浅谈突变流量对水轮发电机组运行稳定性的影响

卢 伟

（大唐水电科学技术研究院有限公司，广西 南宁 530000）

0 引言

水电作为一种清洁能源，已然在经济全球化的框架中逐步成为主要的生产生活能源消耗来源[1]，21世纪是我国加速发展水电的时期， 2015年水电总装机容量超过300 GW这也使得当下水电站的安全稳定运行尤为重要。

1 水轮发电机组状态监测的意义

水轮发电机组的转轮有两大类型，冲击式和反击式，冲击式水轮机只能利用水流动能进行做功，反击式水轮机则利用水流的位能、压能、动能做功，故在现今的水轮机制造发展当中，反击式水轮机类型更为广泛应用。水流流经这种水轮机时充满整个转轮流道，当水轮机水流流态有异常时，不能直接地看出，故此类型的机组运行需要进行长期稳定性监测。当水轮发电机组发生异常振动摆度增大等原因时应通过厂内的监测设备对异常现象进行分析，找到原因去解决机组存在的问题，以达到水轮发电机组长期稳定运行的目的。

2 水轮发电机组主要监测设备

2.1 调速器系统

调速器的选用首先就影响着水轮机的动作特性，作为上位机与水轮机的传输执行中间设备，它具有智能化可编程的功能，接收操作调节指令，采用适应式变参数的PID调节规律传输至电气调节装置，然后经液压操作系统直接执行对导叶以及桨叶的调节。同时调速器还通过信息量化集成在人机界面里显示并存储着水轮发电机组的运行状态参数，包括机组的开机停机时长记录、导桨叶调节记录以及机组有功运行曲线的监测记录等。

2.2 机组在线监测振摆系统

机组在线监测振摆系统对机组的振动监测是必不可少的，也是最重要的部件之一，在大多数电厂站中，该系统时常被忽略维护而导致故障停用，对机组的状态不能及时了解及跟进也侧面影响着机组的安全运行，该系统的主要功能有[2]：①对水轮发电机组振摆状态实时监测；②设置越限报警值，可让电厂站人员及时采取措施避免设备造成较大伤害；③对机组的轴系摆度以及轴承支架的振动实时采集、频谱特征显示实时波形显示等；④建立有完善的实时数据库和历史数据库；⑤能够对典型的运行工况进行录波分析；⑥与后台上位机实现互通数据，协同厂站内电量监控装置形成全站监测系统；⑦提供多个扩建模组对机组进行扩大监测范围。

3 水轮机组异常现象特征分析及处理

异常现象主要表现在水导摆度大，油盆顶盖径向振动大，影响机组轴瓦的寿命；油温瓦温相继升高有非计划停运风险，从而造成相应的经济损失。水导摆度大主要是因水力流动与转轮不匹配导致，进水不畅有突变流量[3]。

3.1 协联曲线运用不佳

转桨式机组转轮协联曲线运用欠佳。

某电站为无调节库容电站装机2台，机组形式为灯泡贯流式水轮发电机组，当单台机组运行时，接地调指令增开另一台机组补充电网容量时，因净水位迅速下降导致在运机组在非协联工况运行，机组摆度振动大，效率变低，对机组产生危害。如图1所示，机组调节能力比净水头变化要滞后，导致机组振动摆度变大，机组工况不稳定。

图1 无调节库容电站机组转非协联工况运行示意图

在汛期流量不确定的时段以及取水口处的杂物堆积，使水轮发电机组在实际运行当中会存在较大水头变化和净水头损失，从而设计出厂协联曲线可能在不同江河、不同电站的实际运用效果欠佳，导致机组处于非协联工况运行，通过监测设备就能反映出相应的特征表现[4]：机组振动摆度趋势上升，瓦温油温有相应升高趋势，以及调速系统上有功出力不稳定，调速系统调节频繁。因此，为让机组过流符合当前水头工况，应手动破坏协联关系即增减轮桨叶开度（桨叶手动增开如图2所示）或者人工抬高协联水头设定值（使机组工况从a点调至b点运行如图2所示），使得机组出力改变并且摆度振动回归正常值范围。

图2 协联曲线调整策略方法

3.2 轴系偏移、质量偏心

通过机组在线监测振摆系统可量化分析得出机组部分位置振动摆度大且有明显频谱特性，这种情况存在质量偏心、轴系偏移并伴随动静干涉叠加作用的可能性较大。

对于连轴较长的立式水轮发电机组，轴系通常容易出现偏移，机组在运行期间特别是空转态时会呈现一定的振动摆度特征量，与此同时空载工况运行的机组相应的也同样会出现电磁力不平衡现象。通过电厂站机组在线监测振摆系统可得轴系分析图，图3为某电厂发电机质量偏心的三维轴系状态图，经动平衡配重后振动摆度明显改善。

图3 轴系调整动平衡配重前、后摆度轴系示意图

经过配重后对该厂此机组开展空转工况以及空载工况的复测检测，各振摆数值均有明显的降低，机组带负荷运行均有明显的振摆状况改善。故而电厂站加强对数据的监视分析对机组的运行以及解决振动摆度超标有理论性帮助。

3.3 转轮异物卡塞、流量状态突变

对于小型混流式机组较常见的有异物从拦污栅进入导致过流不畅，水力流量突变，导致摆度较大，存在停运风险。

柬埔寨基里隆水电站3号机组曾在2015年6月13日9时发生非计划停运事故[3]，通过调速系统的控制监测，机组在9时前未有任何异常，在线监测振摆系统也均未监测到超标报警振摆值，当9时许，水导摆度有不正常阶跃值产生，伴随着温度监控系统的水导瓦温缓慢上升，值班人员下至水轮机室发现有浓烟产生，并触发火灾报警装置，值班人员便执行紧急停机。后经排查3号机组产生浓烟，水导摆度及顶盖振动大因木块从进水口拦污栅进入蜗壳再经转轮室旋转与空气围带产生摩擦并破坏水力不平衡，使流量突变，转轮旋转受力不均，导致了振动摆度增大。

3.4 转轮叶片失调、过流特征变化。

转轮叶片失调，对故障点排查需要做到全面且谨慎，结合协联曲线的正确运用性，通过调速系统上的导叶操作及反馈曲线、桨叶操作及反馈曲线、有功调节曲线，结合机组在线振摆监测系统来共同完成故障点排查的工作是很有必要的。

例如某电站1号轴流转桨式发电机组，其中桨叶活塞杆卡环、套环及操作架键脱落，从而造成机组实际运行中转轮叶片不能正常复归，导致在有功调节后处于非协联关系运行，造成机架振动异常、摆度增大、危害机组安全运行，对于厂内运行人员而言，桨叶开度所在位置在当前情况下无法获悉。本次转轮叶片失调分析排查流程如下[5]：

（1）机组处于静水态，检查导叶、桨叶、有功反馈信号值，配合导叶控制环、桨叶操作杆的机械尺的读数一致性检查，均正常。

（2）协联曲线运行的检查。机组在桨叶开度未知情况下，选择开机运行，且与同最近的一次负荷运行，横向比对其他在运机组可知，1号机组实际不在协联工况下运行。

（3）对机组负荷进行升降调整，利用1章节所述监测系统对升降过程中的导叶、桨叶、有功、振动摆度进行细致的记录分析检查。分析发现升负荷过程中桨叶跟随导叶及有功反馈均正常，升至满负荷后进行降负荷过程，机组的上导和推力轴承均明显瞬时增大，如图4所示，且存在有功降低，但有功反馈曲线呈锯齿状。

（4）进一步检验导叶、桨叶改变对有功及机组摆度振动的影响。调速系统录波如图5、图6所示。

通过排查及转轮装配图分析，可能存在轴断裂、卡环套环脱落等损毁现象，桨叶随动仅在开启方向跟随导叶协联调节，致使机组协联失调，引起过流突变，机组水力工况恶劣，从而造成机组振动摆度变大和有功波动现象。电厂站在此次处理中结合机组本故障点特点，优先对该机组实施了A级检修，检修完毕后该机组恢复正常工作状态。

图4 机组降负荷上导摆度、推力轴承摆度波形图

图5 导叶桨叶操作录波图

图6 导叶固定、桨叶机手动调节对有功的影响录波图

4 小结

通过以上举例阐述，水轮发电机组在水流反推力的作用下，会产生较大基础振动和轴系的摆动，通过运用电厂站内的主要监测设备可以及时地了解机组运行状况掌握机组运行是否存在劣化趋势，对于电厂站的稳定生产有着重要意义。本文针对水流状态的变化影响水轮发电机组的稳定性阐述了相关现象描述及处置方式，对通过电厂站内服役的在线监测系统的有效数据分析快速查找定位相同类现象的原因及处理提供有效借鉴。