燈泡貫流式水輪發(fā)電機組穩(wěn)定性測試與分析

周斌，萬天虎，李華

（1.大唐定邊風電廠，陜西定邊718600；2.陜西電力科學研究院，陜西西安710054）

燈泡貫流式水輪機[1-4]具有適用水頭低、過機流量大以及效率高等特點，一般用于開發(fā)低水頭、大流量的水力資源，水頭適應范圍為5～25m。機組結(jié)構(gòu)與常規(guī)的混流式和軸流轉(zhuǎn)槳式機組存在較大的區(qū)別，整個機組為臥式布置，發(fā)電機組橫向布置在流道中，典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。燈泡貫流式流道順直，流場分布較均勻，水力效率較高，在相同的容量下尺寸比立式機組小得多，機組重量輕，土建工程量小，節(jié)省投資。近年來機組單機容量越來越大，目前已投產(chǎn)廣西橋鞏電站機組單機容量為57 MW，是國內(nèi)最大的燈泡貫流式機組。

燈泡機組整體均在流道中，其中燈泡體是燈泡貫流式機組的核心部分，它外部作為過水流道的一部分內(nèi)部布置機組大軸、軸承、發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子等部件。燈泡體是大型的薄殼外壓容體結(jié)構(gòu)，承受水壓力、轉(zhuǎn)動以及固定部分重量。由于機組轉(zhuǎn)動慣量小，使得Tw（水流慣性時間常數(shù)）/Ta（機組慣性時間常數(shù)）值較大，水輪機水力振動對機組振動的影響也比較大，因此，燈泡貫流式機組的水力振動是影響機組運行穩(wěn)定性的重要原因。另外由于制造、安裝等原因可能造成機組轉(zhuǎn)動部分重量不平衡，離心力不平衡以及協(xié)聯(lián)關系不匹配都是引起機組運行不穩(wěn)定的常見原因。通過測試，可全面分析出機組的運行狀況，為機組的檢修、運行提供可靠依據(jù)[5-6]。

1 機組運行穩(wěn)定性要求

1）《GB/T8564—2003水輪發(fā)電機組安裝技術規(guī)范》第15.3條第15.3.1-d)款規(guī)定：測量機組運行擺度（雙振幅），其值應不大于75%的軸承總間隙。

2）GB/T8564—2003第15.3條第15.3.1-e） 款規(guī)定：對轉(zhuǎn)速小于250~375 r/min的機組測量機組振動，水導、發(fā)導軸承振動不能超過80μm，發(fā)導軸承軸向振動不能超過80μm；燈泡頭水平振動不超過100μm；以上振動限定值為除過速運行以外的各種穩(wěn)定運行工況下的雙振幅值。

3）《水輪發(fā)電機基本技術條件GB/T7894-2001》第4.3.10條規(guī)定：在水輪發(fā)電機出口處上方垂直距離1m處測量的噪聲水平，應不超過85dB（A）。

4）《水輪機基本技術條件GB/T 15468—2006》第5.8條規(guī)定：水輪機正常運行時，在轉(zhuǎn)輪室周圍1m處所測得的噪聲不應大于90 dB。

2 測試內(nèi)容及測點布置

2.1 測試項目

2.1.1 變轉(zhuǎn)速試驗

試驗時把機組轉(zhuǎn)速分別調(diào)整至60%、80%、100%、110%的額定轉(zhuǎn)速，每工況下要穩(wěn)定運行5min，觀測分析機械因素（轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡）對機組振動的影響。試驗過程中發(fā)電機轉(zhuǎn)子不加勵磁，機組在上述不同轉(zhuǎn)速運行穩(wěn)定后，測量機組各部位的振動、大軸擺度。

2.1.2 變勵磁試驗

機組以額定轉(zhuǎn)速運行，試驗時勵磁電流分別調(diào)整至發(fā)電機空載額定電壓對應的勵磁電流的0%、50%、100%，實測試驗中勵磁電壓變化，每工況要穩(wěn)定運行5min，觀測分析電氣因素（磁拉力不平衡）對機組振動的影響。

2.1.3 變負荷試驗

機組從并網(wǎng)后空載運行開始，負荷一般以10%額定負荷為步長，從空載逐步增加至額定負荷。每個工況穩(wěn)定運行5min。在額定轉(zhuǎn)速和額定勵磁工況下機組運行試驗，主要分析機組帶負荷情況下運行情況，確定振區(qū)范圍。

2.2 測點布置

2.2.1 大軸擺度測點

1）受油器處擺度測點（X、Y方向各一個）：傳感器支架固定在受油器外罩處。

2）發(fā)電機軸承擺度測點（X、Y方向各一個）：傳感器支架固定在軸承外殼上。

3）水輪機軸承擺度測點（X、Y方向各一個）：傳感器支架固定在軸承外殼上。

4）大軸擺度鍵相測點：傳感器支架固定在水導軸承外殼上，與水導擺度測點位置一致。

2.2.2 振動測點

1）燈泡頭軸向振動，燈泡頭+X方向（水平傳感器）。

2）燈泡頭徑向振動，燈泡頭+X方向（垂直傳感器）。

圖1 燈泡貫流式機組典型結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure diagram of bulb turbine generating unit

3）發(fā)電機導軸承徑向振動，+Y方向（垂直傳感器）。

4）發(fā)電機導軸承（組合軸承）軸向振動，+X方向（水平傳感器）。

5）水輪機導軸承徑向振動，+Y方向（垂直傳感器）。

6）水輪機導軸承徑向振動，+X方向（水平傳感器）。

7）轉(zhuǎn)輪室徑向振動，+Y方向（垂直傳感器）。

8）轉(zhuǎn)輪室徑向振動，+X方向（水平傳感器）。

2.2.3 壓力測點

1）導葉進口前：壓力傳感器安裝在水壓測量盤上；

2）尾水進口：壓力傳感器安裝在水壓測量盤上。

2.2.4 噪音測點

1）燈泡頭；

2）發(fā)電機出口1m處；3）發(fā)電機層；

4）轉(zhuǎn)輪室上方1m處。

3 測試實例分析

3.1 機組基本參數(shù)

機組基本參數(shù)見表1。

表1 機組基本參數(shù)Tab.1 Basic parameters of the unit

3.2 變轉(zhuǎn)速試驗

提取機組在空轉(zhuǎn)狀態(tài)60%、80%、100%以及110%轉(zhuǎn)速下大軸擺度、水導軸承支架振動轉(zhuǎn)頻分量，得到轉(zhuǎn)頻分量與轉(zhuǎn)速平方關系圖2。

根據(jù)轉(zhuǎn)速平方變化趨勢，總體上不隨著轉(zhuǎn)速的升高呈線性上升，動平衡問題對機組穩(wěn)定運行影響很小，基本上不存在明顯的動平衡問題。

圖2 振動、擺度轉(zhuǎn)頻分量與轉(zhuǎn)速平方關系圖Fig.2 The relational graph between the rotating frequency components of the vibration,throw and square of rotating speed

3.3 變勵磁試驗

圖3 為勵磁電壓與振動擺度關系曲線。從曲線中可以看出：隨著勵磁電壓的變化機組大軸擺度以及燈泡頭、軸承支架振動變化不明顯，不存在明顯的磁拉力不平穩(wěn)問題。

圖3 勵磁與振動擺度關系曲線Fig.3 Relationship curve between excitation w ith vibration

3.4 變負荷試驗

圖4 為大軸擺度隨負荷變化曲線，在75%（35MW）以下負荷機組大軸擺度隨著負荷的變化基本沒有變化，當機組負荷超過75%時水導處兩個方向大軸擺度增大，而在離轉(zhuǎn)輪最遠的受油器部位的大軸擺度無明顯變化。根據(jù)圖5的振動情況來看，同樣在75%以下各部位振動基本無明顯變化，負荷超過75%以后軸承振動、轉(zhuǎn)輪室振動隨著負荷的增大逐步增大，燈泡頭水平振動、發(fā)導（推力）軸向振動在所有負荷工況下基本沒有變化。帶負荷工況下燈泡頭、導軸承以及轉(zhuǎn)輪室徑向振動均存在頻率為10.3Hz（5倍轉(zhuǎn)頻）的振動分量，其中燈泡頭、轉(zhuǎn)輪室徑向振動以10.3Hz為主，振幅變化趨勢與尾水進口壓力脈動變化趨勢一致。

圖4 大軸擺度幅值隨負荷變化曲線圖Fig.4 Curve graph of the axis throw w ith the loads

圖5 機組振動幅值隨負荷變化曲線圖Fig.5 Curve graph of the vibration amp litude of unitsw ith the loads

圖6 為壓力脈動隨負荷變化過程曲線，在負荷超過65%（30 MW）時尾水壓力脈動逐步增加，活動導葉進口處壓力脈動無明顯變化，尾水壓力脈動變化過程與振動變化趨勢基本一致。

圖6 機組壓力脈動幅值隨負荷變化曲線圖Fig.6 Curve graph of pressure fluctuation am plitude of unitsw ith the loads

圖7 轉(zhuǎn)輪室振動與尾水進口壓力脈動Fig.7 The vibration at runner chamber and pressure fluctuation at entrance of the draft tube

根據(jù)圖7所示的轉(zhuǎn)輪室振動與尾水進口壓力脈動的原始波形分析，振動的波形與頻率與尾水壓力脈動基本一致，說明尾水壓力脈動是引起機組轉(zhuǎn)輪室、水導軸承振動的原因，這與常規(guī)混流式機組、軸流式機組一樣，但是對于混流、軸流式機組一般尾水壓力脈動較大的工況應該在部分工況下（30%~50%負荷），而試驗對象機組負荷越大尾水壓力脈動越大，與常規(guī)的混流式、軸流轉(zhuǎn)槳式機組有明顯區(qū)別。

3.5 噪音測試結(jié)果

根據(jù)空載工況、20 MW、44MW負荷的噪音測量結(jié)果（表2），在20 MW、44 MW負荷下轉(zhuǎn)輪室噪音超過標準，在44 MW發(fā)電機出口噪音超標。

表2 噪音測試結(jié)果Tab.2 Test results of noise dB

4 結(jié)語

從試驗機組實測結(jié)果分析，尾水壓力脈動隨著機組負荷的增大而增大，與混流式機組在部分負荷工況下尾水壓力脈動較大不同，尾水進口壓力脈動會直接引起轉(zhuǎn)輪室振動。

根據(jù)噪音測量結(jié)果，存在噪音超標的情況，特別是在燈泡頭噪音較大超過100 dB，在日常工作中工作人員配備相應的勞保用品，做好噪音的防護工作。

對于轉(zhuǎn)輪室振動幅值目前無明確的國家和行業(yè)標準，為確保機組安全，在對機組轉(zhuǎn)輪室結(jié)構(gòu)、材料、應力綜合分析以及測試的基礎上，制定機組轉(zhuǎn)輪室振動的運行標準，以及制定相應的技術措施。

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