淺談突變流量對水輪發電機組運行穩定性的影響

盧 偉

（大唐水電科學技術研究院有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

水電作為一種清潔能源，已然在經濟全球化的框架中逐步成為主要的生產生活能源消耗來源[1]，21世紀是我國加速發展水電的時期， 2015年水電總裝機容量超過300 GW這也使得當下水電站的安全穩定運行尤為重要。

1 水輪發電機組狀態監測的意義

水輪發電機組的轉輪有兩大類型，沖擊式和反擊式，沖擊式水輪機只能利用水流動能進行做功，反擊式水輪機則利用水流的位能、壓能、動能做功，故在現今的水輪機制造發展當中，反擊式水輪機類型更為廣泛應用。水流流經這種水輪機時充滿整個轉輪流道，當水輪機水流流態有異常時，不能直接地看出，故此類型的機組運行需要進行長期穩定性監測。當水輪發電機組發生異常振動擺度增大等原因時應通過廠內的監測設備對異常現象進行分析，找到原因去解決機組存在的問題，以達到水輪發電機組長期穩定運行的目的。

2 水輪發電機組主要監測設備

2.1 調速器系統

調速器的選用首先就影響著水輪機的動作特性，作為上位機與水輪機的傳輸執行中間設備，它具有智能化可編程的功能，接收操作調節指令，采用適應式變參數的PID調節規律傳輸至電氣調節裝置，然后經液壓操作系統直接執行對導葉以及槳葉的調節。同時調速器還通過信息量化集成在人機界面里顯示并存儲著水輪發電機組的運行狀態參數，包括機組的開機停機時長記錄、導槳葉調節記錄以及機組有功運行曲線的監測記錄等。

2.2 機組在線監測振擺系統

機組在線監測振擺系統對機組的振動監測是必不可少的，也是最重要的部件之一，在大多數電廠站中，該系統時常被忽略維護而導致故障停用，對機組的狀態不能及時了解及跟進也側面影響著機組的安全運行，該系統的主要功能有[2]：①對水輪發電機組振擺狀態實時監測；②設置越限報警值，可讓電廠站人員及時采取措施避免設備造成較大傷害；③對機組的軸系擺度以及軸承支架的振動實時采集、頻譜特征顯示實時波形顯示等；④建立有完善的實時數據庫和歷史數據庫；⑤能夠對典型的運行工況進行錄波分析；⑥與后臺上位機實現互通數據，協同廠站內電量監控裝置形成全站監測系統；⑦提供多個擴建模組對機組進行擴大監測范圍。

3 水輪機組異常現象特征分析及處理

異常現象主要表現在水導擺度大，油盆頂蓋徑向振動大，影響機組軸瓦的壽命；油溫瓦溫相繼升高有非計劃停運風險，從而造成相應的經濟損失。水導擺度大主要是因水力流動與轉輪不匹配導致，進水不暢有突變流量[3]。

3.1 協聯曲線運用不佳

轉槳式機組轉輪協聯曲線運用欠佳。

某電站為無調節庫容電站裝機2臺，機組形式為燈泡貫流式水輪發電機組，當單臺機組運行時，接地調指令增開另一臺機組補充電網容量時，因凈水位迅速下降導致在運機組在非協聯工況運行，機組擺度振動大，效率變低，對機組產生危害。如圖1所示，機組調節能力比凈水頭變化要滯后，導致機組振動擺度變大，機組工況不穩定。

圖1 無調節庫容電站機組轉非協聯工況運行示意圖

在汛期流量不確定的時段以及取水口處的雜物堆積，使水輪發電機組在實際運行當中會存在較大水頭變化和凈水頭損失，從而設計出廠協聯曲線可能在不同江河、不同電站的實際運用效果欠佳，導致機組處于非協聯工況運行，通過監測設備就能反映出相應的特征表現[4]：機組振動擺度趨勢上升，瓦溫油溫有相應升高趨勢，以及調速系統上有功出力不穩定，調速系統調節頻繁。因此，為讓機組過流符合當前水頭工況，應手動破壞協聯關系即增減輪槳葉開度（槳葉手動增開如圖2所示）或者人工抬高協聯水頭設定值（使機組工況從a點調至b點運行如圖2所示），使得機組出力改變并且擺度振動回歸正常值范圍。

圖2 協聯曲線調整策略方法

3.2 軸系偏移、質量偏心

通過機組在線監測振擺系統可量化分析得出機組部分位置振動擺度大且有明顯頻譜特性，這種情況存在質量偏心、軸系偏移并伴隨動靜干涉疊加作用的可能性較大。

對于連軸較長的立式水輪發電機組，軸系通常容易出現偏移，機組在運行期間特別是空轉態時會呈現一定的振動擺度特征量，與此同時空載工況運行的機組相應的也同樣會出現電磁力不平衡現象。通過電廠站機組在線監測振擺系統可得軸系分析圖，圖3為某電廠發電機質量偏心的三維軸系狀態圖，經動平衡配重后振動擺度明顯改善。

圖3 軸系調整動平衡配重前、后擺度軸系示意圖

經過配重后對該廠此機組開展空轉工況以及空載工況的復測檢測，各振擺數值均有明顯的降低，機組帶負荷運行均有明顯的振擺狀況改善。故而電廠站加強對數據的監視分析對機組的運行以及解決振動擺度超標有理論性幫助。

3.3 轉輪異物卡塞、流量狀態突變

對于小型混流式機組較常見的有異物從攔污柵進入導致過流不暢，水力流量突變，導致擺度較大，存在停運風險。

柬埔寨基里隆水電站3號機組曾在2015年6月13日9時發生非計劃停運事故[3]，通過調速系統的控制監測，機組在9時前未有任何異常，在線監測振擺系統也均未監測到超標報警振擺值，當9時許，水導擺度有不正常階躍值產生，伴隨著溫度監控系統的水導瓦溫緩慢上升，值班人員下至水輪機室發現有濃煙產生，并觸發火災報警裝置，值班人員便執行緊急停機。后經排查3號機組產生濃煙，水導擺度及頂蓋振動大因木塊從進水口攔污柵進入蝸殼再經轉輪室旋轉與空氣圍帶產生摩擦并破壞水力不平衡，使流量突變，轉輪旋轉受力不均，導致了振動擺度增大。

3.4 轉輪葉片失調、過流特征變化。

轉輪葉片失調，對故障點排查需要做到全面且謹慎，結合協聯曲線的正確運用性，通過調速系統上的導葉操作及反饋曲線、槳葉操作及反饋曲線、有功調節曲線，結合機組在線振擺監測系統來共同完成故障點排查的工作是很有必要的。

例如某電站1號軸流轉槳式發電機組，其中槳葉活塞桿卡環、套環及操作架鍵脫落，從而造成機組實際運行中轉輪葉片不能正常復歸，導致在有功調節后處于非協聯關系運行，造成機架振動異常、擺度增大、危害機組安全運行，對于廠內運行人員而言，槳葉開度所在位置在當前情況下無法獲悉。本次轉輪葉片失調分析排查流程如下[5]：

（1）機組處于靜水態，檢查導葉、槳葉、有功反饋信號值，配合導葉控制環、槳葉操作桿的機械尺的讀數一致性檢查，均正常。

（2）協聯曲線運行的檢查。機組在槳葉開度未知情況下，選擇開機運行，且與同最近的一次負荷運行，橫向比對其他在運機組可知，1號機組實際不在協聯工況下運行。

（3）對機組負荷進行升降調整，利用1章節所述監測系統對升降過程中的導葉、槳葉、有功、振動擺度進行細致的記錄分析檢查。分析發現升負荷過程中槳葉跟隨導葉及有功反饋均正常，升至滿負荷后進行降負荷過程，機組的上導和推力軸承均明顯瞬時增大，如圖4所示，且存在有功降低，但有功反饋曲線呈鋸齒狀。

（4）進一步檢驗導葉、槳葉改變對有功及機組擺度振動的影響。調速系統錄波如圖5、圖6所示。

通過排查及轉輪裝配圖分析，可能存在軸斷裂、卡環套環脫落等損毀現象，槳葉隨動僅在開啟方向跟隨導葉協聯調節，致使機組協聯失調，引起過流突變，機組水力工況惡劣，從而造成機組振動擺度變大和有功波動現象。電廠站在此次處理中結合機組本故障點特點，優先對該機組實施了A級檢修，檢修完畢后該機組恢復正常工作狀態。

圖4 機組降負荷上導擺度、推力軸承擺度波形圖

圖5 導葉槳葉操作錄波圖

圖6 導葉固定、槳葉機手動調節對有功的影響錄波圖

4 小結

通過以上舉例闡述，水輪發電機組在水流反推力的作用下，會產生較大基礎振動和軸系的擺動，通過運用電廠站內的主要監測設備可以及時地了解機組運行狀況掌握機組運行是否存在劣化趨勢，對于電廠站的穩定生產有著重要意義。本文針對水流狀態的變化影響水輪發電機組的穩定性闡述了相關現象描述及處置方式，對通過電廠站內服役的在線監測系統的有效數據分析快速查找定位相同類現象的原因及處理提供有效借鑒。