基于稳定性试验数据的水轮发电机组运行区域划分

王利杰，王鸿腾，孙波

（华电电力科学研究院有限公司，杭州 310030）

0 引言

水轮发电机组是水电站的核心设备，其稳定性直接关系着水电站的安全运行。通过水轮发电机组稳定性试验获取机组振动、摆度、压力脉动等重要指标，是掌握机组稳定性能的有效方法［1］。机组稳定性试验既可以检验机组设计、制造、安装及检修质量，又可以分析机组振动特点和规律，了解水力、机械和电磁3种不平衡因素的存在程度和影响，研究振因、分析振源，为机组安装、检修及技术改进提供科学依据，还可以掌握机组各种工况下的运行状态，划分运行范围，指导机组安全运行［2-5］。

通常水轮发电机组运行区域划分一般基于部分特征水头（如最大水头、工作水头、最小水头等）和典型负荷工况下的稳定性试验，试验数据有限，导致划分的运行区域难以覆盖全部运行水头及负荷工况，划分结果相对粗略。本文通过开展某水电站全运行水头下水轮发电机组全负荷范围真机稳定性试验，获取机组大量稳定性试验数据，采用稳定性试验数据分析方法，判断机组稳定性指标是否满足标准规范以及供货合同要求。根据稳定性试验数据分析结果，结合电站实际运行情况，精细划分机组在全运行水头下全负荷运行区域。电站实际运行证明，采用本文方法所划分的运行区域满足电网调度运行要求，取得了较为满意的效果。

1 某水电站稳定性试验

某水电站安装6台单机容量600MW 混流式水轮发电机组，机组最大水头为240.0m，最小水头为153.0 m，额定水头为200.0m，额定转速为142.9 r／min。根据水电站实际运行情况，划分机组稳定性试验水头工况。其中#4机组稳定性试验水头划分见表1，试验过程中机组运行负荷工况根据现场运行情况间隔10～20MW 选取一个工况点。

#4机组稳定性试验测点包括：上导、下导、水导摆度（X向、Y向）；上机架、下机架、顶盖振动（水平X向、水平Y向、Z向）、蜗壳进口压力脉动、尾水进口压力脉动等。导轴承处摆度幅值通过电涡流传感器监测，上机架、下机架、顶盖处振动幅值通过低频振动传感器监测，压力脉动幅值通过动态压力传感器监测。试验过程中通过数据采集器自动采集各摆度、振动、压力脉动测点幅值。机组实时出力、活动导叶开度以及电站上游、尾水水位通过中控室实时监控系统读取。

表1 某水电站稳定性试验水头划分（#4机组）Tab.1 Head partition in the stability test for a hydropower station（No.4 unit） m

限于篇幅，本文仅给出毛水头为158.8，209.5，236.0m时#4机组振动、摆度、压力脉动试验数据曲线，如图1— 6所示。

图1 158.8m毛水头时 #4机组导轴承摆度及水压脉动与有功功率的关系Fig.1 Relationship between swing of the guide bearing，water pressure fluctuation and active power of No.4 unit at 158.8m gross water head

根据标准DL／T 507—2014《水轮发电机组启动试验规程》要求［6］，机组各部位振动、摆度限值见表2。根据实测机组稳定性试验数据，158.8，209.5，236.0m毛水头时，在各试验负荷工况下#4机组各部位的振动幅值无明显规律且满足规范标准要求，各导轴承摆度幅值均满足规范标准要求。

图6 毛水头236.0m时 #4机组振动及水压脉动与有功功率的关系Fig.6 Relation between vibration，water pressure fluctuation and active power of No.4 unit at 236.0m gross water head

表2 #4机组各部位振动摆度限值Tab.2 Lim its of the vibration and sw ing at each part of No.4 unit μm

根据实测数据可知，#4机组各导轴承摆度呈现出在某些负荷区域相对较大的规律，与其他负荷区域相比，在此负荷区域导轴承摆度出现1／4倍转频（0.6Hz）的主要影响频率，随着负荷1／4倍转频的影响增加逐渐减小，此现象符合由涡带引起的水力不稳定规律。#4机组不同水头涡带工况区所在的负荷区域范围不尽相同，随着水头增加向高负荷方向逐渐推移。上导、下导及水导摆度幅值趋势图形状相似，幅值相对较大负荷区间大致相同，趋势图形状相似。

2 机组运行区域划分原则

2.1 可长期持续运行区域

结合电厂实际情况，参考国家标准《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》中划定的A，B区域［7］，即通常认为振动在此区域内的机器可以无限制地长期运行。

2.2 不宜长期运行区域

参考国家标准《水轮机基本技术条件》规定，水轮机应在相应水头下机组保证功率的45% ～100%范围内稳定运行［8］，鉴于机组合同未对所有水头的机组保证出力进行约定，选取试验过程中相应毛水头下的机组最大出力的45%为低负荷稳态运行区域。低负荷稳态运行工况作为特殊运行工况的一种，目前还没有足够的数据和经验来建立特殊工况的限制曲线。出于机组安全运行的考虑，不宜在此区域长期持续运行。

2.3 涡带工况区域［9-16］

根据实测数据可知（图1），导轴承摆度幅值呈现出在某些负荷区域相对较大的规律，此负荷区域导轴承摆度出现1／4倍转频（0.6Hz）的主要影响频率，随着负荷的增加，1／4倍转频的影响逐渐减少，此现象符合由涡带引起的水力不稳定规律。机组不同水头涡带工况区所在的负荷区域范围不尽相同，随着水头增加向高负荷方向逐渐推移。建议在机组涡带工况运行时注意加强巡视。

3 某水电站机组运行区域

依据上文所述的机组运行区域划分原则，结合机组全运行水头下全负荷范围稳定性试验数据分析结果，对某水电站6台机组全水头下精细运行区域进行划分，其中#4机组运行区域如图7、图8所示。

图7 某水电站 #4机组运行区域排列Fig.7 Arrangement of the operating region of No.4 unit in the hydropower station

图8 某水电站 #4机组运行区域分布Fig.8 Operation region distribution of No.4 unit in the hydropower station

该电站根据本文所提供的运行区域，在调度允许情况下尽可能控制机组在高负荷稳定运行区域，不仅保证了机组安全、稳定运行，而且可以有效降低机组耗水率，提高电站运行的经济效益。

4 结束语

通过分析某水电站水轮发电机组全水头下全负荷范围稳定性试验数据，在满足相关规范标准要求下结合电站实际运行情况，对机组全运行水头下运行区域进行精细划分，绘制运行区域分布图，为电站机组安全、稳定、高效运行提供科学依据。