補(bǔ)氣減振在沙河抽水蓄能電站黑啟動(dòng)中的應(yīng)用

朱小山

（江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽(yáng) 213333）

0 引言

振動(dòng)現(xiàn)象在水輪機(jī)的工作中是普遍存在的，但這個(gè)現(xiàn)象卻很難避免，因素有許多方面，比如操作、檢測(cè)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、裝配等多方面的因素。但水力機(jī)組的機(jī)械機(jī)構(gòu)會(huì)由于嚴(yán)重的振動(dòng)受到破壞，因而大大降低了機(jī)組的輸出負(fù)荷和工作效能，在穩(wěn)定運(yùn)行方面出現(xiàn)的問(wèn)題越來(lái)越突出。沙河抽水蓄能電站（簡(jiǎn)稱沙河電站）屬于可逆混流式發(fā)電機(jī)組，由于它固有的構(gòu)造特點(diǎn)，即在低負(fù)荷時(shí)形成的偏心渦帶使得發(fā)電機(jī)振動(dòng)加大，嚴(yán)重影響了發(fā)電機(jī)的平穩(wěn)工作。尤其是在黑啟動(dòng)工作過(guò)程中，若機(jī)組長(zhǎng)期以低負(fù)載工作，將對(duì)機(jī)組的機(jī)械部分產(chǎn)生影響，導(dǎo)致機(jī)組內(nèi)各緊固件螺栓松動(dòng)，并將使導(dǎo)葉上軸套的摩擦片脫落，如導(dǎo)葉端面密封固定螺栓、導(dǎo)葉上軸套固定螺栓松動(dòng)，尾水管攔污柵固定螺栓松動(dòng)或固定焊接板開焊脫落等，同時(shí)振動(dòng)的加大也使得瓦溫有所升高。因此，采取方便可行的方式減小機(jī)組振動(dòng)尤為必要。沙河電站根據(jù)自身機(jī)組特點(diǎn)，選擇通過(guò)頂蓋補(bǔ)氣的方式開展低負(fù)荷補(bǔ)氣試驗(yàn)，取得了良好的效果。

1 低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行現(xiàn)狀

2008年沙河電站被列為江蘇省電網(wǎng)的黑啟動(dòng)電源點(diǎn)之一，并于2008年4月成功進(jìn)行了一次黑啟動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)期間，1號(hào)機(jī)組一直保持在3 MW左右負(fù)荷運(yùn)行。該負(fù)荷區(qū)，機(jī)組頂蓋、尾水管等振動(dòng)都很大，水導(dǎo)瓦溫較正常運(yùn)行高，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行對(duì)水輪機(jī)各機(jī)械部分都會(huì)產(chǎn)生不利影響，必須采取有效措施減小機(jī)組振動(dòng)。機(jī)組每天正常發(fā)電，隨著水位下降，機(jī)組會(huì)進(jìn)入低水位運(yùn)行區(qū)間。上庫(kù)正常運(yùn)行水位為120 m～136 m，隨著水位下降至125 m以下，機(jī)組各部分振動(dòng)逐漸加劇，從125 m～120 m，兩臺(tái)機(jī)組發(fā)電運(yùn)行約1.5 h，一臺(tái)機(jī)組要運(yùn)行約3 h，機(jī)組每天要在低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行約3 h/臺(tái)，兩臺(tái)機(jī)組低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)。

根據(jù)沙河電站不同水位及負(fù)荷情況下振動(dòng)曲線分析，上庫(kù)水位從125 m～120 m區(qū)間振動(dòng)較大，低負(fù)荷情況下振動(dòng)明顯增大。為減小振動(dòng)，沙河電站在增加補(bǔ)氣裝置前采取了低水位減負(fù)荷的方法來(lái)緩解。除黑啟動(dòng)外，機(jī)組禁止在低負(fù)荷區(qū)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

沙河電站黑啟動(dòng)試驗(yàn)需要1號(hào)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷（3 MW左右）運(yùn)行。水泵水輪機(jī)一般以水泵方式設(shè)計(jì)，在額定負(fù)荷時(shí)機(jī)組能夠穩(wěn)定運(yùn)行，若遠(yuǎn)離最優(yōu)工況運(yùn)行，機(jī)組會(huì)出現(xiàn)較大的振動(dòng)，將對(duì)機(jī)組機(jī)械部分造成負(fù)面影響，因此減振措施勢(shì)在必行。

2 采用頂蓋補(bǔ)氣裝置的作用

在機(jī)組低出力區(qū)域，通過(guò)頂蓋設(shè)置的補(bǔ)氣管路向轉(zhuǎn)輪室內(nèi)充入空氣，可減小排水管路的真空度，破壞由于轉(zhuǎn)輪出口水流切向分力引起的螺旋形渦帶，以及由此引起的如上、下導(dǎo)的擺動(dòng)、蝸殼及引水管道的壓力脈動(dòng)、負(fù)荷的波動(dòng)、水力共振等現(xiàn)象，從而改善機(jī)組的運(yùn)行狀況。采用頂蓋補(bǔ)氣裝置向水輪機(jī)的空蝕區(qū)域補(bǔ)氣，可減輕機(jī)組的轉(zhuǎn)輪、葉片及導(dǎo)水機(jī)構(gòu)等的空蝕破壞。原因是：①由于補(bǔ)氣使水流中的環(huán)境壓力得以提高，使部分空蝕汽泡不可能膨脹到其臨界汽蝕點(diǎn)值上，這樣就不能形成能破壞過(guò)流表面的空蝕汽泡，沒(méi)有空蝕汽泡的產(chǎn)生就沒(méi)有空蝕破壞的形成；②由于空氣的補(bǔ)入改善了水流的密度等特性，降低了可形成汽泡的高速射流的沖擊力，達(dá)不到一定的沖擊力，空蝕汽泡也不易形成。

3 補(bǔ)氣減振課題確定

2008年3月初，江蘇省電力調(diào)度通信中心確定將沙河電站作為黑啟動(dòng)電源點(diǎn)后，沙河電站高度重視，并充分意識(shí)到長(zhǎng)時(shí)間低負(fù)荷運(yùn)行對(duì)機(jī)組的負(fù)面影響，決定將低負(fù)荷減振作為一個(gè)研究試驗(yàn)課題來(lái)安排落實(shí)。

課題確定后，相關(guān)人員認(rèn)真組織咨詢、調(diào)研。咨詢江蘇電試院及華東電試院，均未對(duì)低負(fù)荷減振提供實(shí)質(zhì)性意見，但從潘家口電站了解到補(bǔ)氣減振有一定效果。雖經(jīng)了解，調(diào)試期ALSTOM督導(dǎo)也曾對(duì)機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)氣減振，但效果不大未使用，但考慮到當(dāng)時(shí)不是低負(fù)荷試驗(yàn)，故仍決定再進(jìn)行實(shí)際試驗(yàn)。

4 補(bǔ)氣方式選擇

可以減小振動(dòng)的方法有很多，如大軸中心孔補(bǔ)氣、頂蓋補(bǔ)氣、尾水管補(bǔ)氣等，我國(guó)一些水電廠根據(jù)自身情況對(duì)于補(bǔ)氣減振這一技術(shù)進(jìn)行了不同的試驗(yàn)和應(yīng)用。沙河電站水泵水輪機(jī)在抽水啟動(dòng)工況過(guò)程中需要向轉(zhuǎn)輪室注入高壓氣體，因此設(shè)計(jì)了從頂蓋補(bǔ)氣的管路?？紤]到大軸中心孔補(bǔ)氣改造難度很大，尾水管補(bǔ)氣一般效果較差，而機(jī)組的回水排氣管可同時(shí)作為頂蓋補(bǔ)氣管使用。經(jīng)綜合考慮，決定采用頂蓋補(bǔ)氣方式進(jìn)行減振。為方便開展試驗(yàn)，根據(jù)現(xiàn)有的管路設(shè)計(jì)了低壓補(bǔ)氣回路，如圖1。設(shè)置兩臺(tái)螺桿式空壓機(jī)、一個(gè)補(bǔ)氣罐，向兩臺(tái)機(jī)組頂蓋補(bǔ)氣，補(bǔ)氣罐容量為1 m3，補(bǔ)氣壓力0.7 MPa,流量3.0 m3/min。

圖1 補(bǔ)氣回路圖

5 補(bǔ)氣試驗(yàn)效果分析

5.1 低負(fù)荷補(bǔ)氣試驗(yàn)

2008年4月21日完成了1號(hào)、2號(hào)機(jī)低負(fù)荷（3 MW）時(shí)上庫(kù)水位131 m左右的補(bǔ)氣試驗(yàn)，補(bǔ)氣壓力為0.3 MPa～0.6 MPa，表1為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表1 1號(hào)、2號(hào)機(jī)頂蓋補(bǔ)氣試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

頂蓋振動(dòng)由3.6～3.7 m/s2降至3.1～3.2 m/s2，尾水管振動(dòng)由2.0～2.1 m/s2降至0.6～0.7m/s2。

試驗(yàn)結(jié)果表明，頂蓋補(bǔ)氣對(duì)尾水管減振產(chǎn)生了明顯作用，可減少尾水管振動(dòng)70%左右,對(duì)頂蓋減振也一定作用，可減少頂蓋振動(dòng)10%以上。

5.2 黑啟動(dòng)補(bǔ)氣試驗(yàn)

2008年4月24日進(jìn)行了江蘇電網(wǎng)（沙河電站）黑啟動(dòng)試驗(yàn)。1號(hào)機(jī)低負(fù)荷運(yùn)行約4 h，在此期間，1號(hào)機(jī)持續(xù)頂蓋補(bǔ)氣，機(jī)組振動(dòng)一直很平穩(wěn)，氣罐壓力維持在1.2～1.3 MPa，頂蓋振動(dòng)由4.0 m/s2左右降至3.5 m/s2左右；尾水管振動(dòng)由2.0 m/s2左右（最大時(shí)達(dá)到6 m/s2）降至0.7 m/s2。圖2為1號(hào)機(jī)尾水管振動(dòng)曲線。

圖2 1號(hào)機(jī)尾水管振動(dòng)曲線

由圖2可以看出，1號(hào)機(jī)在啟動(dòng)以后尾水管振動(dòng)在2 m/s2附近變動(dòng)，而且波幅較大，極不穩(wěn)定。在打開補(bǔ)氣閥以后尾水管振動(dòng)開始下降，并且振動(dòng)幅度大幅下降，振動(dòng)趨于穩(wěn)定，降低了對(duì)水力設(shè)備設(shè)施的影響。

黑啟動(dòng)試驗(yàn)完成后，對(duì)整個(gè)機(jī)組的所有機(jī)械部分進(jìn)行仔細(xì)檢查，未發(fā)現(xiàn)固定螺栓有松動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)葉摩擦片也沒(méi)有掉落，其他機(jī)械部分也沒(méi)有異常現(xiàn)象。說(shuō)明補(bǔ)氣對(duì)機(jī)組機(jī)械部分，尤其是水輪機(jī)機(jī)械部分形成了很好的減振效果。

6 補(bǔ)氣效果評(píng)價(jià)

沙河電站的頂蓋補(bǔ)氣系統(tǒng)從2008年用高壓氣罐降壓補(bǔ)氣到2011年低壓補(bǔ)氣系統(tǒng)的正式投運(yùn)，不僅實(shí)現(xiàn)了最初的兩大目標(biāo)：減小機(jī)組黑啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)機(jī)組振動(dòng)、保證低壓氣系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行，同時(shí)還為設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間空載調(diào)試（如勵(lì)磁改造）提供了保障。總體來(lái)講，該項(xiàng)目以較小的成本實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期的利益回報(bào)。

7 補(bǔ)氣減振方案的實(shí)施和改進(jìn)

通過(guò)頂蓋補(bǔ)氣試驗(yàn)產(chǎn)生了良好的效果，沙河電站將補(bǔ)氣減振作為黑啟動(dòng)試驗(yàn)的一項(xiàng)常規(guī)步驟列入了黑啟動(dòng)流程，并將補(bǔ)氣減振操作作為一項(xiàng)定期試驗(yàn)列入運(yùn)行日常工作，為江蘇電網(wǎng)的黑啟動(dòng)電源點(diǎn)提供可靠的安全保障。

沙河電站的補(bǔ)氣裝置目前采用全手動(dòng)操作，補(bǔ)氣閥調(diào)到最大，沒(méi)有補(bǔ)氣量的計(jì)量。這種用手動(dòng)補(bǔ)氣方式還存在不足，一方面不符合自動(dòng)化水電廠無(wú)人值班的理念，另一方面補(bǔ)氣量沒(méi)有具體的數(shù)據(jù)分析，單純的把空氣壓縮機(jī)開啟，補(bǔ)氣閥開到最大，達(dá)不到補(bǔ)氣的最佳效果。下一步建議應(yīng)在補(bǔ)氣回路安裝氣體流量計(jì)，用于計(jì)量黑啟動(dòng)過(guò)程中的頂蓋補(bǔ)氣量，同時(shí)將手動(dòng)補(bǔ)氣閥改為電動(dòng)調(diào)節(jié)補(bǔ)氣閥。采用正反饋調(diào)節(jié)原理，通過(guò)PLC程序根據(jù)監(jiān)測(cè)的振動(dòng)數(shù)據(jù)，自動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開度，從而達(dá)到最佳補(bǔ)氣減振效果。加入自動(dòng)控制手段，既可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)氣，還可以達(dá)到節(jié)能的目的。

8 結(jié)束語(yǔ)

沙河電站在低負(fù)荷區(qū)域的頂蓋補(bǔ)氣裝置，取得了非常理想的補(bǔ)氣減振效果，特別是尾水管振動(dòng)，降低了70%以上，補(bǔ)氣過(guò)程中，沒(méi)有對(duì)其他機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生不利影響。這種補(bǔ)氣減振方式是合理的，為今后其他抽水蓄能機(jī)組降噪減振提供了運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。