水輪發電機組穩定性試驗分析與運行區域劃分

王利杰，孫 波

(華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030)

水輪發電機組的穩定性能直接關系著水電站的安全運行。水輪發電機組穩定性試驗可以有效獲取機組振動、擺度、壓力脈動等穩定性指標，是掌握機組穩定性能的有效方法。機組穩定性試驗可以檢驗機組設計、制造、安裝或檢修質量，通過分析機組振動特點和規律，了解水力、機械和電磁三種不平衡因素的影響程度，研究振因、分析振源，為機組安裝、檢修及技術改造提供科學依據，還可以掌握機組各種工況下的運行狀態，劃分運行范圍，指導機組安全、穩定運行。本文通過某水電站水輪發電機組穩定性試驗數據分析，結合電站運行實際情況，在全水頭范圍內劃分機組的運行區域，為電站安全運行提供科學依據[1]。

1 某水電站穩定性試驗分析

某水電站安裝6臺單機容量600 MW混流式水輪發電機組，機組最大水頭240 m，最小水頭153 m，額定水頭200 m，額定轉速142.9 r/min。根據電站實際運行情況，劃分機組穩定性試驗水頭工況，其中5號機組試驗水頭如表1所示，試驗負荷工況根據現場運行情況間隔10～20 MW選取一個工況點。

機組穩定性試驗測點包括：上導、下導、水導擺度(X向、Y向)，上機架、下機架、頂蓋振動(水平X向、水平Y向、Z向)、蝸殼進口壓力脈動、尾水進口壓力脈動等。導軸承處擺度幅值通過電渦流傳感器監測，上機架、下機架、頂蓋處振動幅值通過低頻振動傳感器監測，壓力脈動幅值通過動態壓力傳感器監測。機組實時出力、活動導葉開度以及電站上游、尾水水位通過中控室實時監控系統讀取。

限于篇幅，本文僅給出毛水頭209.1 m時5號機組振動、擺度、壓力脈動試驗數據曲線，如圖1～圖3所示。209.1 m毛水頭時，在各試驗負荷工況下5號機組各部位的振動幅值無明顯規律且滿足相關規范標準要求，各導軸承擺度幅值均滿足相關規范標準要求。

表1 某水電站穩定性試驗水頭劃分表 m

圖1 毛水頭209.1 m時5號機組導軸承擺度與有功功率的關系圖

圖2 毛水頭209.1 m時5號機組機架振動與有功功率的關系圖

圖3 毛水頭209.1 m時5號機組壓力脈動與有功功率的關系圖

根據實測數據，導軸承擺度呈現出在某些負荷區域相對較大的規律，與其他負荷區域相比，在此負荷區域導軸承擺度出現1/4倍轉頻0.6 Hz的主要影響頻率，隨著負荷的1/4倍轉頻的影響增加逐漸減小，此現象符合由渦帶引起的水力不穩定規律[2]。機組不同水頭渦帶工況區所在的負荷區域范圍不盡相同，隨著水頭增加向高負荷方向逐漸推移。上導、下導及水導擺度幅值趨勢圖形狀相似，幅值相對較大負荷區間大致相同，趨勢圖形狀相似。

2 機組運行區域劃分原則

1)可長期持續運行區域：結合電廠實際情況，參考國家標準《旋轉機械轉軸徑向振動的測量和評定第5部分：水力發電廠和泵站機組》中劃定的A、B區域[3]，即通常認為振動在此區域內的機器可以無限制地長期運行。

2)不宜長期運行區域：參考國家標準《水輪機基本技術條件》規定，水輪機應在相應水頭下機組保證功率的45%～100%功率范圍內穩定運行[4]，鑒于機組合同未對所有水頭的機組保證出力進行約定，選取試驗過程中相應毛水頭下的機組最大出力的45%為低負荷穩態運行區域。低負荷穩態運行工況做為特殊運行工況的一種，目前還沒有足夠的數據和經驗來建立特殊工況的限制曲線。出于機組安全運行的考慮，建議不宜在此區域長期持續運行。

3)渦帶工況區域：根據實測數據(圖1)，導軸承擺度幅值呈現出在某些負荷區域相對較大的規律，此負荷區域導軸承擺度出現1/4倍轉頻0.6 Hz的主要影響頻率，隨著負荷的增加1/4倍轉頻的影響逐漸減少，此現象符合由渦帶引起的水力不穩定規律。機組不同水頭渦帶工況區所在的負荷區域范圍不盡相同，隨著水頭增加向高負荷方向逐漸推移。建議機組在渦帶工況運行時注意加強巡視。

3 某水電站機組運行區域

依據上文所述的機組運行區域劃分原則，結合試驗數據分析結果，對某水電站6臺機組全水頭下運行區域進行劃分，其中5號機組運行區域見圖4、圖5所示。該電站根據本文所提供的運行區域，在調度允許情況下盡可能控制機組在高負荷運行區域，不僅保證了機組安全穩定運行，而且可以有效降低機組耗水率，提高電站運行的經濟效益。

圖4 某水電站5號機組運行區域排列圖

圖5 某水電站5號機組運行區域分布圖

4 結 語

通過對某水電站水輪發電機組穩定性試驗數據進行分析，滿足相關標準要求同時結合電站實際運行情況，對機組在全水頭范圍內運行區域進行劃分，繪制出運行區域分布圖，為電站機組穩定、安全、高效運行提供科學依據。