基于振動(dòng)特性試驗(yàn)的水電機(jī)組穩(wěn)定性分析與評(píng)估

傅 康,賈 嶸,董開松

(1.西安理工大學(xué),西安 710048；2.甘肅省電力科學(xué)研究院，蘭州 7300502)

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基于振動(dòng)特性試驗(yàn)的水電機(jī)組穩(wěn)定性分析與評(píng)估

傅 康1,賈 嶸1,董開松2

(1.西安理工大學(xué),西安 710048；2.甘肅省電力科學(xué)研究院，蘭州 7300502)

水輪發(fā)電機(jī)組作為電力系統(tǒng)中的重要調(diào)頻電源，其安全可靠關(guān)乎整個(gè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。文章以達(dá)拉河口水電站為例，通過振動(dòng)特性試驗(yàn)分析研究了機(jī)組在不同工況下的振動(dòng)擺度值。試驗(yàn)結(jié)果顯示，該電站機(jī)組整體穩(wěn)定性良好，能滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行要求。

水電機(jī)組；振動(dòng)；穩(wěn)定性；狀態(tài)監(jiān)測(cè)

0 前 言

水電作為電力系統(tǒng)中第二大常規(guī)電源，在系統(tǒng)中通常充當(dāng)調(diào)壓、調(diào)頻機(jī)組，其安全穩(wěn)定性關(guān)乎整個(gè)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。大量運(yùn)行資料顯示，水電機(jī)組的大部分故障均能在其振動(dòng)信號(hào)中有所反映；由水力不平衡和電力不平衡引起的機(jī)組異常振動(dòng)也是導(dǎo)致機(jī)組不穩(wěn)定的重要原因[1-3]。因此，開展水電機(jī)組穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)與分析研究具有重要的實(shí)際意義[4]。

振動(dòng)現(xiàn)象是每個(gè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械都必須面對(duì)的難題，水輪發(fā)電機(jī)組也不可避免[5-6]。水輪發(fā)電機(jī)組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在日常運(yùn)行中受電磁、機(jī)械、水力等諸多因素影響，導(dǎo)致其振動(dòng)產(chǎn)生機(jī)理復(fù)雜，表現(xiàn)形式多樣[7-8]。水輪發(fā)電機(jī)組的異常振動(dòng)現(xiàn)象給機(jī)組穩(wěn)定帶來很大影響，其不僅會(huì)損害機(jī)組自身結(jié)構(gòu)，甚至?xí)?dǎo)致電力系統(tǒng)不穩(wěn)定。例如，2009年8月17日，俄羅斯薩彥-舒申斯克水電站發(fā)生了世界水電史上罕見的重大事故，造成75人死亡、13人受傷，電站10臺(tái)機(jī)組全部損壞或損毀，部分廠房結(jié)構(gòu)被摧毀等重大損失。事后經(jīng)調(diào)查，其原因有多方面因素，其中有一條明確指出由于“機(jī)組運(yùn)行中水輪機(jī)軸承振動(dòng)幅值嚴(yán)重超標(biāo)”而未按規(guī)定“卸荷并停機(jī)”，導(dǎo)致渦輪機(jī)組螺樁脫落，最終釀成慘劇。事故現(xiàn)場(chǎng)的一些情況如圖1所示[9]。

圖1 俄羅斯薩彥-舒申斯克水電站事故現(xiàn)場(chǎng)圖片圖

本文以達(dá)拉河口水電站為例，通過機(jī)組的振動(dòng)信號(hào)對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究。

1 電站概況

達(dá)拉河口水電站位于甘肅省迭部縣東南30 km處，規(guī)模為Ⅲ等中型工程，壩高為65 m，總庫(kù)容1 740.0萬(wàn)m3，電站安裝3臺(tái)17.5 MW的水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)52.5 MW，多年平均發(fā)電量2.73億kWh，工程總投資4.4億元。該電站是目前甘南州最大的水電站。機(jī)組主要參數(shù)如下：

發(fā)電機(jī)

型式及型號(hào) SF17.5-10/3300

額定容量 20 588 kVA

額定電壓 10.5 kV

額定電流 1 132.1 A

額定轉(zhuǎn)速 600 r/min

水輪機(jī)型號(hào) HL(F613)-LJ-155

最大/額定水頭 211.1/1 900/173.8 m

額定功率 17.5 MW

額定流量 10.38 m3/s

額定轉(zhuǎn)速 600 r/min

飛逸轉(zhuǎn)速 1 170 r/min

2 測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)系統(tǒng)采用EN600水輪發(fā)電機(jī)組測(cè)試儀，使用的傳感器有3300和7200型電渦流位移傳感器、低頻振動(dòng)傳感器、3277型壓力傳感器等。試驗(yàn)在下導(dǎo)、水導(dǎo)+x/-y方向各設(shè)置1個(gè)渦流傳感器測(cè)量大軸擺度，測(cè)量擺度相位的渦流傳感器設(shè)置在水導(dǎo)-y方向，上機(jī)架+y方向設(shè)置垂直和水平振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，下機(jī)架+y方向設(shè)置水平振動(dòng)測(cè)點(diǎn)，頂蓋(水導(dǎo)油盆蓋)-y方向設(shè)置垂直和水平振動(dòng)測(cè)點(diǎn)。

3 試驗(yàn)分析

3.1 變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

機(jī)組在不加勵(lì)磁的狀態(tài)下，調(diào)整機(jī)組轉(zhuǎn)速分別穩(wěn)定在300、400、500和600 r/min，測(cè)量機(jī)組各部位振動(dòng)和擺度值，分析機(jī)組的質(zhì)量平衡狀態(tài)。機(jī)組振動(dòng)與機(jī)組轉(zhuǎn)速平方的關(guān)系見圖2。

圖2 機(jī)組振動(dòng)與轉(zhuǎn)速平方的關(guān)系圖

從圖2可以看出，機(jī)組各部位的擺度以及上、下機(jī)架的振動(dòng)均隨機(jī)組轉(zhuǎn)速的增大而增大，其中擺度轉(zhuǎn)頻分量的增大與轉(zhuǎn)速平方基本成線性關(guān)系，這說明機(jī)組軸系存在有不平衡力。從各部位擺度與振動(dòng)數(shù)值來看，下導(dǎo)擺度最大，上機(jī)架水平振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速增加也有明顯的增加，這主要是由于機(jī)組轉(zhuǎn)子存在動(dòng)不平衡力造成的。因此應(yīng)該考慮在機(jī)組轉(zhuǎn)子上進(jìn)行配重以減小不平衡力給機(jī)組造成的影響。

3.2 變勵(lì)磁試驗(yàn)

機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速條件下，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)端電壓分別穩(wěn)定在(25%、50%、75%、100%)Ue(額定端電壓)，測(cè)量機(jī)組各部位振動(dòng)和擺度值。主要分析質(zhì)量力和電磁力的綜合作用下機(jī)組的動(dòng)平衡狀態(tài)。變勵(lì)磁試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

從圖3可以看出，機(jī)組振動(dòng)和擺度隨發(fā)電機(jī)出口電壓的升高略有升高，但其升高的幅度不明顯，說明不平衡的電磁力很小，對(duì)機(jī)組的影響不明顯。

圖3 機(jī)組振動(dòng)與發(fā)電機(jī)出口電壓百分?jǐn)?shù)的關(guān)系圖

3.3 變負(fù)荷試驗(yàn)

在機(jī)組并網(wǎng)的條件下，調(diào)整機(jī)組功率分別穩(wěn)定在0、2、4、5、7、9、11、13、15、17、17.5、19.19(最大)MW，測(cè)量機(jī)組各部位振動(dòng)、擺度值和水壓脈動(dòng)值。分析機(jī)組在不同電磁力及水動(dòng)力的作用下機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性特性。壓力脈動(dòng)通頻幅值與負(fù)荷的關(guān)系見圖4，機(jī)組振動(dòng)擺度通頻幅值與負(fù)荷的關(guān)系見圖5。

圖4 壓力脈動(dòng)通頻幅值與機(jī)組負(fù)荷的關(guān)系圖

圖5 機(jī)組振動(dòng)擺度幅值與負(fù)荷的關(guān)系圖

從圖4、5可以看出，機(jī)組穩(wěn)定性與負(fù)荷的關(guān)系不大，從壓力脈動(dòng)的變化來看機(jī)組的振區(qū)不明顯，在整個(gè)負(fù)荷區(qū)域內(nèi)，機(jī)組的穩(wěn)定性沒有明顯變化。說明水力因素對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性的影響不大，這對(duì)機(jī)組的調(diào)度非常有利。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過上述試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1) 達(dá)拉河口水電站機(jī)組存在明顯的機(jī)械不平衡，建議電站檢修期間對(duì)機(jī)組進(jìn)行重新配重；

(2) 該電站電磁力和水力因素對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性的影響不明顯，機(jī)組振區(qū)不明顯。綜合來看，該電站對(duì)機(jī)組進(jìn)行重新配重后，能夠滿足長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的條件。

[1] 萬(wàn)元,譚振國(guó).基于振動(dòng)特性試驗(yàn)的大型混流式機(jī)組穩(wěn)定性分析與評(píng)估[J].水利水電技術(shù),2014,45(12):15-19.

[2] 肖孝鋒,鄭莉媛,馮正翔，等.二灘水電站機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性研究[J].水力發(fā)電,2006,32(03):76-78.

[3] 李耀軍,常洪軍.小山電站混流式水電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性分析[J].東北電力技術(shù),2011,32(12):17-19.

[4] 麻志成.水電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法研究及應(yīng)用[D].武漢：華中科技大學(xué),2011.

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[6] 周洋.小波分析在旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)監(jiān)測(cè)和故障診斷中的應(yīng)用研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué),2007.

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[8] 彭兵. 基于改進(jìn)支持向量機(jī)和特征信息融合的水電機(jī)組故障診斷[D].武漢：華中科技大學(xué),2008:1-10.

[9] 俄羅斯最大水電站發(fā)生事故7人死亡(組圖)[EB/OL].(2009-08-17)[2016-10-19].http：//news.sina.com.cn/w/p/2009-08-17/150418452253.shtml.

[10] 李永德,李紅偉,張炳成,楊潔,劉灝穎,張嬌.融合粗糙集與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障診斷方法[J].系統(tǒng)保護(hù)與控制，2014(08):90-94.

Analysis and Assessment of Unit Stability Based on Vibration Characteristics Tests

FU Kang1, JIA Rong1, DONG Kaisong2

(1. Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China; 2. Gansu Electric Power Research Institute, Lanzhou 730502, China)

As the important frequency change power supply, safe and liability of the unit is critical for the safety operation of the whole system. With the case of Dalahe Hydropower Station, the vibration throw values are analyzed and studied under the different operating conditions based on the vibration characteristics tests. The test results show that the integral stability of the unit is perfect and can satisfies requirement of the long-term and stable operation. Key words: unit; vibration; stability; status monitoring

1006—2610(2016)05—0063—03

2016-05-11

傅康(1989- )，男，陜西省商洛市人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樗啺l(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測(cè)及故障診斷.

國(guó)家自然基金項(xiàng)目(51279161)——《水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)與局放的監(jiān)測(cè)與診斷》.

TV734.2

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.015