贯流式机组的运行稳定性及其特征

2017-04-07续元周李文清

水电站机电技术 2017年11期

关键词：贯流式导叶转轮

续元周，李文清

（国网浙江省电力公司紧水滩水力发电厂，浙江丽水 323000）

贯流式机组的运行稳定性及其特征

续元周，李文清

（国网浙江省电力公司紧水滩水力发电厂，浙江丽水 323000）

贯流式机组的转动惯量小，运行稳定性相对较差，本文针对进水口流道变化、转轮室内工况异常和AGC调节时的机组运行稳定性作了实例分析，并阐述机组在该工况运行时的噪声、振动等数据的特征。

水压不平衡；卡门涡列；狭缝射流；AGC调节运行

1 概述

卧式结构设计的贯流式机组，管形座是机组的主要支撑部件，其上游侧法兰面与发电机定子相连，下游侧法兰面与水轮机导水机构相连；管形座在整个灯泡机组结构中相当于“翘翘板的支点”，这种结构的支撑稳定性，与立式机组相比要明显薄弱一些，下面结合贯流式机组的运行实例来分析其运行的稳定性。

2 进水边界改变

进水流道由于杂物堆积等因素，会使机组进水边界条件改变，引起水压不平衡，造成机组进水呈紊流状态，形成漩涡状进入机组，影响机组运行稳定性。

2.1 进水口拦污栅有异物堵塞

进水口拦污栅堵塞多数发生在拦污栅的上部，视堵塞情况，该部位会产生不吸气、间歇性吸气、贯通式三种不同形态的漩涡，漩涡形态和水位的高低有关。

间歇性或贯通式漩涡会将成串气泡带入流道，进流道气泡贴着压力钢管顶部下移至转轮室内，在低压区内破裂，强力击打转轮体，导致机组振动，而堵塞引起的水头损失又会影响机组协联关系的准确性，加大机组的振动。

浙江某水电站一台1 MW的竖井贯流式机组，由于进水口拦污栅堵塞，运行时发现机组有功负荷在670～480 kW之间摆动，转轮室发出较强的“嚓、当”声，似硬质物碰击在铁板上的清脆声响，异声和振动的频度约每秒3次，为机组转频的2倍。

另一例子是浙江某水电站一台24 MW贯流机组，拦污栅堵塞时运行，有功在18～27 MW之间摆动，转轮室内发出“哐、哐”的巨大声响，机组振动明显加大。

2.2 导叶开度不均匀

不稳定的水流会产生水力不平衡，引起机组转频为主的振动，其振幅随机组导叶开度的变化而变化，且时而明显，时而消失。

重庆某水电站有一台20 MW贯流机组，导叶对称方向的开口偏差都很大，最大的达到18 mm，导叶的高度为1 727 mm，所以流量偏差比较大。机组运行时，组合轴承振动符合规程要求，水导轴承的转频振幅随负荷的增大而迅速增大，在满负荷时，转频振幅的均值在 150 μm/s，最大值达 170 μm/s以上。

2.3 导叶有异物卡阻

异物阻扰了正常的水流，会导致流道水压不平衡，引起机组振动加大。这种不平衡通常在机组带60%以上额定负荷时体现出来，转频为主的振动幅值也在此时明显提高。

广东某水电站有一台35 MW贯流式机组，导叶被异物卡阻，机组接近满负荷运行时，导叶安全连杆动作报警，连杆弹簧来回缩放。

在导叶、桨叶开度不变的情况下，机组负荷由34 MW下滑至28 MW，机组振动明显加大，水导的转频振幅最大到390 μm/s。当机组负荷降至25 MW以下时，异常现象消失,增至30 MW时异常情况又会复现。

3 转轮室内工况异常

机组转轮室在运行时出现异常声响，一般有以下两种情形：

3.1 狭缝射流

在贯流式水轮机中，转桨叶片的工作面和背面存在着压力差，在桨叶外缘和转轮室之间的狭窄缝隙中，形成一股射流，其速度很高而压力很低。狭缝射流的频率为 f=（z1n）/60，其中 f为频率（Hz）；z1为转桨叶片数目；n为水轮机转速（r/min）。

福建沙县某电站发生过转轮某一叶片的狭缝射流案例。

该站一台额定转速100 r/min的16 MW贯流式机组，当转速达到84 r/min时，转轮室会发出轻微的类似金属碰撞的声音；转速到88～104 r/min时，声响达到高峰，刮擦声淹盖了水流声；转速升至108 r/min以上，异常声响又渐消失，机组转动呈现正常状态。异常声响的听觉频率与转速同步。

检查发现转轮室部分区域的油漆有边界基本垂直的块状剥落，裸露出加工痕迹清晰的转轮金属面，但无机械刮擦迹象。而油漆脱落区位于浆叶空载开度时近下游侧的投影平面上，主要集中在浆叶上方的转轮室顶部120°范围内。紧靠浆叶中心线的下游方也有一块较大脱落区，在浆叶转动范围以外的区域，也有局部较大的油漆剥落现象。

3.2 卡门涡列

导叶和桨叶具有钝尾时，在叶片后面的尾迹区会出现卡门涡列。涡列交替从叶片的两侧泄出，从而在物体上产生一个周期性的交变作用力，形成激振源，诱发机组振动。

若卡门涡列的频率与导叶或桨叶的某阶固有频率耦合共振，则会造成叶片振动，发出尖锐的金属啸叫声，并使叶片出水边产生规律性的裂纹，部份叶片裂纹会有分叉。

青海某水电站有一台40 MW机组，由于卡门涡列的影响，运行时水轮机室的噪音特别大。特别是在空载运行时，转轮室内发出尖锐的金属啸叫声，振动很大，造成机组齿盘测速探头被磨损，测振传感器被振落，发电机磁极松动等故障，其轴向的振动幅值最大达 160 μm/s以上。

4 AGC调节运行

AGC控制是根据系统负荷“差值”进行调节，投入AGC功能的机组，动态调节成为发电机组的常态工况。

贯流式机组静态运行时稳定性好、效率高，但水力系统的TW较大，导致机组在动态负荷调节或响应大波动的过渡过程中水力惯性系数较大，稳定性较差。为满足调保计算的要求，贯流机组的导叶、桨叶全开全关的时间设置是不同的，导叶响应速度较快，桨叶随动速度较慢，通常导叶比桨叶的动作速率要快3～6倍，所以在机组响应系统变化时，导叶能及时动作，而桨叶需要较长时间才能操作到位。

湖南某水电站一台45 MW贯流机组，设置导叶全行程快速关闭时间为7 s，桨叶全行程关闭时间为24 s。投入AGC后导叶桨叶调节时间偏差实测为：当响应系统较大负荷变化时，桨叶滞后导叶1～4 s；当响应较小负荷变化时，桨叶滞后导叶0.2～0.8 s。

因桨叶动作的滞后，AGC调节过程中，使得机组经常处于一种非协联工况运行，引起机组振动和噪声都很大。