灘坑水電站1號(hào)機(jī)組振動(dòng)區(qū)試驗(yàn)研究及分析

郭智俊,王衛(wèi)玉

(浙江浙能水電管理有限公司，杭州　310020)

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灘坑水電站1號(hào)機(jī)組振動(dòng)區(qū)試驗(yàn)研究及分析

郭智俊,王衛(wèi)玉

(浙江浙能水電管理有限公司，杭州310020)

摘要：灘坑水電站作為區(qū)域負(fù)荷的調(diào)峰調(diào)頻電站，保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。為劃分1號(hào)混流式機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，通過(guò)真機(jī)試驗(yàn)的方法對(duì)機(jī)組進(jìn)行了典型水頭下的變轉(zhuǎn)速、變勵(lì)磁和變負(fù)荷試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)組的整體運(yùn)行穩(wěn)定性良好，最終將機(jī)組的運(yùn)行區(qū)域劃分為小負(fù)荷區(qū)、渦帶工況區(qū)和大負(fù)荷區(qū)。關(guān)鍵詞：混流式機(jī)組；振動(dòng)；試驗(yàn)

0前言

隨著水電機(jī)組單機(jī)容量的不斷增大，運(yùn)行穩(wěn)定性問(wèn)題日益受到人們的關(guān)注。機(jī)械因素、電氣因素和水力因素是影響水電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的三大因素[1-3]。當(dāng)機(jī)組偏離最優(yōu)工況運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)引起機(jī)組的不穩(wěn)定運(yùn)行，進(jìn)而可能導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)，情況嚴(yán)重時(shí)甚至威脅到電站和運(yùn)行人員的安全[4-7]。真機(jī)試驗(yàn)方法[8-9]能夠有效地找出機(jī)組可能存在的不穩(wěn)定因素，避免機(jī)組因異常振動(dòng)而導(dǎo)致的不良后果，同時(shí)能夠獲得機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，為機(jī)組的安全運(yùn)行提供指導(dǎo)。以往主要通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)獲得機(jī)組的運(yùn)行性能指標(biāo)，真機(jī)試驗(yàn)可以有效地驗(yàn)證計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果。目前，國(guó)內(nèi)多家水力發(fā)電企業(yè)對(duì)機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，找出了機(jī)組存在的不穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，為電站的安全運(yùn)行提供了保障[10-13]。為此，本文通過(guò)對(duì)灘坑水電站1號(hào)混流式機(jī)組進(jìn)行典型水頭下多種工況的真機(jī)試驗(yàn)，對(duì)機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)和固定部件振動(dòng)，以及水輪機(jī)過(guò)流部件的水力因素進(jìn)行分析，從而找出機(jī)組的振動(dòng)區(qū)域和穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域，為電網(wǎng)調(diào)度和電站運(yùn)行提供參考[14-15]。

1機(jī)組參數(shù)及試驗(yàn)概況

灘坑水電站位于浙江省青田縣境內(nèi)的甌江支流小溪中游河段，距大溪、小溪匯合口約26 km。電站接近電網(wǎng)負(fù)荷中心，其水庫(kù)總庫(kù)容(校核洪水位以下)41.90億m3，具有多年調(diào)節(jié)能力，它是甌江流域水電梯級(jí)開發(fā)中的一座重要骨干電站。電站引水系統(tǒng)采用單機(jī)單管的隧洞引水方式，裝設(shè)3臺(tái)200 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，分別于2008年8月16日、2009年2月12日、2009年7月10日投產(chǎn)發(fā)電。本次試驗(yàn)以1號(hào)機(jī)組為試驗(yàn)對(duì)象，表1列出了1號(hào)機(jī)組的主要參數(shù)。

表1　灘坑水電站1號(hào)機(jī)組參數(shù)表

試驗(yàn)主要包括變轉(zhuǎn)速、變勵(lì)磁和變負(fù)荷，每個(gè)工況穩(wěn)定3～5 min，試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝的水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)讀取[16]，部分?jǐn)?shù)據(jù)采用千分表讀數(shù)進(jìn)行校正。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1變轉(zhuǎn)速

變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)是檢驗(yàn)機(jī)組是否存在機(jī)械不平衡的有效手段。通過(guò)多個(gè)典型水頭下的變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，1號(hào)

圖1　試驗(yàn)水頭114.8 m下機(jī)組振動(dòng)擺度平均峰峰值圖

圖2　不同水頭下上機(jī)架X、Y向振動(dòng)平均峰峰值圖

機(jī)組的振動(dòng)擺度趨勢(shì)大體一致，圖1展示了114.8 m水頭下，機(jī)組多個(gè)測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)擺度平均峰峰值隨轉(zhuǎn)速變化的趨勢(shì)圖。從圖1中可以看出，上機(jī)架、下機(jī)架、定子機(jī)架和頂蓋各向的振動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)并不明顯，轉(zhuǎn)速較小時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，幅值逐漸增大，隨后轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，振動(dòng)幅值趨于平緩，平均峰值均未超過(guò)80 μm；上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)各向擺度平均峰峰值隨著轉(zhuǎn)速的變化，整體幅值波動(dòng)較小，在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，幅值逐漸增大，在較高轉(zhuǎn)速時(shí)，幅值波動(dòng)趨于平緩，沒(méi)有較大變化，擺度幅值主要在80～160 μm之間波動(dòng)。從整體分析可以看出，機(jī)組不存在明顯的機(jī)械不平衡現(xiàn)象。

2.2變勵(lì)磁

由于機(jī)組電磁方面產(chǎn)生的干擾力而引起的振動(dòng)，并可能導(dǎo)致機(jī)組的不穩(wěn)定運(yùn)行，這種振動(dòng)稱為機(jī)組的電磁振動(dòng)(電氣振動(dòng))。變勵(lì)磁試驗(yàn)可以有效檢驗(yàn)出機(jī)組是否存在異常的電磁振動(dòng)。圖2為4個(gè)不同試驗(yàn)水頭下，上機(jī)架X向和Y向振動(dòng)平均峰峰值隨勵(lì)磁變化的趨勢(shì)圖。從圖2可以看出，上機(jī)架各向的振動(dòng)幅值的離散性較小，隨著勵(lì)磁電壓的變化，幅值波動(dòng)較小，沒(méi)有出現(xiàn)異常且較大振動(dòng)幅值，同時(shí)隨著試驗(yàn)水頭的不同，上機(jī)架振動(dòng)沒(méi)有呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。通過(guò)分析機(jī)組其他部件的振動(dòng)擺度值(受篇幅限制，未列出)，與上機(jī)架的變化趨勢(shì)較為一致。通過(guò)分析可以認(rèn)為，1號(hào)機(jī)組不存在異常電氣振動(dòng)的。

2.3變負(fù)荷

在影響機(jī)組振動(dòng)的三大因素中，水力振動(dòng)有可能會(huì)給電站的安全運(yùn)行帶來(lái)更大的影響。變負(fù)荷試驗(yàn)主要檢驗(yàn)機(jī)組是否存在不穩(wěn)定的水力振動(dòng)，尤其是由低頻渦帶引起的尾水管壓力脈動(dòng)。表2給出了121.61 m水頭下，部分測(cè)點(diǎn)在不同負(fù)荷工況下的振動(dòng)擺度及壓力脈動(dòng)平均峰峰值。隨著負(fù)荷的不斷增加，上機(jī)架、下機(jī)架、定子機(jī)架和頂蓋各向的振動(dòng)幅值逐漸減小，小負(fù)荷區(qū)域內(nèi)，幅值最大，進(jìn)入大負(fù)荷區(qū)域后，幅值波動(dòng)較小，趨于穩(wěn)定；

表2　　　　水頭為121.61 m部分測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)擺度及壓力

圖3　灘坑水電站1號(hào)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定區(qū)域劃分圖

上導(dǎo)、水導(dǎo)和下導(dǎo)各向擺度幅值與機(jī)組振動(dòng)趨勢(shì)一致，即隨著負(fù)荷的不斷增加，幅值逐漸減小；壓力脈動(dòng)的變化趨勢(shì)不同于機(jī)組的振動(dòng)擺度變化，隨著負(fù)荷的增加，壓力脈動(dòng)先增大后減少，在負(fù)荷80～120 MW之間，出現(xiàn)最大值，在105 MW工況下，尾水管進(jìn)人門測(cè)點(diǎn)處，壓力脈動(dòng)幅值為281 kPa。

通過(guò)頻譜分析，80～120 MW區(qū)間內(nèi)，尾水管內(nèi)的壓力脈動(dòng)主頻與機(jī)組振動(dòng)擺度頻率一致，同時(shí)多個(gè)測(cè)點(diǎn)處的振動(dòng)擺度值在此區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)了局部峰值，可以認(rèn)為，尾水管的壓力脈動(dòng)引起的機(jī)組振動(dòng)擺度變化。

3機(jī)組運(yùn)行區(qū)域劃分

通過(guò)對(duì)1號(hào)機(jī)組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析處理，其過(guò)程涵蓋了變轉(zhuǎn)速、變勵(lì)磁和變負(fù)荷等多種工況，研究發(fā)現(xiàn)機(jī)組主要受水力因素的影響和限制，為此，將機(jī)組的全負(fù)荷范圍劃分為3個(gè)區(qū)域：小負(fù)荷區(qū)、渦帶工況區(qū)和大負(fù)荷區(qū)，如圖3所示。

3.1小負(fù)荷區(qū)

小負(fù)荷區(qū)主要是指從空載工況至渦帶工況下限的區(qū)域。1號(hào)機(jī)組小負(fù)荷區(qū)域的上限約為60～80 MW。在此區(qū)間內(nèi)，尾水管內(nèi)的壓力脈動(dòng)幅值較小，機(jī)組的振動(dòng)和擺度幅值出現(xiàn)最大值。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，機(jī)組在此區(qū)間內(nèi)的效率較低，不宜長(zhǎng)期運(yùn)行。

3.2渦帶工況區(qū)

渦帶工況區(qū)主要是由于尾水管低頻渦帶引起較大的壓力脈動(dòng)，進(jìn)而引起機(jī)組的振動(dòng)和擺度增大，造成機(jī)組的不穩(wěn)定運(yùn)行。1號(hào)機(jī)組渦帶工況區(qū)約為85～135 MW。在此區(qū)間內(nèi)，機(jī)組尾水管內(nèi)出現(xiàn)較大的壓力脈動(dòng)幅值，其主頻多為低頻成份，同時(shí)出現(xiàn)在機(jī)組的振動(dòng)和擺度幅值的主頻信號(hào)中，機(jī)組應(yīng)避開該區(qū)域運(yùn)行。

3.3大負(fù)荷區(qū)

大負(fù)荷區(qū)主要是指渦帶工況上限至額定負(fù)荷之間的區(qū)域。

在大負(fù)荷區(qū)內(nèi)，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定良好，機(jī)組效率較高。機(jī)組振動(dòng)擺度幅值均小于小負(fù)荷區(qū)和渦帶工況區(qū)，其信號(hào)主頻主要為機(jī)組轉(zhuǎn)頻，同時(shí)尾水管內(nèi)的壓力脈動(dòng)也趨于平緩。該區(qū)域是機(jī)組的最佳運(yùn)行區(qū)間，建議在此區(qū)間運(yùn)行。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)灘坑水電站1號(hào)機(jī)組振動(dòng)區(qū)試驗(yàn)研究，對(duì)機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定區(qū)域進(jìn)行了劃分，包括小負(fù)荷區(qū)、渦帶工況區(qū)和大負(fù)荷區(qū)。小負(fù)荷區(qū)內(nèi)機(jī)組振動(dòng)擺度較大、效率較低；渦帶工況區(qū)內(nèi)，機(jī)組出現(xiàn)較大的壓力脈動(dòng)幅值，造成機(jī)組的振動(dòng)擺度幅值增大；大負(fù)荷區(qū)內(nèi)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性良好，建議機(jī)組在大負(fù)荷區(qū)內(nèi)運(yùn)行。由于試驗(yàn)條件有限，全面掌握機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性，需要在更多的水頭下進(jìn)行。

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Study and Analysis on Tests of Vibration Range of Unit 1, Tankeng Hydropower Station

GUO Zhijun, WANG Weiyu

(Zhejiang Zheneng Hydropower Management Co., Ltd., Hangzhou310020, China)

Abstract:As a station to regulate peak and frequency of the regional load, it is significant to secure the stable operation of units of Tankeng Hydropower Station. To identify the safety and stable operation range of the mixed flow unit 1, variable rotation speed, variable excitation and variable load under typical head are tested on true unit. The test results show that the integrated unit operation stability is excellent. Finally, the unit operation range is divided into low-load range, partial load range and high load range.Key words:mixed flow unit; vibration; test

文章編號(hào)：1006—2610(2016)03—0069—03

收稿日期：2016-01-30

作者簡(jiǎn)介：郭智俊(1981- )，男，山東省安丘市人，工程師，主要從事水電站運(yùn)行維護(hù)管理工作.

中圖分類號(hào)：TV737

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI:10.3969/j.issn.1006-2610.2016.03.018