三峽左右岸電站機組穩定性能和能量特性的試驗與研究

劉志輝

(三峽水力發電廠,湖北 宜昌 443133)

三峽左右岸電站共裝有26臺700 MW的水輪發電機組,分為左岸VGS(1F~3F、7F~9F)、左岸ALSTOM(4F~6F、10F~14F)、右岸東電 (15F~18F)、右岸ALSTOM(19F~22F)和右岸哈電(23F~26F)共5種機型.為掌握三峽電站機組在不同水頭下的特性和運行規律、確定機組安全穩定運行范圍,自2003年首臺機組投產以來,三峽電廠利用機組啟動試運行、156 m蓄水過程、172 m試驗性蓄水和175 m試驗性蓄水過程,進行了大量的試驗和研究.蓄水期間,分別在左右岸5種機型中各選1臺試驗機組進行了全水頭的穩定性試驗和能量特性試驗.通過試驗,初步掌握了機組的運行規律,編制了機組穩定運行區域,實現了機組的穩定運行.通過試驗數據與機組模型試驗數據的對比分析,為今后水輪發電機組參數的優化設計提供了依據.

1 穩定性試驗介紹

1.1 試驗標準及規程

試驗及數據處理根據國家標準和IEC標準的有關規定進行[1-3].

1.2 穩定性試驗內容和試驗方法

機組運行穩定性試驗內容包含階梯變負荷試驗、連續變負荷試驗、過速和甩負荷試驗等.

(1)階梯變負荷試驗.每一試驗水頭下做一次變負荷試驗,機組從0 MW(空載)按照預定負荷間隔增加負荷至最大試驗負荷;或由最大試驗負荷按照預定負荷間隔減少至0.0~350 MW負荷區間,間隔為50 MW;350~500 MW,間隔為20 MW;500 MW以上,間隔為10 MW.每個負荷工況機組穩定運行60 s開始采集數據.對每一試驗工況,測試儀同步采集時間不少于60 s.

(2)連續變負荷試驗.每一試驗水頭做一次連續變負荷試驗,機組負荷從0連續增加至最大試驗負荷,或從最大試驗負荷連續減少負荷至0.在連續升負荷 (或連續降負荷)過程中,每一工況停留60 s,形成負荷上升 (或下降)臺階.

(3)過速和甩負荷試驗.在上游水位172.5 m做過速和甩負荷試驗,分別甩25%、108%額定負荷.

1.3 測量項目及測點布置

(1)水壓脈動6個測點,蝸殼水壓脈動 (蝸殼進人門旁)、無葉區水壓脈動、頂蓋水壓脈動 (+X方向)、尾水管上游側水壓脈動 (尾水門旁開孔)、尾水管下游側水壓脈動 (尾水門旁開孔)及蝸殼壓差.

(2)擺度共6個測點,分別為:上導擺度+X和+Y、下導擺度+X和+Y、水導擺度+X和+Y.

(3)機組振動,28個測點 (5臺機組振動測點略有不同).上機架水平振動+X、+Y,上機架垂直振動+X、+Y;下機架水平振動+X、+Y,下機架垂直振動+X、+Y,下機架水平振動 (渦流傳感器)+X、+Y,下機架撓度 (渦流傳感器)+X、+Y;定子機座水平振動+X、+Y,定子機座垂直振動+X、+Y;頂蓋水平振動 (低頻振動傳感器)+X、+Y,頂蓋垂直振動 (低頻振動傳感器)+X、+Y;頂蓋水平振動外側 (渦流傳感器)+X、+Y、頂蓋垂直振動外側(渦流傳感器)+X、+Y,頂蓋撓度 (渦流傳感器)+X、+Y;蝸殼門振動;尾水門振動.

(4)接力器行程共1個測點.

(5)有功功率1個測點,單元控制室監控系統.(6)風速共1個測點,大軸補氣管中心.

(7)噪聲共2個測點,水車室 (或蝸殼門)和尾水門處各一個.

(8)廠房振動共11個測點,發電機層樓板上游側+X方向;發電機層樓板上游側-X方向;發電機層樓板下游側+X方向;發電機層樓板下游側-X方向;上游墻高程75.3 m;下游墻高程75.3 m;下游墻高程67.0 m;下游墻高程57.0 m;風罩墻高程71.0 m下游側;風罩墻高程71.0 m+X方向;機墩.

(9)鍵相共1個測點.

2 5種機型穩定性能對比分析

2.1 5種機型壓力脈動對比

5種機型上游水位145.5 m和172.5 m下的壓力脈動對比見圖1、2.

圖1 尾水上游壓力脈動相對幅值

圖2 無葉區壓力脈動相對幅值

由圖1、2可見5種機型的壓力脈動隨負荷變化趨勢基本一致,壓力脈動幅值在小負荷區和渦帶區相對較大,大負荷區相對較小.總體上看,5種機型壓力脈動水平基本相當,在70%~100%出力范圍,未發現水力共振、卡門渦共振和異常壓力脈動,哈電26F略優于其他機型;在高水頭運行范圍,ALSTOM 21F略優于其他機型.綜上所述,在70%~100%出力范圍,右岸電站機組總體上略優于左岸機組.

2.2 5種機型振動和擺度對比

5種機型上游水位145.5、172.5 m下的振動擺度對比見圖3~6,由圖可見,5種機型的振動和擺度隨負荷變化趨勢基本一致,在70%~100%出力范圍內,未發現異常振動現象,主軸擺度和機組振動基本滿足合同保證值或有關國標允許值的要求.其中,主軸擺度:右岸東電 (16F)機組稍大,其余機型基本相當;機架振動:左岸VGS(8F)機組稍大于其他機型,其低水頭時的垂直振動尤為明顯;頂蓋振動:右岸ALSTOM(21F)機組明顯大于其他機型.

圖3 水導擺度

2.3 5種機型穩定運行區對比

根據運行標準的允許值和蓄水過程中機組運行穩定性試驗,綜合考慮壓力脈動、振動、擺度和水輪機效率等試驗結果,將機組在全水頭、全負荷范圍內劃分成以下3個區域:穩定運行區 (可以連續穩定運行)、限制運行區 (允許限時運行)、禁止運行區 (不宜運行).

2.3.1 穩定運行區

穩定運行區是機組在全部負荷范圍內壓力脈動和振動最小的區域.從真機試驗看機組在此區內運行時最為平穩,沒有水力共振、卡門渦共振和異常振動現象,壓力脈動小于4%,機組振動幅值滿足運行標準的允許值.該區內水輪機的水力條件最為良好,機組在此區內運行時,不僅能滿足安全穩定運行,而且能獲得最大的經濟效益.

2.3.2 限制運行區

限制運行區沒有水力共振、卡門渦共振和異常振動現象,壓力脈動在4%~6%之間,部分測點的機組振動幅值略超過運行標準的允許值.由于該區域的脈動和振動主頻為頻率較低的尾水管渦帶頻率.從材料疲勞角度看,低頻比高頻較有利于延緩疲勞裂紋的產生.因此建議將該區列為限制運行區,允許機組短時間內可在此負荷范圍內運行,但不宜作為長期運行的區域.

圖4 下機架垂直振動

圖5 頂蓋水平振動

2.3.3 禁止運行區

圖6 頂蓋垂直振動

禁止運行區是水輪機效率最低、轉輪水力條件最差的區域.該區域壓力脈動基本都超過了6%,多數測點的振動幅值也超過了運行標準的允許值,而且頻率較為復雜,主頻不突出,大部分頻率高于轉頻.在轉輪區,將發生各種進口水流的撞擊、脫流與產生葉道渦等不良水力現象.由于壓力脈動和振動大,動應力也必然較大,機組長期在此區域內運行,易于引起疲勞而縮短壽命,故建議將其列為不宜運行區.

5種機型的穩定運行區域劃分見圖7~11.由圖7~11可見,5種機型穩定運行區基本相當,滿足合同70%~100%預想出力的要求,其中穩定運行區下限,右岸哈電機組略低于其他機型.

圖7 按運行標準劃分6F運行區域

圖8 按運行標準劃分21F運行區域

圖9 按運行標準劃分8F運行區域

圖10 按運行標準劃分16F運行區域

圖11 按運行標準劃分26F運行區域

3 能量特性試驗及分析

3.1 試驗基本情況介紹

試驗及數據處理遵循以下國家標準和IEC規程的有關規定[4-5].

3.2 5種機型能量特性的對比分析

5種機型水輪機出力特性見表1.由表1可見,5種機型真機出力均超過合同保證值,其中VGS機組 (8F)、東電機組 (16F)和右岸ALSTOM機組(21F)超發能力相對較強,右岸哈電機組 (26F)稍弱.

5種機型相對效率試驗曲線見圖12~16.從5種機型相對效率試驗曲線可以看出:

表1 5種機型水輪機出力特性

圖12 6F全水頭真機實測效率曲線

圖13 8F全水頭真機實測效率曲線

圖14 16F全水頭真機實測效率曲線

圖15 21F全水頭真機實測效率曲線

圖16 26F全水頭真機實測效率曲線

(1)真機實測效率曲線與廠家預期的效率曲線變化趨勢基本一致,說明真機的能量指標與模型的能量指標比較接近.

(2)實測水輪機最優出力與廠家提出的預期最優出力值基本一致.

(3)水輪機出力隨著導葉開度增大而增加,至試驗最大導葉開度,出力均未減小.

(4)70%預想出力至試驗最大出力,5種機型水輪機均有較高的水輪機效率.

[1]IEC 994-1991 水力機械 (水輪機、蓄能泵和水泵水輪機)振動和脈動現場測量導則[S].

[2]IEC 60041-1991 水力機械 (水輪機、蓄能泵和水泵水輪機)水力性能的現場驗收試驗[S].

[3]GB/T 17189-1997 水力機械振動和脈動現場測試規程[S].

[4] IEC 41-1991 水輪機、蓄能泵和水泵水輪機水力性能現場驗收試驗規程[S].

[5]GB/T 20043-2005 水輪機、蓄能泵和水泵水輪機水力性能現場驗收試驗規程[S].