水力機(jī)組振動停機(jī)保護(hù)方法研究

趙 國 建， 先 嘉， 方 偉， 王 謙

(四川中鼎科技有限公司， 四川 成都 610046)

1 概 述

隨著社會對電力需求的增加和人們環(huán)保意識的提高，水力發(fā)電作為可再生和清潔能源的重要性逐漸被人們所認(rèn)知。我國河流水能資源蘊藏量達(dá)6.76億kW，年發(fā)電量為5.92萬億kWh；可開發(fā)水能資源的裝機(jī)容量3.78億kW，年發(fā)電量為1.92萬億kWh。不論是水能資源蘊藏量還是可開發(fā)的水能資源，我國在世界各國中均位居第一位。

水電站機(jī)組的過速保護(hù)、振動保護(hù)和繼電保護(hù)是安全運行的重要保障，是水力發(fā)電機(jī)組乃至水電站安全運行的最后一道防線，對于水電站的安全穩(wěn)定運行關(guān)系重大。目前，機(jī)組過速和過電壓的保護(hù)手段已日趨成熟完善，甚至還有多重保護(hù)措施，但由于水力機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝、安裝條件和運行管理具有不同特點，做出準(zhǔn)確且可靠的振動保護(hù)難度極大，導(dǎo)致其成為水電站安全穩(wěn)定運行、無人值班和智慧電廠建設(shè)的制約條件和安全隱患。國內(nèi)大中型機(jī)組為了監(jiān)測機(jī)組的運行穩(wěn)定性和保護(hù)機(jī)組，耗費巨資為每臺機(jī)組安裝了振動擺度在線監(jiān)測系統(tǒng)，其目的是監(jiān)測并保護(hù)機(jī)組不遭受異常振動破壞。但由于對水力機(jī)組復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特點和穩(wěn)定性特性缺乏深入的研究與分析，通常孤立地從機(jī)組振動的幅值、頻率、工況上判斷并做出報警或停機(jī)信號，效果欠佳[1]。由于水力機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點和振區(qū)特性與其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械如汽輪機(jī)組有很大區(qū)別，因此，簡單地套用旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動測量和分析的理論通常會導(dǎo)致在實際應(yīng)用中誤發(fā)信號。為安全起見，這些在線監(jiān)測裝置均退出了停機(jī)保護(hù)控制功能。由于現(xiàn)有的振動監(jiān)測裝置未能實現(xiàn)對水力機(jī)組振動的停機(jī)保護(hù)，且其僅作為越限報警使用，因此會導(dǎo)致在水力機(jī)組振動事故發(fā)生時機(jī)組有效保護(hù)的缺失，極有可能造成事故的擴(kuò)大和機(jī)組的永久性損壞[2]。為此，各發(fā)電企業(yè)必須采取加強機(jī)組運行穩(wěn)定性的管理來預(yù)防事故的發(fā)生。雖然水力機(jī)組振動保護(hù)的重要性和重視程度與日俱增，同時相關(guān)業(yè)主和廠商也做出了不懈的努力和探索，但由于缺乏對機(jī)組結(jié)構(gòu)特點和真機(jī)振動形態(tài)的分析研究，迄今為止，還沒有一種有效的辦法對機(jī)組的振動停機(jī)實施保護(hù)。

國內(nèi)外由于水電站機(jī)組異常振動造成的典型事故和案例亦很多[3]。輕者造成軸承燒瓦，機(jī)架螺釘斷裂；重者導(dǎo)致發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子掃膛[4]；更有嚴(yán)重者，如俄羅斯薩揚電站幾乎遭受毀滅性破壞[5]。但到目前為止，還沒有一種可靠的解決辦法能滿足當(dāng)前無人值班和智慧電廠建設(shè)的要求，因此，研究一種可靠且有效的水力機(jī)組振動保護(hù)方法尤為重要且極為迫切。在水力發(fā)電裝機(jī)規(guī)模迅速擴(kuò)大的同時，保障水電站發(fā)電機(jī)組安全穩(wěn)定運行也成為重大任務(wù)。筆者介紹了一種用于水力機(jī)組振動停機(jī)保護(hù)的方法，該方法已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)。

該方法基于筆者長期對水電站自動化、結(jié)構(gòu)改造、振動試驗、穩(wěn)定性監(jiān)測以及對機(jī)組制造、軸線調(diào)整和瓦隙分配進(jìn)行的技術(shù)分析，結(jié)合多年來對大中型水力發(fā)電機(jī)組的檢修、運行和試驗的經(jīng)驗總結(jié)，提出了一種水力機(jī)組振動事故停機(jī)保護(hù)的方法，其關(guān)鍵技術(shù)為：當(dāng)機(jī)組發(fā)生振動事故時，關(guān)鍵測點(第一測點)的振動值會發(fā)生瞬時躍變，且符合其結(jié)構(gòu)特點和穩(wěn)定性特征時的關(guān)聯(lián)測點(第二測點)亦會出現(xiàn)相應(yīng)的瞬時躍變(必要時引入第三測點的躍變判別)。據(jù)此判斷機(jī)組振動事故發(fā)生并停機(jī)，進(jìn)而能夠避免機(jī)組遭受嚴(yán)重?fù)p壞，該方法適用于大中型水力機(jī)組的振動事故停機(jī)保護(hù)。筆者詳細(xì)介紹該方法的研究與實施過程。

2 水力機(jī)組振動特性和振動保護(hù)的關(guān)鍵

2.1 水力機(jī)組的結(jié)構(gòu)特點和振動特性

由于大中型水力機(jī)組均為立式機(jī)組，同時因水電站均建設(shè)在高山峽谷之間，主機(jī)設(shè)備一般采用水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)單獨制造或分瓣制造、分瓣運輸、工地組裝。其轉(zhuǎn)動部分主要為水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)兩部分，主軸亦分為水輪機(jī)軸和發(fā)電機(jī)軸，在制造廠不可能對整個轉(zhuǎn)動部分進(jìn)行精確的組合加工，因而不能在制造環(huán)節(jié)保證水輪機(jī)軸和發(fā)電機(jī)軸的直線度公差在精準(zhǔn)范圍內(nèi)，亦不可能進(jìn)行轉(zhuǎn)動部件的動平衡。且因工地的組裝受現(xiàn)場條件制約、制造工藝的限制造成了水力機(jī)組在結(jié)構(gòu)和特性方面存在影響穩(wěn)定運行的固有缺陷和不利因素。因此水力機(jī)組的結(jié)構(gòu)和運行穩(wěn)定性具有以下特征：

(1)水輪機(jī)軸和發(fā)電機(jī)軸為分段制造并在工地組裝。工地進(jìn)行軸線調(diào)整后水輪機(jī)軸和發(fā)電機(jī)軸的直線度仍然存在極大的偏差，在空間上不是一條直線，即發(fā)電機(jī)軸和水輪機(jī)軸的連接法蘭處有拐點。機(jī)組的轉(zhuǎn)動軸在空間上為兩段折線組成，其折線的形態(tài)和方位比較復(fù)雜，且每臺機(jī)組的拐點和空間軸線亦不相同，必然導(dǎo)致機(jī)組運行時每臺機(jī)組表現(xiàn)出來的振動特性不相同。

(2)由于受水輪機(jī)不同負(fù)荷區(qū)通過水輪機(jī)的水流流態(tài)影響，客觀上存在變化的水壓脈動，進(jìn)而造成機(jī)組在不同工況下存在不同的振動特性和振動區(qū)，這也是水力機(jī)組與其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動不相同的地方。

(3)由于分瓣制造的機(jī)組轉(zhuǎn)動部件在工地組裝時必然會產(chǎn)生重量失衡，運行時，隨著轉(zhuǎn)速升高會產(chǎn)生較大的重力不平衡力，亦為導(dǎo)致水力機(jī)組振動擺度比其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械更大的原因之一。

(4)水力機(jī)組導(dǎo)軸承的同心度調(diào)整和瓦隙分配亦受到多種因素制約，進(jìn)而很難保證精確對中，客觀上造成機(jī)組大軸在運行中呈現(xiàn)自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)相結(jié)合的旋轉(zhuǎn)姿態(tài)，并受到各軸承軸瓦不同油膜壓力的影響。

因此，水力發(fā)電機(jī)組的振動擺度與其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械如汽輪機(jī)所表現(xiàn)出的振動特性是不同的，而每一臺機(jī)組在每一次大修后運行的振動狀況亦不相同。機(jī)組的穩(wěn)定運行工況其實是在各種復(fù)雜因素制約下形成的動態(tài)平衡，也是脆弱的平衡，一旦某個影響因素發(fā)生改變，其穩(wěn)定的動態(tài)平衡將會被打破，意味著除眾所周知的機(jī)械、電氣和水力因素影響水力機(jī)組的穩(wěn)定性外，普遍被忽略的因素還有機(jī)組大軸軸線調(diào)整狀況、各導(dǎo)軸承的軸承中心情況以及瓦隙調(diào)整及受力狀況等。因此對水力機(jī)組的穩(wěn)定性評估和振動事故的判斷必須結(jié)合其結(jié)構(gòu)特點和振動特性進(jìn)行綜合分析、運算和判斷。

2.2 振動事故保護(hù)的關(guān)鍵

筆者結(jié)合對水力機(jī)組的結(jié)構(gòu)分析、振動測試和穩(wěn)定性特點以及對機(jī)組制造、安裝和調(diào)整經(jīng)驗總結(jié)，研究并提出了一種水力機(jī)組振動事故停機(jī)保護(hù)方法。其關(guān)鍵技術(shù)在于根據(jù)機(jī)組結(jié)構(gòu)特征和振動特性，選擇機(jī)組中一個具有代表性的振動特征測點作為第一測點。同時，根據(jù)機(jī)組失衡狀態(tài)、軸線調(diào)整、振動形態(tài)的情況選擇相關(guān)性緊密的另一個測點作為第二測點，并根據(jù)每臺機(jī)組實際運轉(zhuǎn)的空間軸線形態(tài)選擇與第一測點所處軸承部位在軸向上相鄰的軸承部位的測點作為第三測點。在獲取第一測點的第一振動躍變值發(fā)生后，判斷第一振動躍變值是否超過第一預(yù)設(shè)安全閾值；在第一振動躍變值超過第一預(yù)設(shè)安全閾值時，獲取第二測點的振動躍變值并判斷第二振動躍變值是否超過第二預(yù)設(shè)安全閾值；在判斷第二振動躍變值超過第二預(yù)設(shè)安全閾值時，獲取第三測點的振動躍變值并判斷第三振動躍變值是否超過第三預(yù)設(shè)安全閾值，并對水力機(jī)組進(jìn)行振動事故停機(jī)保護(hù)。該振動保護(hù)方法基于第一測點和第二測點以及第三測點的振動躍變值和安全閾值判斷對水力機(jī)組是否實施停機(jī)保護(hù)，既有效實施對水力機(jī)組的振動保護(hù)，又避免了誤判停機(jī)，進(jìn)而提高了機(jī)組振動事故保護(hù)的可靠性和機(jī)組運行的安全水平。

3 水力機(jī)組振動保護(hù)的具體實施方案

(1) 首先獲取水力機(jī)組各測點的振動躍變值，確定第一測點并判斷其振動躍變值是否超過第一預(yù)設(shè)安全閾值。在超過了第一預(yù)設(shè)安全閾值時，確定與第一測點相關(guān)性緊密的第二測點并獲取第二測點的振動躍變值。再判斷第二振動躍變值是否超過第二預(yù)設(shè)安全閾值，在第二振動躍變值超過第二預(yù)設(shè)安全閾值時，確定與第三測點并獲取第三測點的振動躍變值。在第三振動躍變值超過第三預(yù)設(shè)安全閾值時，對水力機(jī)組實施振動事故停機(jī)保護(hù)(圖1)。

(2)在判斷各測點振動躍變值是否超過預(yù)設(shè)安全閾值之前，該方案還包括根據(jù)水力機(jī)組處于正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)時各測點的振動特性設(shè)定與之相對應(yīng)的安全閾值。

(3)在判斷第一振動躍變值是否超過第一預(yù)設(shè)安全閾值之后，獲取與第一測點相關(guān)的第二測點的第二振動躍變值之前，還包括判斷第一振動躍變值超過第一預(yù)設(shè)安全閾值是否發(fā)生在水力機(jī)組的一個運轉(zhuǎn)周期內(nèi)，如果是，則執(zhí)行獲取與第一測點相關(guān)的第二測點的第二振動躍變值的步驟。

圖1 水力機(jī)組振動停機(jī)保護(hù)流程圖

(4)在判斷第二振動躍變值是否超過第二預(yù)設(shè)安全閾值之后，對水力機(jī)組進(jìn)行振動事故停機(jī)保護(hù)之前，還包括獲取與第一測點相關(guān)的第三測點的第三振動躍變值，判斷第三振動躍變值是否超過第三預(yù)設(shè)安全閾值。

(5)該實施方案中的預(yù)設(shè)安全閾值為建立在機(jī)組振動特性上與運行工況相關(guān)的二維或多維閾值曲線。

(6)第二測點是和第一測點位于同一軸承部位的相鄰測點。第三測點位于與第一測點所處軸承部位在軸向上相鄰的軸承部位。

4 結(jié) 語

隨著水電廠智能化技術(shù)逐漸成為研究的前沿和熱點，越來越多的水電廠業(yè)主和廠商相繼啟動了水電廠智能化建設(shè)的研究和試點。其中，對智能水電廠的水力機(jī)組振擺保護(hù)與狀態(tài)監(jiān)測裝置的架構(gòu)和設(shè)計進(jìn)行了有益的探索，符合水電廠智能化技術(shù)發(fā)展的規(guī)律。

筆者提供的振動停機(jī)保護(hù)解決方法避免了因外在偶然因素引起的測量誤差導(dǎo)致的振動事故停機(jī)保護(hù)誤動作，提高了水力機(jī)組振動事故判別的準(zhǔn)確性，避免了因誤判造成的停機(jī)損失。同時在機(jī)組發(fā)生事故導(dǎo)致振動惡化時，能夠準(zhǔn)確有效地實施對水力機(jī)組的安全保護(hù)，防止事故擴(kuò)大并避免機(jī)組遭受永久性損壞。

該方法可為智能化水電廠機(jī)組振動保護(hù)提供可靠且可行的解決方案，從而在整體上提高我國水力發(fā)電機(jī)組的安全保護(hù)水平。