构皮滩发电厂600MW机组水轮机高负荷区运行稳定性研究及应用

丁元生 王贵来

（构皮滩发电厂，贵州 余庆 564408）

0 引言

混流式机组由于适用水头范围广，制造技术较为成熟的特点在大型水电站中占据了主导地位。随着技术的进步和经济规模的日益扩大，混流式水轮机的尺寸和单机容量也越来越大，其结构也更加复杂。这也使得机组的刚度相对降低，随之而来的就是水轮机的稳定性问题也日益突出。大型水轮机的稳定性问题，成为目前最受关注的问题，甚至在一定的程度上，比能量指标更受关注。

构皮滩水电站是乌江干流的第七级，电站装机3000MW（5×600MW），保证出力746.4MW，多年平均发电量96.82亿kW·h。机组单机额定容量600MW，是集团公司单机容量最大的水轮发电机组，也是我国首次自主研发的600MW混流式水轮机组。这样的巨型机组，稳定问题尤其受到关注，但机组投运之后发现，1～5号机组由于在高负荷运行区域均存在异常振动，无法在最大设计出力下运行，给电站的安全生产和经济运行带来了巨大隐患和损失。水电机组在高负荷运行区的异常振动问题并不常见，而对于单机600MW这样的巨型机组出现此问题更是国内外罕见的。为解决构皮滩电站机组高负荷区异常振动、出力不足问题，消除机组运行中的安全隐患，提高电站的经济运行水平，同时，为科学分析机组异常振动产生机理，构皮滩与生产厂家技术人员经过反复论证、计算、模型试验，历经3年时间最终成功解决了这一国际复杂难题。

1 构皮滩600MW机组水轮机稳定性问题机理研究

1.1 水轮机组振动机理分析

按照引发振动的原因，水轮机的振动，一般可分为机械、电气和水力三种。

机械振动主要包括：①转动部分不平衡引起的振动；②机组转动部件与固定部件碰摩引发振动；③机组刚性不足，导致某一部件或总体的某一阶固有频率与某一干扰力的频率相近，从而产生较大幅度的振动；④机组轴线曲折；⑤其他机械故障。电磁振动的主要原因有：①周期性的不平衡磁拉力分量；②发电机定子绕组每极分数槽绕组形成的磁场特殊谐波成分引起的磁拉力；③定子线圈的电磁力。水力振动主要包括：①动静干涉；②迷宫密封的轴承效应；③尾管涡带；④卡门涡；⑤叶道涡；⑥其他不稳定旋涡。

1.2 水轮机组振动对策分析

解决水轮机组异常振动的主要技术措施有：①合理选择水轮机水头变化范围；②合理选择水轮机比转速；③统筹调度避振运行；④对转轮叶片出水边进行修型；⑤消气补振。

1.3 构皮滩600MW机组水轮机高负荷区振动问题诊断

2010年7月9日，对#5机水轮机顶盖、活动导叶支臂的振动，以及风洞、水轮机室、尾水门和蜗壳门噪声进行测试，对比振动与噪声频谱分析，确定机组确实存在异常声音和顶盖振动值超标问题。根据试验数据，结合水轮机组振动机理分析专家数据库信息，分析推断构皮滩水轮机组振动问题主要是由卡门涡、尾水压力脉动造成。

2 构皮滩600MW机组水轮机稳定性问题处理方式分析

针对水轮机顶盖振动超标、异常噪声的问题，采用现场试验诊断、水力优化设计、强度计算与模型试验相结合的方法，对高负荷区水力振动进行全面分析、优化设计及处理，消除高负荷区水轮机顶盖异常振动，提高机组效率及最大出力。构皮滩600MW机组水轮机稳定性问题具体处理过程如下。

2.1 构皮滩600MW机组水轮机高负荷区振动问题处理第一阶段

经过专家数据库机理分析，初步判断构皮滩水轮机组振动问题主要是由卡门涡、尾水压力脉动造成。针对上述构皮滩转轮在运行期间出现了高负荷区域顶盖垂直振动超标的问题，拟定对过流部件进行修型处理来解决。修型方案通过CFD计算来确定，分别针对每次修型前后的高负荷工况点进行CFD计算分析，从数值计算的角度论证修型的效果。根据#5机组振动和噪声测试报告数据整理和分析，最终决定对#3机转轮叶片出水边靠近下环处（长约80mm）的叶片厚度进行了适当减薄处理，意在改变卡门涡的频率，同时对修型前后的转轮叶片固有频率进行有限元分析计算。为论证修型效果，采用有丰富使用和分析经验的TASCFlow软件和CFX软件对#3机修型前后高负荷工况点进行CFD计算分析。计算结果表明，此次修型对机组整体稳定性有一定的改善。

2011年2月27日～3月4日，在160m水头左右分别对修型后的#3机组及未修型的#5和#2机组进行了对比试验。从这次修型效果来看：蜗壳门、锥管门的噪声功率随负荷增加而增加，从480MW到500MW出现噪声，此时水车室和锥管门响声明显不同。水车室的噪声有大部从电机风洞传来的空气噪声。与#5机组不同的是，水轮机的噪声强度弱，主频为90Hz。说明叶片修型不够。固定导叶后出现的乱流，对活动导叶、顶盖振动有影响，对噪声也有较大影响。#3机组修型有效但还不够完善，应扩大修型范围。固定导叶后有乱流，也应修型，对进一步降低水轮机噪声有益。

2.2 构皮滩600MW机组水轮机高负荷区振动问题处理第二阶段

构皮滩水轮机主要存在两个问题：一是，机组满负荷附近的振动问题，分析认为主要是由于涡带引起尾水管的自激振荡造成的；二，是机组的噪声问题，主要来自发电机，但固定导叶和叶片出水边形成的噪声也有一定作用。针对机组满负荷附近振动问题，可通过改善该工况的涡带特征以避开尾水管的自激振荡。具体解决方案有两种：一是，将水轮机泄水锥做加长处理，加长处为直柱形，以改善该工况的涡带特征以避开尾水管的自激振荡；二是，强迫补气，可以减少压力脉动频率和脉动幅值。针对机组的噪声问题，可对转轮叶片出水边和固定导叶出水边进行修形，以消除运行中可能出现的乱流问题。2011年3月经专题会议决定对#1机组进行转轮叶片出水边和固定导叶出水边修型处理，以消除运行中可能出现的乱流问题，并对#1机水轮机泄水锤做加长处理，以解决机组满负荷时由于涡带特征引起尾水管的自激振荡问题。

采用TASCFlow软件和CFX软件对#5机修型前后高负荷工况点进行CFD计算分析，计算结果显示对出水边进行修型有利于改善水轮机稳定性。随后对#1机组水轮机进行振动和噪声测试，测试结果表明固定导叶和转轮叶片出水边的修型处理对改善机组的水平振动和部分负荷的稳定性效果明显，但在大负荷运行时，尾水涡带的噪声有加大现象，垂直振动还略有增加，因此对泄水锤的加长处理未达到降低水轮机顶盖垂直振动的目的。

2.3 构皮滩600MW机组水轮机高负荷区振动问题处理第三阶段

针对第二阶段对#1机组泄水锥做加长处理后未达到降低水轮机顶盖垂直振动的目的，结合#5机组现场试验结果，决定对#5机继续实施修型，而不再做泄水锤加长处理。2012年3月#5机转轮修型专题讨论会确定对#5机转轮修型处理技术为：1）对叶片出水边进行修型，范围是从出水边的中部至下环处；2）叶片出水边切割40毫米，出水边形状由压力面平直吸力面弧面改为吸力面平直压力面弧面。修型可改变叶片出流角从而改变出口环量，改善大负荷尾水管压力脉动，局部增加叶片开度，少量增加流量和功率，同时改善出水边局部空化性能，缓解噪声问题，提高大流量大出力机组稳定性。3）对固定导叶出口修型按第二阶段处理方案实施。

采用TASCFlow软件和CFX软件对#5机修型前后高负荷工况点进行CFD计算分析，计算结果显示对出水边进行修型有利于改善水轮机稳定性。随后分别对修型后的#5机及#1、#4机进行振动和压力脉动试验，修型后的#5机组出力可达到试验水头下的保证值，且机顶盖振动值虽有明显变大趋势，但基本不超标，说明叶片修型效果明显，修型有利于提高机组稳定性。但是从噪声测试结果来看，#5机组修型前后，噪声频率没有发生改变，且#5机组振动噪声变化不大，说明这种频率的振动应该与卡门涡无关，这为进一步解决构皮滩电站高负荷运行机组振动问题提供有利的指导作用。

2.4 构皮滩600MW机组水轮机高负荷区振动问题处理第四阶段

从#5机组修型后现场测试结果来看，对转轮叶片的出口修型虽未改变噪声的主频，但在同样开度下，#5机组比其它机组出力约高出15MW，而且在160m净水头满负荷条件下，#5机顶盖振动值基本不超标。因此，可以对#5机转轮叶片出水边加大修型范围。对#5机处理技术为：1）在第二阶段转轮叶片修型基础上对叶片出水边中部至上冠处修型；2）对活动导叶出口修型。

为论证修型效果，对转轮叶片进行修型前后模型试验分析，对活动导叶进行修型前后有限元计算分析和CFD计算分析。结果表明此次修型对机组整体稳定性有一定的改善；修型后#5机活动导叶强度满足规定的许用应力要求，修型对其刚强度影响很小；活动导叶具有良好的动态特性。#5机组水轮机转轮叶片全部出水边修型后，水轮机压力脉动在高负荷区上升剧烈的趋势有巨大改善，而活动导叶修型对90Hz噪声的消除影响有限，在测试水头下（毛水头175.5m左右）560～590MW仍存在该频率噪声，从顶盖振动和活动导叶振动趋势来看，在该负荷段振动仍有抬升趋势，但噪声相比前几次测试有减小趋势。

2.5 构皮滩600MW机组水轮机高负荷区振动问题处理第五阶段

对构皮滩电站#1水轮机转轮叶片出水边靠近上冠位置处进行修型处理（修型厚度为40mm），同时将泄水锥柱状延长段进行了割除，恢复成原泄水锥。对修型前后CFD计算结果分析，从TKE值的比较图中可知，修型后的TKE值无论在叶片的哪一部分都小于修型前，这说明叶片的湍流动能变得更加平稳，也就是说稳定性明显变好。另一方面，通过速度涡流强度图可以看出出水边靠近上冠一侧的速度涡流强度比下环一侧要强，可以通过切割出水边上半部来降低涡流强度，提高水轮机的稳定性，降低压力脉动。

2013年1～4月，对构皮滩电站修型后的#1、#2和#3机组进行了变负荷试验，全面考察了机组的稳定性能。从测试来看：

①修型后机组水轮机稳定性得以大幅改善，#1机修型前顶盖垂直振动在超过500MW后有明显抬升趋势，在555MW最大负荷下达到最大为115um，修型后虽仍有抬升，但已明显放缓，580MW最大负荷下顶盖垂直振动为52um。#2机修型后的顶盖垂直振动虽有抬升，但已明显放缓，最大负荷下（560MW）顶盖垂直振动为58um。#3机修型后的顶盖垂直振动增大趋势明显放缓，最大振动值小于60um，满足稳定运行标准。对机组转轮叶片的修型达到消除大负荷下顶盖垂直振动超标现象。

②从出力来看，构皮滩电站机组叶片修型前后水头有一定差距，修型后机组的最大稳定出力超出保证出力，且各部位振摆测值均为规定值。#1机组超出保证出力40MW，#2机组超出保证出力30MW，#3机组超出保证出力27MW。从此角度来看，修型后使得机组的实际运行范围适当的增大，超过了机组修型前的安全稳定运行所能达到最大出力，使机组最大出力得到提升。

③在试验过程中从480MW到510MW活动导叶和顶盖振动出现83Hz频率，但该频率仅在负荷逐渐降低的回程出现，负荷逐渐升高的升程未发现，在此区间主频非单一主频成分，与修型前480MW～520MW噪声、振动均出现84Hz主频这一现象略有差异，从水车室噪声测试来看，修型后噪声幅值得到大幅降低。

④修型后机组在高负荷区运行稳定性已经大幅改善，顶盖等测点位置测得压力脉动值在高负荷区已无明显随机组出力增加而上升剧烈的趋势，且各测点压力脉动值在高负荷区均无超标现象。

⑤现场试验数据表明，对构皮滩电站水轮机转轮叶片全部出水边修型措施已彻底解决了构皮滩电站水轮机高负荷区稳定运行问题。

3 水轮机稳定性问题诊断与处理体系构建

根据构皮滩发电厂600MW机组水轮机高负荷区运行稳定性问题的成功解决过程，构建原理分析、数值模拟、模型试验、原型试验多位一体的水轮机组稳定性问题解决体系，其具体过程为：

3.1 发现异常振动问题。

3.2 对振动问题进行分析，主要采用现场试验分析和振动机理分析两种方法。

3.3 根据振动问题分析结果对水轮机组进行处理。

3.4 水力优化设计结合模型试验，将模型试验结果同现场试验结果比对，建立模型与原型水轮机故障的相似规律，采用水力优化设计与模型试验相结合的方法指导原型水轮机修型，直至确定能够彻底消除机组异常振动的最终方案。

4 结论

构皮滩发电厂600MW机组水轮机高负荷区运行稳定性问题的成功解决，具有以下三方面的推广价值。

4.1 为巨型机组振动问题的解决提供了具有实践意义的方法

随着技术的进步和经济规模的日益扩大，混流式水轮机的尺寸和单机容量也越来越大，此类巨型机组的稳定性问题研究亦越来越具有其必要性。构皮滩单机容量达到600MW，属于大、巨型机组，它的稳定性问题的研究及应用为此类问题的解决提供了重要的参考价值和借鉴意义。

4.2 为水电机组高负荷区异常振动问题的研究提供了新的模式

在以往的水轮机稳定性问题研究实例中，水电机组运行中的振动问题多出现于特定的负荷区域，而像构皮滩机组这种高负荷区异常振动问题比较少见，也缺乏相应的研究。本项目的研究成果为水电机组高负荷区异常振动问题的研究提供了新的模式。

4.3 构建了水轮机组稳定性问题诊断与处理体系，对相似问题的解决具有重要的借鉴意义

本研究在以往的水电机组异常振动问题研究的“理论分析、原型试验”的模式下，构建了原理分析、数值模拟、模型试验、原型试验多位一体的水轮机组稳定性问题解决体系，为消除机组异常振动提供系统化方法，并且对相似问题的解决具有重要的借鉴意义。