水轮发电机组稳定性试验分析与运行区域划分

2019-11-06王利杰

水电与新能源 2019年10期

王利杰，孙波

(华电电力科学研究院有限公司，浙江杭州 310030)

水轮发电机组的稳定性能直接关系着水电站的安全运行。水轮发电机组稳定性试验可以有效获取机组振动、摆度、压力脉动等稳定性指标，是掌握机组稳定性能的有效方法。机组稳定性试验可以检验机组设计、制造、安装或检修质量，通过分析机组振动特点和规律，了解水力、机械和电磁三种不平衡因素的影响程度，研究振因、分析振源，为机组安装、检修及技术改造提供科学依据，还可以掌握机组各种工况下的运行状态，划分运行范围，指导机组安全、稳定运行。本文通过某水电站水轮发电机组稳定性试验数据分析，结合电站运行实际情况，在全水头范围内划分机组的运行区域，为电站安全运行提供科学依据[1]。

1 某水电站稳定性试验分析

某水电站安装6台单机容量600 MW混流式水轮发电机组，机组最大水头240 m，最小水头153 m，额定水头200 m，额定转速142.9 r/min。根据电站实际运行情况，划分机组稳定性试验水头工况，其中5号机组试验水头如表1所示，试验负荷工况根据现场运行情况间隔10～20 MW选取一个工况点。

机组稳定性试验测点包括：上导、下导、水导摆度(X向、Y向)，上机架、下机架、顶盖振动(水平X向、水平Y向、Z向)、蜗壳进口压力脉动、尾水进口压力脉动等。导轴承处摆度幅值通过电涡流传感器监测，上机架、下机架、顶盖处振动幅值通过低频振动传感器监测，压力脉动幅值通过动态压力传感器监测。机组实时出力、活动导叶开度以及电站上游、尾水水位通过中控室实时监控系统读取。

限于篇幅，本文仅给出毛水头209.1 m时5号机组振动、摆度、压力脉动试验数据曲线，如图1～图3所示。209.1 m毛水头时，在各试验负荷工况下5号机组各部位的振动幅值无明显规律且满足相关规范标准要求，各导轴承摆度幅值均满足相关规范标准要求。

表1 某水电站稳定性试验水头划分表 m

图1 毛水头209.1 m时5号机组导轴承摆度与有功功率的关系图

图2 毛水头209.1 m时5号机组机架振动与有功功率的关系图

图3 毛水头209.1 m时5号机组压力脉动与有功功率的关系图

根据实测数据，导轴承摆度呈现出在某些负荷区域相对较大的规律，与其他负荷区域相比，在此负荷区域导轴承摆度出现1/4倍转频0.6 Hz的主要影响频率，随着负荷的1/4倍转频的影响增加逐渐减小，此现象符合由涡带引起的水力不稳定规律[2]。机组不同水头涡带工况区所在的负荷区域范围不尽相同，随着水头增加向高负荷方向逐渐推移。上导、下导及水导摆度幅值趋势图形状相似，幅值相对较大负荷区间大致相同，趋势图形状相似。

2 机组运行区域划分原则

1)可长期持续运行区域：结合电厂实际情况，参考国家标准《旋转机械转轴径向振动的测量和评定第5部分：水力发电厂和泵站机组》中划定的A、B区域[3]，即通常认为振动在此区域内的机器可以无限制地长期运行。

2)不宜长期运行区域：参考国家标准《水轮机基本技术条件》规定，水轮机应在相应水头下机组保证功率的45%～100%功率范围内稳定运行[4]，鉴于机组合同未对所有水头的机组保证出力进行约定，选取试验过程中相应毛水头下的机组最大出力的45%为低负荷稳态运行区域。低负荷稳态运行工况做为特殊运行工况的一种，目前还没有足够的数据和经验来建立特殊工况的限制曲线。出于机组安全运行的考虑，建议不宜在此区域长期持续运行。

3)涡带工况区域：根据实测数据(图1)，导轴承摆度幅值呈现出在某些负荷区域相对较大的规律，此负荷区域导轴承摆度出现1/4倍转频0.6 Hz的主要影响频率，随着负荷的增加1/4倍转频的影响逐渐减少，此现象符合由涡带引起的水力不稳定规律。机组不同水头涡带工况区所在的负荷区域范围不尽相同，随着水头增加向高负荷方向逐渐推移。建议机组在涡带工况运行时注意加强巡视。

3 某水电站机组运行区域

依据上文所述的机组运行区域划分原则，结合试验数据分析结果，对某水电站6台机组全水头下运行区域进行划分，其中5号机组运行区域见图4、图5所示。该电站根据本文所提供的运行区域，在调度允许情况下尽可能控制机组在高负荷运行区域，不仅保证了机组安全稳定运行，而且可以有效降低机组耗水率，提高电站运行的经济效益。