基于振动特性分析的水轮发电机组安全运行区划分
时间：2023-01-17 09:15:08 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
蒲楠楠
(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,杭州 311122)
水电站具有机组起、停机简单，负荷调整迅速等特点，在中国电网中大多担任调峰调频等任务，导致机组实际运行负荷范围广、机组长时间在不稳定工况运行的情况时有发生，严重者会导致机组疲劳破坏，影响水电站安全运行和发电效益。因此，对机组安全运行区规划，在水电站日常调度运行中尤为重要。到目前为止，关于机组安全运行区划分，已有诸多研究。清华大学王正伟[1]等通过在线监测数据，结合流场计算结果，对小浪底混流式机组及水口电站轴流转桨式机组进行振动区划分。武汉大学娄强[2]等提出一种基于机组在线监测数据的机组运行区精细化分方法，并在某混流式机组振动区划分工作中得到验证。国网新源有限公司技术中心樊玉林等[3]基于短时傅里叶变换分析手段，对水轮机涡带工况进行识别。西安理工大学于跃[4]以数值模拟手段，对水轮机流动分析、转轮动力特性分析以及机组轴系动力特定分析，得出小浪底水电站水轮发电机组振动区划分。
根据已有关于水轮机振动区划分研究成果，已提出了较多振动区分析方法，大多着重于特征数据提取方法的研究，尚未形成完善的振动区划分理论及划分标准。本文以某水电站为例，以机组振动规律作为机组运行失稳的主要表现，通过现场真机试验手段，获取水轮发电机组轴系振动摆度、关键部位(如蜗壳及尾水管等)水压力脉动等振动指标，通过分析频谱特性及振动变化规律，提出机组安全运行区的判定方法，获得特征水头及典型负荷下机组安全运行区，为提高机组的优化运行能力奠定基础，也为其他水电站机组安全运行区划分提供参考。
1.1 工程概况
某电站安装4台单机容量为260 MW的混流式水轮发电机组，机组额定水头为130 m，额定转速为166.7 r/min。根据该电站上下游实际运行水位，机组运行毛水头在110～160 m。
1.2 试验工况
本文以该电站2号机组为例，从110 m毛水头开始，每隔20 m为一个试验水头，直至最大毛水头160 m为止，试验水头工况如表1所示，机组测点分布及振动参数限制运行范围如表2所示[5-6]。试验期间机组负荷以10 MW为一个工况点依次递增，直至最大负荷。
表1 试验水头划分表
表2 机组振动测点及振动参数限制范围
2.3 试验数据分析
2.3.1毛水头111.02 m工况
当毛水头为111.02 m，机组最大有功负荷为195 MW，最大开度为97.52%。
在0～60 MW负荷区域(导叶开度18.3%～37.9%)，尾水进口水压脉动均超过100 kPa，全都超标，主频均为0.69 Hz。
在80～140 MW负荷区域(导叶开度41.5%～62.88%)，各测点振动参数均有增大趋势，以水导摆度值最具代表性，水导水平向摆度由125 μm增至354 μm，呈现成倍增加且有超标现象，主频为转频，次主频为0.69 Hz。
在190～195 MW负荷区域(导叶开度90.5%～97.5%)，各测点振动参数亦发生陡增趋势，其中尾水进口水压脉动值超标，最大值为112.61 kPa，主频为1.39 Hz。蜗壳进口水压脉动最大值为116.58 kPa，主频为1.39 Hz；
水导水平向摆度值超标，最大值为323 μm，主频为转频。
除此以外，机组在该水头其他负荷工况稳定运行见图1。
图1 毛水头111.02 m工况下机组振动随负荷变化
2.3.2毛水头127.89 m工况
当毛水头为127.89 m，机组最大有功负荷为250.0 MW，最大开度为97.9%。
在0～40 MW负荷区域(导叶开度12.4%～26.4%)，尾水进口水压脉动值均超过100 kPa，全部超标，主频均为0.69 Hz。顶盖水平振动部分超标，最大值为109 μm，主频为0.69 Hz。
在110～160 MW 负荷区域(导叶开度44.3%～59.2%)，各测点振动参数均有增大趋势，以水导摆度值最具代表性，水导水平向摆度由130 μm增至339 μm，呈现成倍增加且有超标现象，主频为0.69 Hz，次主频为转频。
在240～250 MW负荷区域(导叶开度89.5%～97.9%)，各测点振动参数亦发生增大趋势，其中水导水平向摆度值超标，最大值为361 μm，主频为转频。
除此以外，机组在该水头其他负荷工况稳定运行见图2。
图2 毛水头127.89 m工况下机组振动随负荷变化
2.3.3毛水头142.11m工况
当毛水头为142.11 m，机组最大有功负荷为260 MW，最大开度为78.1%。
在0～90 MW负荷区域(导叶开度10.8%～35.8%)，尾水进口水压脉动均超过100 kPa，全部超标，最大值达到334.96 kPa，主频为0.69 Hz。蜗壳进口压力脉动值较大，最大值为53.22 kPa，主频为1.39 Hz。
在110～180 MW负荷区域(导叶开度39.9%～55.6%)，各测点振动参数均有增大趋势，尾水进口水压脉动值亦处于超过80 kPa的高水平。水导摆度值成倍增加且有超标情况，水导水平向摆度由170 μm增至413 μm，主频为转频，次主频为1.39 Hz。
除此以外，机组在该水头其他负荷工况稳定运行见图3。
图3 毛水头142.11 m工况下机组振动随负荷变化
2.3.4毛水头158.62 m工况
当毛水头为158.62 m，机组最大有功负荷为260 MW，最大开度为64.3%。
在0～140 MW负荷区域(导叶开度为9.9%～40.9%)，尾水进口水压脉动均超过100 kPa，全部超标，主频均为0.69 Hz。顶盖水平振动大部分超标，值最大为163 μm，主频为0.69 Hz。
在150～170 MW负荷区域(导叶开度42.1%～46.4%)，尾水进口水压脉动值处于超过80 kPa的高水平，测点振动参数均有增大趋势。
除此以外，机组在该水头其他负荷工况稳定运行见图4。
图4 毛水头127.89m工况下机组振动随负荷变化
2.4 机组振动规律分析
(1) 不同水头工况，在机组启动至某低负荷区间(0%～50%负荷区间)，尾水进口水压脉动异常，普遍均超出规范允许范围，同时机组存在强烈振动，处于强烈不稳定区；
在与低负荷强烈不稳定区临近的中间某段负荷区间(50%～75%负荷区间)，尾水进口水压脉动虽未超标，但仍维持在高水平，普遍高于80 kPa。与此同时，其他各振动参数均呈现增大趋势，以水导摆度最具代表性，呈现倍增并超标趋势，机组出现不稳定运行状态；
机组在高负荷运行时(75%～95%负荷区间)，各项振动指标均正常且运行平稳，机组处于运行稳定区；
机组运行在趋近满负荷运行工况时(95%～100%负荷区间)，机组部分测点(如蜗壳进口水压脉动、尾水进口水压脉动、导轴承摆度等)呈现小幅度上升趋势，除低水头工况水导摆度超标外，其他振动指标均正常，机组处于运行稳定区。
(2) 在小负荷工况，机组测点垂直振动与尾水进口水压脉动变化趋势基本一致，主要影响频率为0.69 Hz，约为1/4转频；
在各测点振动值陡增的中间某负荷区间，振动参数的主要影响频率为转频及0.69 Hz，亦与尾水进口水压脉动主频呈现相关性。根据前人研究，在部分负荷下，大部分混流式水轮机涡带频率总小于转动频率，二者的实测比值在0.26～0.39，水头、吸出高度、自由水面对频率的影响可忽略[7]。据此推断，尾水管涡带为导致本电站机组运行不稳定的主要因素。
混流式水轮机运行在小负荷工况时，尾水管涡带严重偏心，振动剧烈且伴随周期性旋进，因此对机组会造成较大的振动干扰；
在中间负荷工况，涡带区域同心，压力脉动减小；
在高负荷区域运行时，尾水管无涡带，运行平稳；
在约满超负荷运行时，尾水管涡带在接近转轮处收缩，可能对机组产生干扰[8]。本电站2号机组运行规律与上述涡带变化规律相似，也可证明尾水管涡带是本电站机组不稳定运行的主要因素。
(3) 机组振动区存在于各个测试水头，且振动负荷区间随测试水头的升高向高负荷方向移动。尾水进口压力脉动随水头变化见图5，水导摆度随水头变化见图6。
图5 尾水进口压力脉动随水头变化
图6 水导摆度随水头变化
3.1 划分准则
综合以上振动规律分析，总结出尾水管涡带为影响电站机组安全稳定运行的主要因素，且以尾水进口水压脉动及水导摆度测点变化规律最具代表性。因此，2号机组安全运行区划分以尾水进口水压脉动及水导摆度作为界定标准。
(1) 根据GB/T 15468-2020《水轮机基本技术条件》中规定，原型水轮机尾水管进口下游侧压力脉动峰-峰值宜不大于10 m水柱[9]。因此，2号机组以10 m尾水进口水压脉动等值线作为禁止运行区的边界。
(2) 机组在中间某段负荷区，水导摆度倍增且超标。其他各振动参数虽同样出现增大趋势，但均未超过规范允许值。因此，以水导摆度激增趋势的起终点作为临界运行区的边界。
3.2 机组安全运行区划分
综合2号机组全水头振动规律分析，可将机组运行区划分为3类：禁止运行区、临界运行区及稳定运行区。安全运行区如图7所示。
图7 安全运行区划分
(1) 禁止运行区
在小负荷工况(0%～50%负荷区间)，尾水进口水压脉动严重超标，顶盖振动在部分小负荷工况同样出现超标现象，机组处于强烈振动区，应禁止运行；
在低水头工况满负荷及超负荷区域，尾水进口水压脉动出现超标现象，机组处于强烈振动区，亦应禁止运行。
根据涡带变化规律，小负荷工况亦为涡带处于严重偏心阶段，引起水压脉动及部分振动值超标，对机组损害最大；
在低水头满负荷及超负荷工况，涡带亦对机组造成影响，导致水压脉动值超标。因此，将小负荷工况及低水头满超负荷工况界定为禁止运行区较为合适。
(2) 临界运行区
在与小负荷临近的中间某段负荷区(50%～75%负荷区间)，尾水进口水压脉动仍处于高水平，机组各振动参数均出现增大趋势，但除水导摆度外的其他参数仍在规范允许值范围。判定该区域为强振区到稳定区的临界区域，机组仍处于不稳定运行状态，但此时涡带对机组危害性减弱，可短时间运行。
(3) 稳定运行区(75%～100%负荷区间)
在高负荷区，机组各振动参数均在规范允许范围内且无较大波动，机组运行平稳，可长期稳定运行。
本文基于真机试验手段，对2号机组在不同运行水头下的振动规律分析，进而得到机组安全运行区划分界定标准，为混流式机组振动区划分提供参考，取得主要结论如下：
(1) 通过对2号机组的振动规律分析，在小负荷运行区，尾水水压脉动及顶盖振动超标，机组出现强烈振动；
在中间某负荷区，机组振动参数呈现陡增趋势，机组仍处于不稳定运行区；
在高负荷区域，机组运行平稳；
机组运行趋近满负荷工况时，机组振动参数呈现小幅度上升趋势，但未出现强烈振动，机组处于运行稳定区。
(2) 通过对2号机组多个振动异常工况进行频率相关性分析，均与尾水进口水压脉动主频呈现相关性，接近1/4转频。综合2号机组振动规律，得出2号机组不稳定运行是由尾水管涡带引起。
(3) 2号机组振动规律分析中，以尾水进口水压脉动及水导摆度最具代表性，因此可作为机组安全运行区界定原则，将机组运行区划分为3类：禁止运行区、临界运行区及稳定运行区。以10 m尾水进口水压脉动等值线作为禁止运行区的边界；
以水导摆度激增趋势的起终点作为临界运行区的边界。
本文以真机测试数据为依托，以机组不稳定运行的诱发因素为出发点，结合诱发因素的自身特性及机组振动规律，从而得出机组安全运行区的判定原则及界定标准，可为混流式机组安全运行区划分提供参考。
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