1、混流式水轮机振动分析与优化运行冯顺田(乌江渡发电厂，遵义563000)【摘 要】运行中的水轮机在不同程度上都存在着振动现象。机组振动的一个主要因素就是偏离设计工况运行，并存在运行振动区域。乌江渡发电厂3台HI,638一12520型机组自20世纪80年代初投运以来，水轮机大轴封水盖、尾水管上锥管段及顶盖都受到过严重的振动破坏。通过振动分析，结合多年运行经验，绘制振动区边界日一P曲线，并考虑本厂电气接线特点，在自动发电控制AGE系统中设计扩充自动避开振动区功能，使避开振动区运行智能化，解决了以往凭运行人员经验和感觉避开振动区运行的问题，实现优化运行。【关键词】水轮机振动分析运行l水轮发电机组振动概
2、述水轮发电机组振动的起因有机械振动、水力振动和电磁振动。机械振动的干扰力来自机械部分的惯性力、摩擦力和其他力；水力振动的干扰力来自水轮机水力部分的动水压力；电磁振动的干扰力来自发电机电气部分的电磁力。振动不但会影响水轮机的正常工作，而且会引起机组和厂房的损坏。运行中的水轮机在不同程度上都存在着振动和摆动，特别是高水头水轮机尤为突出。机组的振动除了与机组的制造和安装质量有关外，一个主要因素就是偏离设计工况运行。在所有振动因素中，尾水管压力脉动引起的水力振动就是偏离设计工况运行造成的，这种运行工况常称为“振动区”，特别是在低水头下运行时，振动区更突出。从运行值班的角度讲，要合理调整机组负荷，尽量避
3、开振动区运行。振动区域通常是在额定负荷的3575之间，但不同型号的水轮机存在着差异。而且同一台水轮机的振动区域会随水头的降低向导叶开度增大的方向推移，沿着水头由低到高形成喇叭形分布。水轮发电机组由于有开、停机快捷、方便和调节负荷迅速、宽广的特点，在电力系统中一般担任调峰、调频任务(尤其是单机容量相对较大的机组)，因此振动区运行矛盾较突出。要合理避开振动区运行，关键是要高度重视。首先要了解各机组振动区的范围和特点，其次是优化运行方式，合理分配机组间负荷。在一个厂有多台机运行的情况下，可以通过内部调整，减少振动区运行的危害；在本厂无法调整时应通过电力系统调整，避免在振动区长时间运行。2混流式水轮机
4、尾水管压力脉动分析21 尾水管压力脉动现象尾水管压力脉动是引起水轮机振动破坏的一个主要原因。立式混流式水轮机尾水管压力脉动，在部分负荷时尤为强烈。根据现场运行经验：导叶开度在50附近时，机组各部位振动摆度明显较大；机组振动较大时，在发电机层就能听到涡带撞击尾水管壁时发出的“轰隆”声，在尾水管附近可听到水流的冲击声；蜗壳压力表和顶盖压力表指针摆动程度随机组振动增大而明显增大。22 产生压力脉动的原因分析水轮机偏离最优工况运行时，转轮出口水流的绝对速度将产生一圆周分量，尾水管内的旋转流速由管壁到中心逐渐增大，在尾水管内形成了真空涡带。涡带以一定的频率在尾水管内旋转，其中心的真空带周期性的扫射尾水管
5、的四周，产生周期性的压力波动，引起机组强烈振动，发出撞击声。23 最大压力脉动条件分析某些理论计算和许多现场试验均证明：大型水轮机在Q=055Q，时出现最大压力脉动。与Q=794第一届水力发电技术国际会议论文集(第二卷)055q。对应的导叶开度一般在50左右t川。当Q=055Q。时，在设计水头下，发电机的有功出力约为额定出力的一半；当水头变化时，在同样的流量下，发电机的有功出力有相应变动。当保持Q=055Q。恒定时，水头升高，导叶开度势必要减少，即偏小于50开度；水头降低时，情况相反。因此，最大压力脉动工况点是随水头的变化而在50开度附近和一半额定出力左右变动的，即存在一个振动区域。3水轮机的
6、振动破坏实例分析乌江渡发电厂装有3台210MW同型号的大型水轮发电机组，水轮机型号为HI_638一LJ一520。1号机组于1979年12月投产，2号机组和3号机组分别于1981年5月和1982年12月发电。自从3台机组投运以来，水轮机大轴封水盖、尾水管上锥管段及顶盖都受到过严重的振动破坏。31 主要设备规范311 水轮机型号：HL一608一U一520最大水头：1342m最小水头：942m设计流量：203m3s保证效率：915额定功率：214300kW设计水头：120m额定转速：150rmin吸出高度：一35m312 发电机型号：佟一103524040定子电压：15750V功率因素：0875效率
7、：9817转子电流：1615A额定功率：舢kvA定子电流：8800A额定转速：150rmin转子电压：353V转子空载电流：871A32振动试验结果乌江渡发电厂于1988年、1989年委托中国水利水电科学院水力机电研究所(简称水科院)分别对2号、3号机组做过专门的振动试验，发现机组振动主要是由尾水管涡带引起的压力脉动及空腔空蚀所产生，强烈振动区域在40。60导叶开度范围内。试验报告指出，在当时条件下(水头119m)涡带压力脉动较大的工况是机组出力在80130MW范围之间，且随水头的变化而略有上抬和下降，随机性压力脉动主要出现在50MW以下。这一试验结果与本文前述压力脉动分析结果是相符的。33
8、振动破坏情况331 封水盖脱落大轴中孔封水盖原设计由锅底型25号铸钢制成，盖体以M30螺丝与大轴连接。自投入运行以来，封水盖漏水频繁，尾水多次沿大轴中心孔灌入推力油槽，并使定子线圈和转子磁极因受潮而被击穿，造成水轮发电机组多次事故停机。795第一届水力发电技术国际会议论文集(第二卷)原因分析：当机组在振动区运行时，产生的涡带的中心位于封水盖附近，因此封水盖所受的冲击力较大，连接螺栓无法抵抗持续冲击力的作用，丝牙受到损坏，导致事故发生。 、332 尾水管剥离尾水管的结构形式为4H，其中上锥段管是钢板里衬，其余均为混凝土。投运后曾发生尾水管补气嘴脱落和尾水管里衬与混泥土基础剥离等破坏情况。2号机组
9、在1998年运行中发现尾水管进人门边缝出现较大漏水，后来在机组检修中发现尾水管上段锥管连接焊缝处裂缝。原因分析：压力脉动对尾水管里衬有相当大的破坏作用，根据现场运行记载，2号机组在振动区运行的情况多一些，所以遭受损坏的程度最为严重。333 顶盖裂纹1、2、3号机均出现过顶盖支持筒与筋板连接焊缝附近裂纹。原因分析：当机组在振动区运行时，顶盖的垂直振动急剧增加，支持筒主补气腔壁强度较低，焊接处也产生了焊接应力，使其不能承受顶盖长期垂直振动作用。334 防范措施针对上述问题从检修方面采取的一系列处理措施，基本能抑制低频压力脉动破坏的继续发展，但仅靠修补的办法，不能从根本上消除危害。根本的办法是减轻破
10、坏源偏心涡带的强度。4避开振动区优化运行的方法41振动区边界日一P曲线绘制的意义在运行中尽量让机组避开振动区，是减小振动对机组危害的有效手段。过去运行值班人员是根据试验报告的结果调整机组避开80130MW的出力运行。但是，在汛期高水头(或枯水期低水头)运行时，现场值班中发现振动区明显高于130MW(或低于80M)，表现为机组振动声音加大，有功出力上下不停波动。而在80130MW的一部分范围内机组振动却较小。这是因为水科院试验报告并没有明确指出振动区上抬或下降的具体数值，且后来尾水河道经历数次开挖，水轮机实际水头与对应出力等参数已经发生变化。根据“水轮机的强烈振动区在40一60导叶开度范围内”的
11、振动试验结论，将不同水头下40和60导叶开度分别对应的有功出力绘制成曲线，就可得到强烈振动区有功出力的上下边界，边界之间的范围就是强烈振动区。而水头日和对应的有功出力P在运行日志和值班记录中能统计出来，经过分析处理后，就可以绘制出水头日与其对应出力P的实际关系曲线(简称HP曲线)。日一P曲线图中导叶开度为40及60的两条曲线之间的区域就是机组的强烈振动区。知道水头日后，能方便地查出此水头下振动区的上、下边界出力值，据此即可调整机组避开振动区运行。42 AC-,C自动避开振动区的功能设计仅靠运行人员根据振动区边界日一JP曲线作指导进行人为调整避开振动区运行，手段还是比较原始的，应当充分利用智能化
12、手段。这就是自动发电控制AGC功能的扩充应用。421 开停机方式及负荷分配原则(1)根据总负荷决定开机的台数，旋转备用容量要足够，要便于负荷的调整。(2)根据厂用电的特点，开停机的方式要保证厂用电的安全。(3)开停机方式及负荷分配要保证机组避开振动区运行。(4)尽量避免0号联络主变压器在高负荷运行。(5)在保证安全的前提下尽量做到经济运行。(6)全厂机组旋转备用容量按总负荷的5考虑。(7)机组并网运行时应尽量避开尾水管随机压力脉动区050MW。(8)确实无法避开尾水管随机压力脉动区时，机组有功负荷不得低于5MW(监控系统调整无功负荷的闭锁条件)。422 开停机方式的特殊因素考虑(1)一般情况下
13、1号机组保持连续运行、不停机，既带厂用电又可平衡110kV与220kV系统的负荷，减轻O号主变压器负荷。796第一届水力发电技术国际会议论文集(第二卷)(2)只开两台机时，一般情况下开1号、2号机组运行，两台机均带厂用电。(3)在某些总负荷下，不便于调整机组避开振动区，可考虑改变运行机组的台数以便于调整。423 开停机方式及负荷分配设计根据上述原则，参考HP曲线，设计出优化运行方案，见表1。表1 机组开机方式及负荷分配表全厂总负荷 开机台数 开停机方式及负荷分配水 头(MW) (台) 1号机组(raw) 2号机组(MW) 3号机组(MW)400以上 3 155一最高负荷 155一最高负荷或晒以
14、下 155一最高负荷或85以下200一400 2 155一最高负荷 155一最高负荷或85以下 停机备用124m以上 85155 2 路及以下 衢及以下 停机备用155200 1或2 155。最高负荷或85以下 停机备用或85以下 停机备用龉及以上 l 带全厂负荷 停机备用 停机备用400以上 3 140。最高负荷 140一最高负荷或75及以下 140一最高负荷或75及以下200一400 2 140一最高负荷 140一最高负荷或75及以下 停机备用114124m 75一140 2 75及以下 75及以下 停机备用140200 1或2 140一最高负荷或715及以下 停机备用或75及以下 停机备
15、用75及以下 1 带全厂负荷 停机备用 停机备用400以上 3 130一最高负荷 130一最高负荷或65及以下 130一最高负荷或65及以下20D一400 2 DO一最高负荷 130一最高负荷或65及以下 停机备用110一114m 65一130 2 65及以下 65及以下 停机备用130200 1或2 130一最高负荷或贷及以下 停机备用或65及以下 停机备用65及以下 l 带全厂总负荷 停机备用 停机备用400以上 3 126一最高负荷 l衢最高负荷或55及以下 126一最高负荷或55及以下2一400 2 126一最高负荷 126一最高负荷或$及以下 停机备用105110m 55一126 2
16、 55及以下 55及以下 55及以下126200 1或2 l衢一最高负荷或55及以下 停机备用或55及以下 停机备用55及以下 1 带全厂负荷 停机备用 停机备用400以上 3 115一最高负荷 115一最高负荷或髭及以下 15一最高负荷或52及以下2一400 2 115。最高负荷 115一最高负荷或毙及以下 停机备用lcl3一105m 52115 3 52及以下 52及以下 52及以下1152ID0 1或2 115一最高负荷 停机备用或毙及以下 停机备用52及以下 1 带全厂总负荷 停机备用 停机备用400及以上 3 110最高负荷 110一最高负荷或卯及以下 110一最高负荷或50及以下2
17、|D0400 2 110一最高负荷 110一最高负荷或卯及以下 停机备用lin50一110 2 50及以下 50及以下 50及以下及以下110200 l或2 110一最高负荷 停机备用或50及以下 停机备用50及以下 l 带全厂总负荷 停机备用 停机备用第一届水力发电技术国际会议论文集(第二卷)5结论乌江渡发电厂机组自从投产后，担任贵州电网主要调频任务，在振动区运行情况在所难免，对机组有较大的损害。通过从运行方式和检修技改上逐步落实防范措施，使乌江渡机组振动的矛盾得到缓解。2001年研制开发“利用日一P边界曲线自动识别振动区系统”成果指导运行，然后推广应用到Ace功能中执行，使避开振动区运行智能化，取得较好效果。2003年2号机组大修中发现水轮机受振动和空蚀的破坏都明显减轻。乌江渡发电厂扩机工程两台机组分别于2003年8月和12月投产，在AGe功能中推广应用了避开机组振动区运行的方法。此方法和思想也可供兄弟电厂参考、借鉴。参考文献1罗小黔混流式机组尾水管压力脉动规律的实用性研究技术工作消息，1985，1，35作者简介冯顺田，男，1963年生，贵州省湄潭人，现从事安全生产管理工作。
