广西乐滩水电站机组稳定性试验分析

翟晓阳，韦家庆，韦 刚，贺亚娟，李金伟

（1.广西桂冠开投电力有限责任公司，广西 南宁530000；2.中国水利水电科学研究院，北京100048）

1 概述

广西乐滩水电站是红水河规划开发的第八个梯级水电站，坝址位于广西忻城县红渡大桥上游3 km处，距上游已建的百龙滩水电站76.2 km，是一座以发电为主，兼具航运、灌溉等综合利用效益的水电工程。电站正常蓄水位为112.0 m，为河床式厂房，设计有4台轴流转桨式水轮发电机组，单机容量150 MW，总容量600 MW。机组由哈尔滨电机有限责任公司制造，由广西水电工程局电力安装公司安装。

机组水轮机基本技术参数如表1所示。

表1 水轮机基本技术参数

目前，在不同水头工况下，机组存在一定负荷范围的振动区，为保障机组安全稳定运行，便于电网合理调度，对机组开展现场稳定性试验，分析和评价机组的运行状态，划分机组的运行振动区，是一种行之有效的成熟方式[1-5]。

为此，2017年9月至2018年8月，乐滩水电站委托中国水利水电科学研究院对4号机组开展了不同水头工况下的稳定性试验。

2 试验工况和试验内容

2.1 变负荷试验1

平均静水头：21.75 m

机 组 有 功 分 别 为：15 MW、30 MW、45 MW、60 MW、75 MW、90 MW、105 MW、120 MW、135 MW、148 MW。

2.2 变负荷试验2

平均静水头：17.86 m

机 组 有 功 分 别 为：15 MW、40 MW、65 MW、90 MW、115 MW、140 MW。

2.3 变负荷试验3

平均静水头：19.82 m

机 组 有 功 分 别 为：25 MW、50 MW、75 MW、100 MW、125 MW、150 MW。

2.4 变负荷试验4

平均静水头：23.58 m

机 组 有 功 分 别 为：45 MW、60 MW、75 MW、90 MW、105 MW、120 MW、135 MW、150 MW。

2.5 变负荷试验5

平均静水头：26.66 m

机 组 有 功 分 别 为：45 MW、60 MW、75 MW、90 MW、105 MW、120 MW、135 MW、150 MW。

5个水头工况下的变负荷试验在4号机组上进行，机组变负荷试验与相对效率试验同时进行。

3 测点布置

现场试验测试内容包括上机架振动、推导轴承支架振动、定子机座振动、顶盖振动、上导摆度、推导摆度、水导摆度、机组内部的压力脉动。

测点布置如下：

（1）振动：上机架、推导轴承支架、定子机座以及顶盖的+X、+Y、+XZ方向各布置1个测点，共计12个测点。

（2）摆度：上导、推导、水导的+X、+Y方向各布置1个测点，共计6个测点。

（3）压力脉动：蜗壳进口、顶盖下、尾水锥管、尾水肘管各布置1个测点，共计4个测点。

4 试验结果分析

4.1 变负荷试验1（平均静水头21.75 m）

根据 ISO7919-5：2005 和 GB/T11348.5-2008《旋转机械转轴径向振动的测量和评定第5部分：水力发电厂和泵站机组》、ISO10816-5：2000和GB/T6075.5-2002《在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动 第5部分：水力发电厂和泵站机组》可知，水导摆度和顶盖径向振动一般作为评价水轮发电机组的参数指标，如图1～图2所示。

将水导摆度分为A区（62.5 r/min对应的分区值为 0～164.7 μm）、B 区（对应的分区值 164.7～273.3 μm）、C区（对应的分区值273.3～550 μm）、D区。顶盖径向振动的分区与水导摆度的一致。

注：每个轴承测得的最大振动幅值，根据下面规定的区域来评价：

区域A：新交付使用的机器的振动通常应在此区域内；

区域B：通常认为振动在此区域内的机器可以无限制地长期运行；

区域C：通常认为振动在此区域内的机构不宜长期持续运行。一般来说，在有适当机会采取补救措施时，机器在这种状态下可以运行有限的一段时间；

区域D：通常认为在此区域的振动已经非常严重，足以导致机器损坏。

图1 转轴振动位移峰-峰值的推荐评价区域

图2 固定部件振动评价区域边界值

表2、表3分别显示了水导摆度、顶盖振动随负荷变化的数值。可以看出，随着负荷的增大，水导摆度和顶盖振动峰峰值基本呈现出先增大后减小趋于稳定，然后小幅上扬的变化趋势。

表2 摆度峰峰值

表3 顶盖振动峰峰值

4.2 变负荷试验2（平均静水头17.86 m）

表4、表5分别显示了水导摆度、顶盖振动随负荷变化的数值。

表4 摆度峰峰值

表5 顶盖振动峰峰值

4.3 变负荷试验3（平均静水头19.82 m）

表6、表7分别显示了水导摆度、顶盖振动随负荷变化的数值。

表6 摆度峰峰值

表7 顶盖振动峰峰值

4.4 变负荷试验4（平均静水头23.58 m）

表8、表9分别显示了水导摆度、顶盖振动随负荷变化的数值。

表8 摆度峰峰值

表9 顶盖振动峰峰值

4.5 变负荷试验5（平均静水头26.66 m）

表10、表11分别显示了水导摆度、顶盖振动随负荷变化的数值。

表10 摆度峰峰值

表11 顶盖振动峰峰值

由表4～表11可以看出：随着负荷的增大，水导摆度和顶盖振动峰峰值基本呈现出先减小后逐渐上扬的变化趋势。小负荷工况下，机组内部的流态不佳，叶片进口脱流比较严重，往往导致水导摆度和顶盖振动较大；大负荷工况下，转轮出流出现负环量，水导摆度和顶盖振动往往出现小幅上扬。

4.6 机组运行振动区划分

根据表2～表11的分析结果，本文采用线性插值的方法分析出机组的振动区限制运行负荷随水头的变化趋势，如表12、图3所示。

表12 各水头工况下的限制运行负荷

图3 机组运行振动区划分

5 结语

本文通过分析5个水头工况下4号机组的稳定性试验数据，掌握了机组的运行特性，评价了机组的运行状态，划分了机组的运行振动区，为机组的安全稳定运行提供了坚实的技术支撑，本文的研究结果可推广应用到乐滩水电站其他3台机组。