頭工況水導(dǎo)擺度超標外，其他振動指標均正常，機組處于運行穩(wěn)定區(qū)。

(2) 在小負荷工況，機組測點垂直振動與尾水進口水壓脈動變化趨勢基本一致，主要影響頻率為0.69 Hz，約為1/4轉(zhuǎn)頻；在各測點振動值陡增的中間某負荷區(qū)間，振動參數(shù)的主要影響頻率為轉(zhuǎn)頻及0.69 Hz，亦與尾水進口水壓脈動主頻呈現(xiàn)相關(guān)性。根據(jù)前人研究，在部分負荷下，大部分混流式水輪機渦帶頻率總小于轉(zhuǎn)動頻率，二者的實測比值在0.26～0.39，水頭、吸出高度、自由水面對頻率的影響可忽略[7]。據(jù)此推斷，尾水管渦帶為導(dǎo)致本電站機組運行不穩(wěn)定的主要因素。

混流式水輪機運行在小負荷工況時，尾水管渦帶嚴重偏心，振動劇烈且伴隨周期性旋進，因此對機組會造成較大的振動干擾；在中間負荷工況，渦帶區(qū)域同心，壓力脈動減小；在高負荷區(qū)域運行時，尾水管無渦帶，運行平穩(wěn)；在約滿超負荷運行時，尾水管渦帶在接近轉(zhuǎn)輪處收縮，可能對機組產(chǎn)生干擾[8]。本電站2號機組運行規(guī)律與上述渦帶變化規(guī)律相似，也可證明尾水管渦帶是本電站機組不穩(wěn)定運行的主要因素。

(3) 機組振動區(qū)存在于各個測試水頭，且振動負荷區(qū)間隨測試水頭的升高向高負荷方向移動。尾水進口壓力脈動隨水頭變化見圖5，水導(dǎo)擺度隨水頭變化見圖6。

圖5 尾水進口壓力脈動隨水頭變化

圖6 水導(dǎo)擺度隨水頭變化

3 機組安全運行區(qū)劃分

3.1 劃分準則

綜合以上振動規(guī)律分析，總結(jié)出尾水管渦帶為影響電站機組安全穩(wěn)定運行的主要因素，且以尾水進口水壓脈動及水導(dǎo)擺度測點變化規(guī)律最具代表性。因此，2號機組安全運行區(qū)劃分以尾水進口水壓脈動及水導(dǎo)擺度作為界定標準。

(1) 根據(jù)GB/T 15468-2020《水輪機基本技術(shù)條件》中規(guī)定，原型水輪機尾水管進口下游側(cè)壓力脈動峰-峰值宜不大于10 m水柱[9]。因此，2號機組以10 m尾水進口水壓脈動等值線作為禁止運行區(qū)的邊界。

(2) 機組在中間某段負荷區(qū)，水導(dǎo)擺度倍增且超標。其他各振動參數(shù)雖同樣出現(xiàn)增大趨勢，但均未超過規(guī)范允許值。因此，以水導(dǎo)擺度激增趨勢的起終點作為臨界運行區(qū)的邊界。

3.2 機組安全運行區(qū)劃分

綜合2號機組全水頭振動規(guī)律分析，可將機組運行區(qū)劃分為3類：禁止運行區(qū)、臨界運行區(qū)及穩(wěn)定運行區(qū)。安全運行區(qū)如圖7所示。

圖7 安全運行區(qū)劃分

(1) 禁止運行區(qū)

在小負荷工況(0%～50%負荷區(qū)間)，尾水進口水壓脈動嚴重超標，頂蓋振動在部分小負荷工況同樣出現(xiàn)超標現(xiàn)象，機組處于強烈振動區(qū)，應(yīng)禁止運行；在低水頭工況滿負荷及超負荷區(qū)域，尾水進口水壓脈動出現(xiàn)超標現(xiàn)象，機組處于強烈振動區(qū)，亦應(yīng)禁止運行。

根據(jù)渦帶變化規(guī)律，小負荷工況亦為渦帶處于嚴重偏心階段，引起水壓脈動及部分振動值超標，對機組損害最大；在低水頭滿負荷及超負荷工況，渦帶亦對機組造成影響，導(dǎo)致水壓脈動值超標。因此，將小負荷工況及低水頭滿超負荷工況界定為禁止運行區(qū)較為合適。

(2) 臨界運行區(qū)

在與小負荷臨近的中間某段負荷區(qū)(50%～75%負荷區(qū)間)，尾水進口水壓脈動仍處于高水平，機組各振動參數(shù)均出現(xiàn)增大趨勢，但除水導(dǎo)擺度外的其他參數(shù)仍在規(guī)范允許值范圍。判定該區(qū)域為強振區(qū)到穩(wěn)定區(qū)的臨界區(qū)域，機組仍處于不穩(wěn)定運行狀態(tài)，但此時渦帶對機組危害性減弱，可短時間運行。

(3) 穩(wěn)定運行區(qū)(75%～100%負荷區(qū)間)

在高負荷區(qū)，機組各振動參數(shù)均在規(guī)范允許范圍內(nèi)且無較大波動，機組運行平穩(wěn)，可長期穩(wěn)定運行。

4 結(jié) 論

本文基于真機試驗手段，對2號機組在不同運行水頭下的振動規(guī)律分析，進而得到機組安全運行區(qū)劃分界定標準，為混流式機組振動區(qū)劃分提供參考，取得主要結(jié)論如下：

(1) 通過對2號機組的振動規(guī)律分析，在小負荷運行區(qū)，尾水水壓脈動及頂蓋振動超標，機組出現(xiàn)強烈振動；在中間某負荷區(qū)，機組振動參數(shù)呈現(xiàn)陡增趨勢，機組仍處于不穩(wěn)定運行區(qū)；在高負荷區(qū)域，機組運行平穩(wěn)；機組運行趨近滿負荷工況時，機組振動參數(shù)呈現(xiàn)小幅度上升趨勢，但未出現(xiàn)強烈振動，機組處于運行穩(wěn)定區(qū)。

(2) 通過對2號機組多個振動異常工況進行頻率相關(guān)性分析，均與尾水進口水壓脈動主頻呈現(xiàn)相關(guān)性，接近1/4轉(zhuǎn)頻。綜合2號機組振動規(guī)律，得出2號機組不穩(wěn)定運行是由尾水管渦帶引起。

(3) 2號機組振動規(guī)律分析中，以尾水進口水壓脈動及水導(dǎo)擺度最具代表性，因此可作為機組安全運行區(qū)界定原則，將機組運行區(qū)劃分為3類：禁止運行區(qū)、臨界運行區(qū)及穩(wěn)定運行區(qū)。以10 m尾水進口水壓脈動等值線作為禁止運行區(qū)的邊界；以水導(dǎo)擺度激增趨勢的起終點作為臨界運行區(qū)的邊界。

本文以真機測試數(shù)據(jù)為依托，以機組不穩(wěn)定運行的誘發(fā)因素為出發(fā)點，結(jié)合誘發(fā)因素的自身特性及機組振動規(guī)律，從而得出機組安全運行區(qū)的判定原則及界定標準，可為混流式機組安全運行區(qū)劃分提供參考。