伍常林，熊續(xù)平，秦曉康，王利國(guó)，陳 聲

（華東瑯琊山抽水蓄能有限責(zé)任公司，安徽 滁州 239000）

1 概述

某抽蓄電站安裝有4臺(tái)150 MW的混流式抽水蓄能機(jī)組，為日調(diào)節(jié)純抽水蓄能電站，擔(dān)任華東電網(wǎng)的調(diào)峰、調(diào)頻、填谷、調(diào)相和事故備用等運(yùn)行。該電站4臺(tái)機(jī)組在低水頭額定功率發(fā)電運(yùn)行時(shí)均出現(xiàn)頂蓋振動(dòng)值超過設(shè)計(jì)允許運(yùn)行范圍現(xiàn)象，造成部分機(jī)械部位損傷，不但增加了檢修頻次，還直接影響機(jī)組機(jī)械運(yùn)行壽命。因此，研究如何降低在低水頭發(fā)電運(yùn)行期間頂蓋振動(dòng)超標(biāo)問題具有十分重要的意義。

2 機(jī)組主要參數(shù)

水輪機(jī)型號(hào) HLH7/603C-LJ-470

最大水頭Hmax149.8 m

最小水頭Hmin110 m

額定水頭Hr126 m

額定流量Qr126 m3/s

額定轉(zhuǎn)速nr230.8 r/min

水輪機(jī)功率NT150 MW

3 試驗(yàn)前運(yùn)行情況

該電站機(jī)組導(dǎo)葉運(yùn)行開度限制設(shè)置為90%,此時(shí)額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)對(duì)應(yīng)運(yùn)行水頭在130 m附近。由于該電站為日調(diào)節(jié)運(yùn)行方式，機(jī)組每日在設(shè)計(jì)水頭129.0～149.8 m之間滿負(fù)荷運(yùn)行。其中在水頭129～131 m之間發(fā)電運(yùn)行時(shí)，頂蓋振動(dòng)速度由0.6 mm/s逐漸增大到3.2 mm/s，超過設(shè)計(jì)允許最大值1.9 mm/s,見圖1。這造成機(jī)組機(jī)械部位出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p傷，如導(dǎo)葉導(dǎo)向軸磨損、導(dǎo)葉密封磨損和導(dǎo)葉間隙調(diào)整墊片碎裂等問題（見圖2），不但增加了機(jī)組檢修頻率和維護(hù)成本，還嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行安全，因此尋找該電站低水頭安全運(yùn)行方式具有重大研究意義。

圖1 低水頭額定功率運(yùn)行時(shí)頂蓋振動(dòng)增大趨勢(shì)

圖2 機(jī)械部位出現(xiàn)損傷

4 振動(dòng)原因分析

由于混流式水力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行工況較多，水力運(yùn)行結(jié)構(gòu)復(fù)雜，引起振動(dòng)的原因比較多,也可能是由多種原因共同引起振動(dòng)[1]。低水頭運(yùn)行時(shí)容易產(chǎn)生機(jī)組振動(dòng)、轉(zhuǎn)輪空蝕、蝸殼內(nèi)壓力脈動(dòng)、機(jī)械疲勞損壞及噪聲等現(xiàn)象。目前,尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)區(qū)進(jìn)行劃分。由于轉(zhuǎn)輪在水道中受到多種因素的影響,如葉道渦、同水道機(jī)組啟停造成的壓力脈動(dòng)等外在激勵(lì)源的影響，均會(huì)造成轉(zhuǎn)輪軸系等部位的振動(dòng)[2]。機(jī)組水頭會(huì)隨發(fā)電運(yùn)行時(shí)間的變化而逐步發(fā)生變化，進(jìn)而引起機(jī)組的運(yùn)行振動(dòng)特性也發(fā)生相應(yīng)的變化。在額定負(fù)荷大開度區(qū)發(fā)電運(yùn)行時(shí)，高頻壓力脈動(dòng)可能會(huì)加劇機(jī)組振動(dòng)，轉(zhuǎn)輪葉片正面的局部脫流運(yùn)行也會(huì)加劇機(jī)組振動(dòng)，如果長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行在該工況下就會(huì)造成轉(zhuǎn)輪葉片出現(xiàn)空蝕甚至裂紋等現(xiàn)象，因此應(yīng)避免在該工況附近長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行[3]。在低水頭額定功率運(yùn)行情況下，導(dǎo)葉開度會(huì)隨著水頭的降低而逐漸增大，甚至?xí)鲎顑?yōu)運(yùn)行工況，導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流的負(fù)沖角就會(huì)變得越來(lái)越大。當(dāng)機(jī)組導(dǎo)葉開度超過一定負(fù)沖角值時(shí)，就會(huì)在葉片進(jìn)口邊的背面產(chǎn)生水流沖擊，進(jìn)而出現(xiàn)脫流和空化現(xiàn)象，產(chǎn)生次生水沖擊，給機(jī)組的安全運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重影響[2]。

該電站在水頭130 m附近時(shí)導(dǎo)葉已達(dá)到最大開限90%（見圖3），隨著水頭進(jìn)一步降低，就會(huì)出現(xiàn)水流量不能滿足額定功率150 MW需求，進(jìn)而造成脫流、空化或者卡門渦等現(xiàn)象，從而造成蝸殼壓力脈動(dòng)，產(chǎn)生影響軸系振動(dòng)的外在激勵(lì)源。因此，根據(jù)該電站實(shí)際運(yùn)行情況和模型試驗(yàn)功率流量導(dǎo)葉開度圖，一是可通過降負(fù)荷即減少導(dǎo)葉開度即滿足流量需求來(lái)消除了外在的激勵(lì)源，二是可調(diào)整導(dǎo)葉開限來(lái)滿足流量需求。但如果放開導(dǎo)葉開限將可能造成機(jī)組在低水頭運(yùn)行時(shí)，隨著導(dǎo)葉開度的增加，轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流的負(fù)沖角就會(huì)變得越來(lái)越大，如果此時(shí)仍在滿負(fù)荷運(yùn)行，水流就會(huì)在轉(zhuǎn)輪進(jìn)口處產(chǎn)生巨大的反沖力，并在導(dǎo)葉出水邊至轉(zhuǎn)輪進(jìn)水邊產(chǎn)生巨大的壓力脈動(dòng)，機(jī)組軸向振動(dòng)明顯受到水力沖擊影響，造成頂蓋垂直振幅值的突增[4]。因此，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)討論決定通過減少導(dǎo)葉開度降負(fù)荷開度方案來(lái)執(zhí)行，但需要試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證是否可行。

圖3 模型試驗(yàn)功率流量導(dǎo)葉開度關(guān)系

5 試驗(yàn)過程

根據(jù)上述分析，本次低水頭發(fā)電降負(fù)荷試驗(yàn)按照每次5 MW遞減且穩(wěn)定運(yùn)行15 min來(lái)分析機(jī)組頂蓋振動(dòng)情況，直到機(jī)組頂蓋振動(dòng)恢復(fù)到設(shè)計(jì)范圍為止，然后逐步增加功率到額定功率，來(lái)驗(yàn)證功率和振動(dòng)是否有直接關(guān)系。為了確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，試驗(yàn)期間監(jiān)視機(jī)組頂蓋振動(dòng)、尾水管噪音和振動(dòng)等運(yùn)行情況，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4～圖6試驗(yàn)數(shù)據(jù)可得出：

（1）從圖4分析得出，在低水頭范圍內(nèi)機(jī)組頂蓋振動(dòng)隨著機(jī)組由額定功率150 MW降低至140 MW時(shí)，機(jī)組頂蓋振動(dòng)值就由3.3 mm/s降至1.5 mm/s，已經(jīng)低于設(shè)計(jì)保證值1.9 mm/s，當(dāng)繼續(xù)降到125 MW時(shí)頂蓋振動(dòng)繼續(xù)降低至0.6 mm/s；此時(shí)再按照5 MW逐漸增加功率到額定功率150 MW，在此過程中頂蓋振動(dòng)又由0.6 mm/s逐漸增大到3.2 mm/s。說明頂蓋振動(dòng)大小與機(jī)組功率有直接關(guān)系。

圖4 機(jī)組功率、頂蓋振動(dòng)等運(yùn)行趨勢(shì)

（2）從圖5分析得出，在低水頭范圍內(nèi)機(jī)組從150 MW降至125 MW過程中，尾水管處振動(dòng)由2.14 mm/s逐漸降低至0.53 mm/s；再?gòu)?25 MW增加至150 MW期間，尾水管振動(dòng)又從0.49 mm/s逐漸增大到2.14 mm/s。說明尾水管振動(dòng)大小跟機(jī)組功率變化存在直接相關(guān)性。

圖5 尾水管振動(dòng)變化趨勢(shì)

（3）從圖6分析得出，在低水頭范圍內(nèi)機(jī)組功率在140 MW及以上范圍內(nèi)，噪聲測(cè)量值均在110 dB左右；機(jī)組功率130 MW及以下范圍內(nèi)，噪聲測(cè)量值均在96 dB左右，尾水錐管處噪聲明顯減少。說明在低水頭運(yùn)行區(qū)域，機(jī)組功率大小與尾水管噪聲值存在直接相關(guān)性。

圖6 尾水管噪聲運(yùn)行趨勢(shì)

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果得出,該電站在低水頭降負(fù)荷至135 MW運(yùn)行時(shí)完全可以減少底蓋振動(dòng),而機(jī)組水頭從130 m降至129 m，機(jī)組在此階段運(yùn)行2 h左右，對(duì)發(fā)電影響不大，但對(duì)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行影響深遠(yuǎn)。故該電站將相關(guān)試驗(yàn)方案和試驗(yàn)數(shù)據(jù)等及時(shí)與相關(guān)調(diào)度備案，并得到調(diào)度許可即在水頭129～130 m之間運(yùn)行時(shí)從額定功率150 MW將至135 MW，此時(shí)機(jī)組頂蓋振動(dòng)運(yùn)行在0.9 mm/s，滿足設(shè)計(jì)要求，確保了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

6 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代化水輪機(jī)運(yùn)行評(píng)價(jià)的三大指標(biāo)分別為效率、空化和穩(wěn)定性，其中機(jī)組的穩(wěn)定性是一切評(píng)價(jià)的首要條件。因此，在水輪機(jī)機(jī)組選型時(shí)都把穩(wěn)定性放在首位。而大負(fù)荷低水頭運(yùn)行是機(jī)組在穩(wěn)定性邊界運(yùn)行工況的一種特殊工況[4]。對(duì)于運(yùn)行時(shí)水頭變幅較大且存在低水頭額定功率運(yùn)行的機(jī)組，如果受調(diào)速器開限限制機(jī)組運(yùn)行出力，即額定功率運(yùn)行水頭應(yīng)從額定運(yùn)行水頭調(diào)整到開限限制時(shí)水頭，否則按照原額定水頭額定功率運(yùn)行時(shí)就會(huì)影響機(jī)組的穩(wěn)定性，直接影響電廠的安全。

由于機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行受到水力特性的不確定性和變化性的影響，日常運(yùn)維應(yīng)密切關(guān)注水力環(huán)境與機(jī)組運(yùn)行情況之間的變化關(guān)系，找出機(jī)組運(yùn)行規(guī)律，并合理調(diào)整機(jī)組運(yùn)行工況，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行，延長(zhǎng)機(jī)組機(jī)械設(shè)備運(yùn)行壽命。各電站應(yīng)根據(jù)機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況，結(jié)合模型試驗(yàn)中功率、流量和導(dǎo)葉開度等關(guān)系，通過試驗(yàn)找到適合機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行的方式，并及時(shí)和相關(guān)調(diào)度溝通，確保方案的可執(zhí)行性。文章通過降負(fù)荷來(lái)控制機(jī)組頂蓋的振動(dòng)，可為其他電站提供參考。