某巨型水轮机组启动试运行稳定性试验研究

谭 鋆，李友平，司汉松

(中国长江电力股份有限公司，湖北 宜昌 443002)

某巨型水轮机主要的技术参数为：Hr=137 m，Ne=862.1 MW，n=90.91 r/min，Hs=-7.4 m，转轮叶片数为15，是目前投运的最大单机容量机组，其运行的稳定性受到国内外同行的高度关注，对确保电力系统的安全稳定也具有及其重要的意义。

水轮机模型试验是检验水轮机转轮性能的重要手段，但是由于受到各种因素的制约，水轮机模型与真机之间不可能完全相似，水轮机模型试验的结果不能完全反映真机的水力特性，因此必须通过试验来获取真机的真实性能[1]。在机组启动阶段，对该机组开展现场稳定性试验，掌握机组的特性，为电厂机组的安全、经济运行提供依据[2]。

1 试验条件

1.1 试验水头及测点布置

试验工况如下，上游水位：948.74 m，下游水位：823.19 m，毛水头：H=125.55 m。

本次试验共布置了44个测点，测点分布如下：摆度6个测点：上导，下导，水导；振动18个测点：上机架、下机架、定子机座、定子铁心、顶盖等；水压7个测点：蜗壳进口出口、尾水进口出口、无叶区、锥管0.3D等；噪声5个测点：机头、风洞、水车室、蜗壳门、尾水门等；其他信号：键相、导叶开度、有功、无功等。为保证测试数据的可靠性，本次试验仪器及传感器在试验前均由相关部门进行校验合格。

1.2 试验标准

试验及数据处理根据国家标准和行业标准的有关规定进行：

GB/T 11348.5-2008旋转机械转轴径向振动的测量和评定第五部分：水力发电厂和泵站机组。

GB/T 17189-2017水力机械(水轮机、蓄能泵和水泵水轮机)振动和脉动现场测试规程。

DL/T 507-2014 水轮发电机组启动试验规程。

2 机组运行稳定性

2.1 水压力脉动

水轮机的水力特性是影响水轮发电机组稳定运行的最重要因素，在机组运行稳定性试验中需特别关注水压力脉动的测量[3]。

图1、图2、图3分别为试验工况下无叶区、蜗壳进口、锥管0.3D处的水压(97%置信度)脉动值△H/H随负荷变化的趋势图。为了便于比较，在图中作出了厂家保证值的范围。从图中可知，X、Y方向的脉动值变化趋势基本一致，说明试验数据是可信的。

图1 无叶区压力脉动图

图2 蜗壳进口压力脉动图

图3 锥管0.3D压力脉动图

无叶区压力脉动在0～300 MW小负荷区域从6%逐渐减小至2.5%左右，在300～600 MW区域呈现单峰值形态，最大值为3.33%，主频为0.29 Hz；机组负荷大于600MW后逐渐稳定，均在厂家保证值范围内，机组负荷大于750 MW后有轻微翘尾现象，最大值为3.1%，主频为22.71 Hz(15倍转频)；

蜗壳进口压力脉动在试验工况下均满足厂家保证值要求，机组负荷大于200 MW后逐渐稳定，维持在1.6%左右；

锥管0.3D压力脉动在试验工况下基本均满足厂家保证值要求。在0～100 MW小负荷区域幅值较大，最大值为6.3%，主频为0.01 Hz；在100～700 MW负荷区域，幅值逐渐减小，机组负荷大于700 MW后趋于稳定，稳定在1%左右。

2.2 机组摆度

图4为机组摆度幅值随负荷变化的趋势图。在0～200 MW负荷范围内，随着机组负荷的增加，机组摆度逐渐减小，总体在厂家保证值范围内，主频主要为转频1.51 Hz；随着导叶开度及流量的增大，在300～550 MW负荷范围内，机组摆度呈现单峰形态，摆度值维持在较高水平，此时频率主要为0.3 Hz，与该工况下无叶区压力脉动的频率基本一致。在550～850 MW负荷范围内，三部轴承摆度幅值较小且稳定，幅值均维持在100 um左右，此时频率主要为转频1.51 Hz。

图4 机组摆度图

2.3 顶盖振动

图5为顶盖振动幅值随负荷变化趋势图。顶盖振动幅值变化范围较大，与无叶区压力脉动变化趋势基本一致。在0～200 MW负荷区域达到最大值，大于厂家保证值，主要为0.3 Hz以下的低频振动，与该工况下无叶区、锥管0.3D处的压力脉动频率基本一致；在300～750 MW负荷区域，顶盖振动幅值均满足厂家要求且稳定，幅值基本维持在20～30 um之间；机组负荷大于750 MW后，顶盖水平振动幅值有翘尾现象，略微超标，从频谱可知，此时主要为低于0.3 Hz左右的低频振动。

图5 顶盖振动图

3 机组运行区域划分

根据试验数据及厂家合同保证值，可以将试验水头下全负荷范围内该机组的运行区域划分为[4-5]。

1)小负荷区。小负荷区的运行范围约为空载0～200 MW，机组处于低水头、小开度的工况下，无叶区、蜗壳进口、锥管0.3D处压力脉动达到最大值，信号的主频为涡带频率，约为0.3 Hz；此时机组振动、摆度幅值均维持在较高的水平，此时机组摆度主频主要为转频1.51 Hz，顶盖振动主频为0.3 Hz左右的低频。

2)涡带工况区。负荷范围约为330～550 MW，机组处于涡带工况，机组无叶区压力脉动呈现单峰值形态，此时机组振动、摆度均出现峰值，主频均为0.3 Hz。

3)大负荷最佳运行区。负荷范围约为550～750 MW，机组振动、摆度、压力脉动等参数幅值达到全负荷最小值且幅值稳定，是机组的最佳运行区域。

4)高负荷区。负荷范围约为750～850 MW，无叶区压力脉动和顶盖振动出现翘尾现象，略有增加，无叶区压力脉动的主频为15倍转频；该区域其余部件振动摆度基本保持稳定，未出现明显变化。

4 结 语

1)在机组脱离涡带区域之后，压力脉动、机组摆度、振动幅值均小于厂家保证值，在高负荷区的顶盖振动水平幅值超过厂家保证值。

2)试验数据表明，试验水头下全负荷区间可划分为：小负荷区、涡带工况区、大负荷最佳运行区、高负荷区。小负荷区压力脉动、顶盖振动的幅值最大，机组摆度也出现峰值；涡带工况区机组摆度幅值最大，压力脉动、机组振动幅值有明显增加，主要频率为涡带频率；大负荷区内压力脉动、摆度、振动的幅值最小；高负荷区内顶盖振动、无叶区压力脉动幅值有所增加。

3)试验成果说明，在新机组启动试运行期间对机组进行全面试验，有助于机组投运后的安全运行，有助于分析研究机组的特性。