萬(wàn)元，熊威，譚振國(guó)

(五凌電力有限公司五強(qiáng)溪水電廠，湖南 常德415000)

2011年以來(lái)，通過(guò)機(jī)組穩(wěn)定性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)五強(qiáng)溪電廠5 號(hào)機(jī)組上導(dǎo)擺度超標(biāo)報(bào)警(標(biāo)準(zhǔn)為225 μm〔1〕)，如2012年最大擺度為516.023 μm，2013年為367.817 μm;在水輪機(jī)的穩(wěn)定工況區(qū)(180 MW 以上)，上導(dǎo)最大擺度2012年為326.828 μm，2013年(至6月10日止)最大擺度335.724 μm，在大部分情況下處于超標(biāo)狀態(tài)。

針對(duì)5 號(hào)機(jī)組擺度偏大并超標(biāo)這一情況，進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上對(duì)上導(dǎo)擺變異常的原因進(jìn)行了分析。

1 機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將機(jī)組從“停機(jī)到并網(wǎng)帶負(fù)荷”過(guò)程切分為“機(jī)組停機(jī)狀態(tài)→空轉(zhuǎn)狀態(tài)”、“機(jī)組空轉(zhuǎn)狀態(tài)→空載狀態(tài)”、“機(jī)組空載狀態(tài)→并網(wǎng)帶負(fù)荷狀態(tài)”這幾個(gè)分過(guò)程，采用人為手動(dòng)方式對(duì)各分過(guò)程進(jìn)行控制，確保控制量階梯狀遞增，并在各分過(guò)程中，使用機(jī)組穩(wěn)定性在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)機(jī)組振擺實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、峰峰值等進(jìn)行錄波存儲(chǔ)，便可實(shí)現(xiàn)機(jī)組的變轉(zhuǎn)速、變勵(lì)磁、變負(fù)荷試驗(yàn)，具體方案如下:

1)在“機(jī)組停機(jī)狀態(tài)→空轉(zhuǎn)狀態(tài)”過(guò)程，調(diào)速器切為現(xiàn)地控制方式，在機(jī)旁小室手動(dòng)開機(jī)，調(diào)速器設(shè)置為轉(zhuǎn)速控制模式，依次輸入機(jī)組轉(zhuǎn)速給定為50%，67.5%，75%，87.5%，100%額定轉(zhuǎn)速，在每個(gè)轉(zhuǎn)速工況點(diǎn)停留3 min，實(shí)現(xiàn)機(jī)組轉(zhuǎn)速的階梯性上升，即為機(jī)組的變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，在該過(guò)程中，機(jī)組GCB 斷開，轉(zhuǎn)子無(wú)勵(lì)磁電流，機(jī)組不帶負(fù)荷。

2)在“機(jī)組空轉(zhuǎn)狀態(tài)→空載狀態(tài)”過(guò)程，勵(lì)磁調(diào)節(jié)器切為現(xiàn)地控制方式，在機(jī)旁小室對(duì)機(jī)組進(jìn)行零起升壓，依次給定機(jī)組電壓為25%，50%，75%，100%額定電壓，在每個(gè)電壓工況點(diǎn)停留3 min，即為機(jī)組的變勵(lì)磁試驗(yàn)，在該過(guò)程中，GCB斷開，機(jī)組不帶負(fù)荷。

3)在“機(jī)組空載狀態(tài)→并網(wǎng)帶負(fù)荷狀態(tài)”過(guò)程，由于目前五強(qiáng)溪電廠處于遠(yuǎn)程集控模式，監(jiān)控系統(tǒng)切換為“集控方式”，由集控中心值班員對(duì)機(jī)組進(jìn)行有功負(fù)荷調(diào)節(jié)操作，有功調(diào)節(jié)間隔為20 MW，每個(gè)負(fù)荷工況點(diǎn)停留3 min，即為機(jī)組變負(fù)荷試驗(yàn)，在該過(guò)程中，機(jī)組GCB 閉合向電網(wǎng)饋電。

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

2.1 變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)分析

表1 為當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速階梯上升時(shí)，在不同轉(zhuǎn)速穩(wěn)定階段，機(jī)組上導(dǎo)擺度、上機(jī)架振動(dòng)振擺的數(shù)值。試驗(yàn)中，水頭為46.5 m。

表1 變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)組振擺值 μm

機(jī)組額定轉(zhuǎn)速可由式(1)計(jì)算:

式(1)中 n 為機(jī)組轉(zhuǎn)速(r/min);f 為機(jī)組額定頻率(Hz，國(guó)內(nèi)取f=50 Hz);p 為機(jī)組極對(duì)數(shù)，該機(jī)組轉(zhuǎn)子共44 對(duì)極，即p=44。因此，可計(jì)算得機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為68.18 r/min，額定轉(zhuǎn)頻為1.136 Hz。

由表1 和式(1)計(jì)算得知，機(jī)組變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)組振擺與轉(zhuǎn)速成平方關(guān)系曲線。

圖1—3 為機(jī)組在不同轉(zhuǎn)速下機(jī)組上導(dǎo)X，Y向擺度對(duì)應(yīng)的頻譜分析結(jié)果。由于機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為68.18 r/min，50%，75%，100%額定轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為34.09 r/min，51.13 r/min，68.18 r/min，對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)頻為0.568 Hz，0.852 Hz，1.136 Hz。

圖1 50%額定轉(zhuǎn)速下機(jī)組上導(dǎo)X，Y向擺度頻譜

圖2 75%額定轉(zhuǎn)速下機(jī)組上導(dǎo)X，Y向擺度頻譜

圖3 100%額定轉(zhuǎn)速下機(jī)組上導(dǎo)X，Y向擺度頻譜

由圖1—3 可知，不論機(jī)組轉(zhuǎn)速如何變化，機(jī)組上導(dǎo)擺度主頻總處于機(jī)組轉(zhuǎn)頻附近。

圖4 為75%額定轉(zhuǎn)速下機(jī)組上導(dǎo)軸心軌跡圖。

圖4 75%額定轉(zhuǎn)速下上導(dǎo)軸心軌跡

試驗(yàn)結(jié)論:機(jī)組擺度、振動(dòng)與轉(zhuǎn)速呈同向增長(zhǎng)的趨勢(shì);機(jī)組上導(dǎo)擺度與轉(zhuǎn)速的平方大致是呈現(xiàn)正比關(guān)系;機(jī)組振擺主頻為不同轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)頻，其他頻率成分較少。上導(dǎo)擺度軸心軌跡為較標(biāo)準(zhǔn)的橢圓形狀。

機(jī)組的上導(dǎo)擺度數(shù)據(jù)滿足3 個(gè)條件:①與轉(zhuǎn)速平方成正比;②主頻為機(jī)組轉(zhuǎn)頻;③上導(dǎo)軸心軌跡為橢圓型。因此，推斷機(jī)組上導(dǎo)擺度超標(biāo)是由轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的〔2-3〕。

2.2 變勵(lì)磁試驗(yàn)分析

變勵(lì)磁試驗(yàn)共選取額定電壓的25%，50%，75%，100%這4 個(gè)電壓點(diǎn)，表2 為各電壓點(diǎn)下機(jī)組振擺值。

表2 變勵(lì)磁試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)組振擺值 μm

試驗(yàn)結(jié)論:機(jī)組擺度、振動(dòng)與定子電壓(及轉(zhuǎn)子勵(lì)磁電流)關(guān)系不大，因而，電磁因素對(duì)機(jī)組振擺影響較小〔3-4〕。

2.3 變負(fù)荷試驗(yàn)分析

采用遠(yuǎn)方集控調(diào)節(jié)負(fù)荷方式，由集控中心對(duì)機(jī)組進(jìn)行合GCB 并網(wǎng)操作，并發(fā)負(fù)荷調(diào)節(jié)指令，調(diào)節(jié)間隔為20 MW，每個(gè)負(fù)荷工況點(diǎn)調(diào)節(jié)到位后穩(wěn)定3 min。試驗(yàn)過(guò)程中，水頭為46.5 m。

圖5 為不同負(fù)荷下5 號(hào)機(jī)組振擺變化特征。

圖5 機(jī)組振擺與有功負(fù)荷關(guān)系曲線

圖6，7 分別為機(jī)組變負(fù)荷試驗(yàn)過(guò)程中，機(jī)組上導(dǎo)X 向擺度、上機(jī)架X 向振動(dòng)的變負(fù)荷瀑布圖。

試驗(yàn)結(jié)論:上導(dǎo)擺度絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)處于超標(biāo)狀態(tài)，上機(jī)架振動(dòng)僅在負(fù)荷60 MW 以下出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象;機(jī)組擺度、振動(dòng)與有功負(fù)荷有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，機(jī)組有功負(fù)荷增加，機(jī)組振擺呈現(xiàn)“增加→減少→趨向平穩(wěn)”的變化規(guī)律;在低負(fù)荷區(qū)，5 號(hào)機(jī)組振擺較大(其中上導(dǎo)Y 向擺度最大值超過(guò)600 μm)，且振擺頻譜中1/5～1/3 轉(zhuǎn)頻附近具有較強(qiáng)的振擺能量，在大于170 MW 的高負(fù)荷區(qū)，機(jī)組振擺能量主要集中于1 倍轉(zhuǎn)頻附近，低頻振動(dòng)基本消失。

圖6 機(jī)組上導(dǎo)X 向擺度變負(fù)荷瀑布圖

圖7 機(jī)組上機(jī)架X 向振動(dòng)的變負(fù)荷瀑布圖

2.4 試驗(yàn)結(jié)論及處理措施

2.4.1 試驗(yàn)結(jié)論

1)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡可能是導(dǎo)致5 號(hào)機(jī)組擺度數(shù)據(jù)偏大的主要原因。

2)5號(hào)機(jī)組電磁振動(dòng)較小，轉(zhuǎn)子外沿圓度、定子內(nèi)表面圓度較好，定轉(zhuǎn)子氣隙均勻，定子鐵芯合縫良好，并且基本不存在鐵芯松動(dòng)、繞組松動(dòng)等缺陷〔3〕。

3)受水力因素的影響，在低負(fù)荷區(qū)運(yùn)行時(shí)，機(jī)組振擺較大。根據(jù)低負(fù)荷區(qū)機(jī)組振擺頻率分析，振擺過(guò)大可能是由尾水管偏心渦帶引起的〔4－6〕。

2.4.2 處理措施

1)加強(qiáng)對(duì)5 號(hào)機(jī)組振擺的監(jiān)視與分析。

2)加強(qiáng)上導(dǎo)軸承溫度巡視，防止上導(dǎo)瓦片燒毀。加強(qiáng)上機(jī)架檢查，防止上機(jī)架出現(xiàn)裂紋等故障，并對(duì)上導(dǎo)軸承瓦座進(jìn)行周期性檢查。

3)在5 號(hào)機(jī)組A 修時(shí)，可進(jìn)行機(jī)組的動(dòng)不平衡試驗(yàn)。

4)盡量避免機(jī)組在170 MW 以下負(fù)荷運(yùn)行。

3 結(jié)束語(yǔ)

俄羅斯薩揚(yáng)水電廠毀滅性事故警示水電工作者，機(jī)組振擺超標(biāo)必須引起足夠重視，若放任機(jī)組長(zhǎng)期處于大擺度狀態(tài)下運(yùn)行，將可能導(dǎo)致重大事故的發(fā)生。

文中針對(duì)五強(qiáng)溪電廠5 號(hào)機(jī)上導(dǎo)擺度超標(biāo)問題，自主設(shè)計(jì)機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)方法(包括變轉(zhuǎn)速、變勵(lì)磁、變負(fù)荷試驗(yàn))查找原因，通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡是引起擺度增大的最重要原因，并得出水力因素(特別是尾水管渦帶)導(dǎo)致機(jī)組170 MW 負(fù)荷以下振擺超標(biāo)這一重要結(jié)論，為制定機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行、維護(hù)、檢修策略提供重要依據(jù)。

〔1〕劉金鳳． 水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)研究〔D〕． 西安:西安理工大學(xué)，2004:3-15．

〔2〕陳杰． 葛洲壩水電機(jī)組穩(wěn)定性數(shù)據(jù)分析及應(yīng)用〔D〕． 武漢:華中科技大學(xué)，2009:6-22．

〔3〕董毓新． 水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)〔M〕． 大連:大連理工大學(xué)出版社，1989:88-128．

〔4〕Chuang Fu，et al． Predictive Maintenance in Intelligent Control Maintenance Management System for Hydroelectric Generating Unit〔J〕． IEEE Transactions On Energy Conversion，2004，19(1):179-186．

〔5〕曹劍錦，陳昌林． 大型水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪異常振動(dòng)及葉片裂紋分析〔J〕． 西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，37(S1):68-72．

〔6〕李成家． 安康水電廠200 MW 水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性分析〔J〕． 西北電力技術(shù)，2000(4):31-34