（水利水电工程专业论文）水电站机组及厂房振动特性研究.pdf

中文摘要 水电站机组的运行特性主要包括三个方面，一是能量特性，即效率问题，二 是空化和空蚀特性，三是机组的稳定性。其中，效率特性关系到水能的利用程度， 空蚀和空化特性关系到机组的使用寿命，而稳定性则不仅关系到机组的使用寿命 而且关系到机组乃至整个电站能否正常运行。同时，由机组振动诱发的水电站厂 房结构的振动也已经成为水电站运行和设计的关键问题。在实测信号处理方面， 小波、分形等现代处理手段也逐渐显示出其优越性和广阔的发展前景。本文就主 要以螺丝湾水电站为例，通过对实测信号的处理分析，分别研究了水力机组的运 行特性及水电站厂房结构的振动特性。具体思路和研究内容如下： 第一章绪论部分简要介绍了水电站机组振动及厂房结构振动的现状、存在的 问题以及未来的发展动态，对本课题所要用到的小波、分形等现代信号处理方法 及本课题所要解决的问题进行了归纳和说明。 第二章则主要根据实测数据得出水电站原型机组的相对效率，并给出了相应 的效率特性曲线。 第三章主要结合具体工程实例，通过对机组的振动测试结果分析、轴摆度测 试结果分析、水压脉动测试结果分析以及频谱分析，从不同的角度综合评价机组 的运行稳定性，指出了机组所存在的各种不平衡因素，给出了可能影响机组运行 的各种振源，强调了水力振源是最主要的影响因素，提供了改善机组振动状态的 措施并划分出机组的稳定运行区间。 第四章旨在运用小波、分形等现代信号处理方法对实测信号进行分析处理， 对于实测水压脉动信号首先进行小波分解以确定各频带的能量及其对机组振动 贡献的大小；随后又研究了水压脉动的分形特性，指出其在紊流研究中广阔的应 用前景；最后在小波消噪的基础上将分形几何应用到水轮发电机组的轴心轨迹识 别中去，为计算机图形识别提供了一种有效的工具，也可以作为水力机组振动故 障判别的一种方法加以应用。 第五章初步讨论了由机组振动诱发的厂房结构振动的特性，从实测的角度揭 示了厂房振源，并且通过有限元计算得出主厂房的固有振动特性并进行共振复 核；采取不同的荷载施加方式研究了厂房的动力响应，分析了各种施加方式的优 点和不足，指出在今后的水电站现场测试中引入对厂房结构振动测试的重要意 义。 关键词：水电站、振动、信号处理、水压脉动、小波、分形、轴心轨迹、动力响 应 a b s t r a c t n 他o p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fw a t e rt u r b i n eg e n e r a t o rs e tm a i n l yi n c l u d e 伽e r g y ( o u t p u ta n de f f i c i e n c y ) ，c a v i t a t i o na n ds t a b i l i t y e n e r g yi sr e l a t e dt oe x t e n to f w a t e r - p o w e ru t i l i z a t i o n ；c a v i t a t i o ni sr e l a t e dt os e i l i f eo f t u r b i n e ；t h es t a b i l i t yn o t o n l yh a sg r e a te f f e c tt ot u r b i n el i f e , b u ta l s oi sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h en o r n l a lo p e r a t i o n o f p o w e rs t a t i o n m e a n w h i l e ，t h ev i b r a t i o no f p l a n ts t r u c t u r ei n d u c e db yw a t e r - p o w v r s e th a sb e c o m ek e yp r o b l e mi nd e s i g n i n ga n do p e r a t i o n w a v e l e ta n a l y s i sa n df r a c t a l g e o m e t r yh a v eb e e ng r a d u a l l yp r e s e n t i n gt h e i ra d v a n t a g e sa n de x t e n s i v ep r o s p e c ti n a n a l y s i so fm e a s u r e dv i b r a t i o ns i g n a l b a s i n go na c t u a l m e a s u l e m d l td a t ao f l u o s i w a np o w e rs t a t i o n , t h i sp a p e rs t u d yt h eo p e r a t i o nc h a r a c t e f i s t i co fw a t e r - p o w e r s e ta n dt h ev i b r a t i o no f p l a n ts e p a r a t e l y d e t a i l e dc o n t e n ta n dm a i nc o n c l u s i o no f t h i s p a p e ra l e l i s t e db e l o w ： i nc h a p t e r1 g e n e r a ls i t u a t i o na n de x i s t e dc o n d i t i o n so f v i b r a t i o no f w a t e r - p o w e r s e ta n dp l a n ta r ei n t r o d u c e d , t h en e wm e t h o do fs i g n a la n a l y s i ss u c ha sw a v e l e t a n a l y s i s f r a c t a lg e o m e t r ya n dt h ep r o b l e mt 0b es o l v e di nt h i sp a p e r a r es u m i n a r i z e d l i nc h a p t e r2 a c c o r d i n gt om e a s u r e dd a t a , e m c i e n e yo fw a t e r - p o w e rs e ti s r e c e i v e d , a n dc o r r e s p o n d i n gc h a r a c t e r i s t i cc u r v ei sp r o v i d e d i nc h a p t e r3 ，c o m b i n i n gs p e c i f i ce x a m p l e ，s e tv i b r a t i o n , a x i ss w i n g ，p r e s s u r e p u l s a t i o na n ds p e c t r u mi sa n a l y z e d 血es t a b i l i t yo ft h ew a t e r - p o w e rs e ti se v a l u a t e d , u n b a l a n c e df a c t o r se x i s t e di nt h es e ti sp o i n t e do u lp o s s i b l ee x c i t a t i o ns o u r c e si s o b t a i n e d , h y d r a u l i ce x c i t a t i o n sa st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ri se m p h a s i z e d , m e a s u r e a i m e dt oi m p r o v es e to p e r a t i o ni sp r o v i d e da n ds t a b l ei n t e r v a li sd i v i d e d i nc h a p t e r4 ，w a v e l e ta n a l y s i sa n df r a c t a lg e o m e t r yi su s e dt od e a lw i t hs i g n a l a n a l y s i s e n e r g yo ff r e q u e n c yr a n g eo fp r e s s u r ep u l s a t i o na n di t sc o n t r i b u t i o nt o v i b r a t i o na r ed e t e r m i n e db yw a v e l e ta n a l y s i s a n dt h e nf r a c t a lc h a r a c t e r i s t i co f t u r b u l e n c ei si l l u s t r a 她f i n a l l yf r a e t a lg e o m e t r yi sa p p l i e dt oi d e n t i f i c a t i o no fs h a f t c e n t r a ll o c u so f w a t e rt u r b i n e g e n e r a t o rs e tb a s i n go nw a v e l e tp u r i f i c a t i o ni ti sp r o v e d t h a tf r a c t a lg e o m e t r yi sa ne f f e c t i v em e t h o dt oc o m p u t e ri m a g ei d e n t i f i c a t i o n ；f i a e t a l d i m e n s i o nc a na l s ob eaw a yt oa b s t r a c tt h es y m p t o mo f t h ef a i l u r e s i nc h a p t e r5 p l a n tv i b r a t i o ni n d u c e db ym a c h i n ev i b l a t i o ni sp r i m a r yd i s c u s s e d ， e x c i t a t i o ns o n l v 沱so fp l a n ta r er e v e a l e df r o mv i e wo fa c t u a lm e a s u r e m e n t n a t u r a l r e s o n a n tf r e q u e n c yo f m a i nb u i l d i n gi se a l c u l a t e db vf e ma n dt h er e s o n a n tr e a c t i o ni s c h e c k e d , d y n a m i cs t r u c t u r er e s p o n s ei sa n a l y z e du n d e rd i f f e r e n ta p p l i c a t i o nm e t h o d o fl o a d s ，a n dt h es i g n i f i c a n c eo fi n t r o d u c i n gv i b r a t i o nt e s to fp l a n ts t r u o t t l r et of i e l d t e s ti nh y d r o p o w e rs t a t i o ni nf u t u r ei sp o i n t e do u t k e y w o r d s ：h y d r o p o w e rs t a t i o n , v i b r a t i o n , s i g n a lp r o c e s s ，p r e s s u r ep u l s a t i o n , w a v e l e t a n a l y s i s ，f r a c t a lg e o m e t r y , s h a f tc e n t r a ll o c u s ，d y n a m i cr e s p o n s e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 年节 签字日期：砘广年，2 月多日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：一首中 签字日期：缈年仁月匆日 导师签名： 彭谚民 签字日期：珈r 年1 2 月三1 日 第一章绪论 1 1 课题的提出 第一章绪论 中国的水电建设方兴未艾，水电站装机已居世界首位。目前，我国水电资源 的开发主要集中在大型水电站的建设，全国已建、在建的大中型( 装机容量在 2 5 m w 以上) 水电站约有2 2 0 座，其中1 0 0 0 m w 以上的大型水电站就有2 0 座。 根据我国的规划，在今后相当长的一段时问内，我国发展的重点是建设具有调节 能力的大型水电站、流域梯级开发的龙头水电站和抽水蓄能电站。一些巨型和特 大型水电站将成为电网的骨干电源，并推动“西电东送”发展战略的实现。金沙 江水电基地的溪洛渡( 装机1 2 6 0 万i t v 0 、澜沧江小湾和糯扎渡、雅砻江锦屏一级 和二级、向家坝等一批装机容量超过3 0 0 万k w 的巨型水电站己相继开工建设， 此外，还有大批百万千瓦以上的大中型水电站也将于本世纪建设并投产。 水轮机和发电机是水电站的主要设备，其运行状况的优劣，直接影响到机电 设备的安全性能及水电站的经济运行。水电站机组的运行特性主要包括三个方 面，一是能量特性，即效率问题，二是空化和空蚀特性，三是机组的稳定性。其 中，效率特性关系到水能的利用程度，空蚀和空化特性关系到机组的使用寿命， 而稳定性则不仅关系到机组的使用寿命而且关系到机组乃至电站能否正常运行。 随着机组单机容量和水头的提高，其稳定性问题也日益突出。目前在水电站工程 的国际招标中，技术评标方面都是把机组的稳定性放在了首位。近年来，国内电 站如岩滩、小浪底、五强溪、天荒坪、万家寨，国外如美国g r a n dc o u l e e m 、委 内瑞拉的g u r ii i 等电站的机组都出现了不同程度的振动问题，如转轮叶片裂纹、 尾水管壁撕裂等，有的甚至引起厂房及相邻水工建筑物发生共振，危及电站的安 全运行。包括代表国际先进水平的a k a 、v g s 两大集团为三峡提供的机组在稳 定性预测、预防方面也不够准确，机组稳定性问题不容乐观【1 1 。 水电站厂房作为将水能转换为电能的最终场所，也是现代水利枢纽中非常重 要的组成部分。国内外已投入运行的许多电站，都曾发生过不同程度的机组及厂 房振动的现象。据日本电气学会对1 9 2 5 年以来投入运行的立式机组进行的调查， 约有1 0 的机组出现过异常振动现象。在我国已建的各水电站中，有不少水电 站厂房都存在振动问题，如五强溪、江垭、岩滩、隔河岩、天荒坪、狮子滩、渔 子溪、富春江、黄坛口，上犹江、红石，密云、刘家峡及葛洲坝等水电站厂房都 曾发生过较为明显的振动现象。水电站厂房的振动往往和一定的机组运行区域密 切相关，为了避开振动区域，水电站在运行过程中往往需要限制机组的运行。机 组被迫变负荷运行，不仅损失发电量，机组的调节能力也大为降低，这严重影响 第一章绪论 了水电站的正常运行和经济效益的发挥，也使操作人员紧张不安；不仅如此，水 电站厂房的长期过大振动，会使材料产生疲劳，这是造成水电站厂房周边裂缝的 主要根源。水电站厂房的振动还可能诱发厂房与其相邻建筑物的联合振动，危及 整个水利枢纽的安全。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 水轮发电机组振动是最为复杂的动力学问题之一，横跨三大学科，涉及面较 广。机组运动的所有能量来自流体，其作用介质也是流体，因此水力振动是最主 要的振源；同时，由于流道形状和水机转动现象的复杂，使得水力振动最难以把 握。水轮发电机组还属于旋转机械的范畴，其振动也就属于机械振动的范畴，尤 其是机械不平衡振动与回转振动。发电机是机组最重要的部件之一，质量和尺寸 也最大，它直接与电网连接构成电路系统，因此电磁振动在水轮发电机组的振动 中也很重要。此外，机组和厂房结构的振动以及流固耦合振动，属于机组振动的 诱发振动，其动力学问题也是结构设计和土木建筑设计中的重要内容。 目前，水力机组的稳定性研究一般包括两部分：机理性研究和减轻措施研究。 前者主要是研究水轮机压力脉动产生的原因、条件，研究尾水管涡带的形态、特 征、产生的原因、条件和机理，与水力脉动的关系等。后者主要研究如何避开、 缓冲、消除振动等。自7 0 年代以来，各国的水力专家在水轮机稳定性研究方面 做了大量的工作，提出了许多的测量方法和减振措施。自1 9 8 0 年以后，各国的 水力试验室则采用了统一的标准试验程序进行压力脉动试验。在稳定性研究方法 方面也主要有两种：一是以数值模拟为主要手段，二是以试验研究为主要手段。 近来，计算流体力学发展很快，水力机械内部流场解析技术也得到长足进步， 相应开展了大量的工作。计算流体动力学( c f d ) 的基本理论是以时间平均的纳 维尔一斯托克斯方程为基础，采用_ i 一占紊流模型，考虑不可压缩的单相流动。 由于工程问题的复杂性和理论的不完善使得这一问题还在不断研究完善。水轮机 数值流动分析方法主要有直接数值模拟( d i r e c tn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，简称d n s ) 方法，大涡模拟( l a r g ee d d ys i n i u l a t i o n ，简称l e s ) 方法，无粘流数值模拟法， 雷诺平均n a v i e r - s t o k e s 方程四种方法。这些数值流动分析计算结果对稳态流动 已经较为可靠，为水轮机的稳定性研究工作开创了新的局面。 试验研究包括机组模型试验研究及现场真机试验研究，一直以来，混流式水 轮机模型试验是研究水轮机稳定性的最重要工具，目前在模型试验基础上的稳定 性研究主要有以下几种方法： 1 常规测量方法，即在水力实验室对混流式模型水轮机的压力脉动采用统 一的标准试验进行试验。 2 第一章绪论 2 空腔涡带描述法，即将涡带模拟成局部空腔容积，通过局部空腔容积法 的图形，发现一些危及管路的频率。 3 水声脉动测量法，即通过水声脉动的有效声能对激振量值进行预估。 4 涡带参数法，即对于给定的尾水管，压力脉动的频率和幅值是涡带参数 的函数。 随着现代科学技术和水电事业的迅速发展，水力机组的现场测试内容逐渐系 统和完善，测试技术不断提高，水电站机组原型试验被更加广泛的采用。由于水 力机械振源复杂，涉及机械、电磁、水力三大方面的内容，不论模型试验还是数 值模拟都无法完全反映真实情况，因此水力机组的现场试验有许多是模型试验无 法替代的，通过原型试验我们可以正确的了解机组在电气、机械、水力等方面的 运行特性，鉴定水力机组的各种工作参数；检验水力机组的理论、计算方法，评 价水力机组的设计是否合理及制造和安装质量的优劣程度。本文就主要是通过水 电站机组的现场测试，分析评估水电站机组的运行特性，为优化电站运行提供基 础数据。 随着测试条件的不断改善以及试验设备的不断改进，势必需要引进更为先 进、有效的信号处理手段，特别是对于原型观测信号而言，现场条件复杂，干扰 因素多，传统的分析手段暴露出许多局限性。近几年来，迅速发展的小波变换和 分形理论为非稳态、非线性信号分析注入了新的活力，克服了传统方法的局限性。 小波分析是自1 9 8 6 年以来由y m e y e r 、s m a l l a t 及i d a u b e c h i e s 等的奠基工 作而迅速发展起来的- n 新兴学科，它是f o u r i e r 分析划时代的发展结果。1 9 8 9 年，m a l l a t 给出了多分辩分析的概念和计算的数学模型，采用r ( r ”) 的正交小波 基把原始信号分解到不同的时频空间中，并且给出了小波分解的塔式算法，从而 大大提高了运算的效率。小波本质上是一个范围可变的窗口方法，它可以用较长 的时间间隔来获取更精确的低频信息，用较短的时间间隔来获取高频信息。又由 于小波分析具有局部分析和细化的功能，所以小波分析可以揭示出其它信号分析 方法所丢失的数据信息，如断点、高阶导数不连续性、趋势和自相似性等；而且 与传统的信号分析技术相比，小波分析还能在没有明显损失的情况下，对信号进 行压缩和消噪。 分形理论是非线性科学中的一个活跃的数学分支，其研究的对象是在非线性 系统中产生的不光滑和不可微的几何形体，对应的定量参数是分形维数。分形理 论的初创形式是分形几何学，2 0 世纪8 0 年代初，由曼德勃罗特b m a n d e l h r o t ) 所创立，在近几年来，这一新兴学科在数学、物理、化学、生物、医学、地质、 材料、工程技术等学科中提出的重大问题刺激了分形几何的深入发展。 按照分形研究对象的不同，其应用基本上分为两大类：即描述系统空间分布 第一章绪论 的复杂性和描述系统随时间演化的复杂性。机械振动信号的分形特性研究属于后 者。用分形的方法解释复杂的振动信号，从中提取机械系统的非线性特征，为监 测机械运行状态、诊断系统故障等提供了新的途径。 我国对水电站厂房结构的研究过去多采用切取单位宽度，按照平面问题对结 构进行动力计算的方法，并且对各部位结构也都做了较大的简化。在以往的典型 研究方法中：例如对于坝后式厂房，常常假设厂房的水下大体积混凝土部分不会 在干扰力的作用下发生振动，因此被当作刚体处理；水上部分则基本上被看作两 面开e l 的盒式板壳，将其简化为平面钢架，应用结构力学的方法进行分析计算。 可以说9 0 年代以前对水电站结构振动问题的研究所采取的多是结构力学的分析 方法。9 0 年代以后，我国一些高校和研究机构通过模型试验和有限元电算，对 厂房的机墩组合结构的动力特性进行了研究，取得了很多成果。首先，研究的范 围得到了扩展，在宏观上一些较新的厂房型式如抽水蓄能式电站和双排机厂房都 得到了一定程度的研究；同时，在一些细部结构上的研究也有了深入，如对水轮 发电机定子机座、铁芯耦联振动分析、固定导叶的振动分析等。其次，在计算方 法上成功的应用了三维有限元技术和动态子结构法等算法，试验技术及手段上也 有了进步。此外，在厂房振动的测试分析与评价方面，除从国外引入了一些规范、 评估标准和先进的测试仪表外，还发展了人工智能的应用。 对于厂房振源的研究，一般从两方面展开，即水轮发电机组的振动和流道中 的水力振动。机械方面最重要的就是机组轴系统的临界转速，过去多采用结构力 学法求解机组系统的自振频率，导轴承处假定为简支、并将轴系统结构进行简化， 其结果常常会造成较大的误差。随着有限元法和计算机技术的发展，为复杂结构 的动力计算创造了良好的条件。利用已有的研究成果和原型观测资料，可以得出 比较接近于实际的轴系统、耦联体和部件自振特性的计算方法。对于电磁方面的 振动，主要是由于磁拉力不平衡和三相不平衡，推力瓦制造不良，发电机定子与 转子气隙不对称以及定子铁芯机座合缝不严等原因引起，但振动发生时多与机械 振动耦联，机电耦联系统数学方程的机、电变量间是相互耦联、相互影响的，研 究机电耦联系统的振动涉及到当代数学科学的前沿非线性科学。大型混流式 机组的水力振动依然是困扰业界的一个世界性难题，对于具有固定叶片和转轮叶 片的混流式水轮机，由于流量和水头的变化，不可避免的会偏离设计工况运行， 在导叶和转轮叶片进口边将产生撞击、脱流、空化和卡门涡、叶道涡等不利条件， 在叶片出口边水流绝对速度的圆周分量将产生涡流和低频压力脉动。当前的着眼 点都集中在解决机组本身的问题上，而土建结构设计者关心的问题是在大型机组 中普遍存在水力振动的情况下，如何描述机组水力激振力的特性，并将其表达为 厂房振动的振源，这一跨学科的研究成果目前仍然较少。 4 第一章绪论 1 3 本文的主要研究工作 本文以云南硕多岗河流域梯级电站的第六级一螺丝湾水电站为例，主要从实 测的角度研究水力机组的三大特性，采用更为现代的信号处理方法对实测数据进 行整理分析，理论联系实际综合评价水力机组的运行特性：同时，对由水电站机 组振动诱发的厂房结构的振动特性也进行了一定的分析，并提出意见建议。 螺丝湾水电站是硕多岗梯级电站的第六级，电站总装机6 0 m w ，单机容量 2 0 m w ，共3 台，年发电量2 8 9 亿k w h ，正常蓄水位高程为2 2 6 0 0 0 m ，最高 水头1 6 8 0 0 m ，最低尾水位高程为2 0 8 4 0 0 m 。 螺丝湾水电站水轮机主要参数： 型号：a 3 7 8 卜1 4 0 额定流量：1 4 8 8m 3 s 螺丝湾水电站发电机主要参数： 型号：s f 2 0 1 0 3 3 0 0 额定转速：6 0 0 r r a i n 额定容量：2 5 0 0 0 k v a 额定电压：1 0 5 k v 额定出力：2 0 7 m w 额定转速：6 0 0r r a i n 额定电流 额定频率 功率因数 飞逸转速 1 3 7 5 a 5 0 h z o 8 1 0 7 4 r r a i n 本文主要分三大部分： 第一部分主要是根据实测资料的分析，研究螺丝湾水电站机组的运行特性， 主要研究机组的效率特性及稳定性。见第二章，第三章，重点放在研究机组的稳 定特性，对振动试验结果、机轴摆度试验结果、水压脉动试验结果进行了统计分 析，多角度综合评价机组的稳定特性，并指出可能影响机组运行的各种振源，划 分出机组的稳定运行区间。 第二部分主要是现代信号处理方法在实测信号处理中的运用，见第四章。由 于现场测试不同于模型试验，信号受干扰大，噪声多，传统的分析手段受到一定 限制。本章就是运用小波、分形等信号处理方法处理非平稳信号。利用小波分析 确定出实测脉动信号中各频带的能量及其对机组振动贡献的大小，利用分形几何 研究了水压脉动的分形特性，指出其在紊流研究中广阔的应用前景，最后在小波 消噪的基础上将分形几何应用到水轮发电机组的轴心轨迹识别中去，为计算机图 形识别提供了一种有效的工具，也可以作为水力机组振动故障判别的一种方法加 以应用。 第三部分主要是探讨由机组振动诱发的厂房结构振动，见第五章。厂房的主 要振源来自机组，但是厂房振动与机组振动既有相似的地方，也有许多不同。本 章利用三维有限元计算软件a n s y s 对厂房自振特性及动力响应进行计算，并在 5 第一章绪论 此基础上进行了共振复核及荷载施加方式的初步探讨。 1 4 论文研究的意义 一般地，机组的效率特性可以反映出整个水电厂的动力特性，而电网负荷分 配取决于电厂的动力特性，因此对机组效率特性的研究，不仅对水电厂的经济运 行、整个电网的经济调度有重要意义，而且对于水轮机的其它特性，如汽蚀和磨 损特性等的研究也有重要的参考价值；机组的稳定特性反映的是各种激振源对机 组安全运行的影响，对于机组稳定性的研究不但能及时发现设备缺陷，消除隐患， 提高机组运行的可靠性和使用寿命，还可以为机组设计、制造、安装、运行等方 面的改进提供可靠的科学依据。因此，对水电站机组实际运行特性的研究，对于 充分利用水利资源，提高水电厂的经济效益，实现水力机组乃至整个电网的经济 运行都有重要意义。 对于水轮发电机组这样的高度复杂的非线性动力系统，将小波、分形等非线 性科学的新理论、新思想引入，必将对复杂信号特征的描述，设备系统状态监测 和故障分析的意义重大。 对于厂房振动的研究，明确水电站水力、机械、电磁振源与厂房结构的耦联 作用机制，确定厂房结构的不利运行区，对于优化厂房设计，减小噪声污染，保 证厂房在更高水头、更大容量条件下的安全运行，以及充分发挥电厂经济效益具 有十分重要的意义。 6 第二章机组效率特性分析 2 i 概述 第二章机组效率特性分析 水轮机作为一种动力设备的原动机，它的任务就是把蕴藏在水流中的能量转 化为机械能，以便使水轮发电机将机械能转化为电能。因此水轮机作为一种能量 转换装置，它的转换效率是头等重要的指标，是评价能量转换装置优劣的最重要 的指标。 目前国内水轮机制造厂向水电厂提供的运行特性曲线都是由模型试验结果 换算得来的，由于各种原因( 相似定律、设计理论、制造加工) 等不可避免的存 在着原型机与模型机之间的差异。因此，用模型机代替真机换算得到的运行特性 往往会出现很大的误差，不能反映真实情况；而且对于运行机组的实时监测和老 旧机组更新改造后的效率特性测试，原型效率试验还是不可替代的。因此，本章 对于机组效率特性的研究主要是以螺丝湾水电站原型观测数据为依据，从实测的 角度分析讨论。 2 2 混流式机组原型效率试验 2 2 1 试验原理概述 水轮机的效率即水轮机轴功率与水流功率的比值，由于要测准水轮机轴功率 难度太大，因此在原型效率试验中一般采用测取水力发电机组效率的方法。即： ”焉 g j ) 式中：巩一机组效率； 。一发电机输出功率； n r o 一水轮机输入功率； 。= 解( 2 2 ) 式中：h 一水轮机工作水头，m ； q 一水轮机流量，m 3 m y 一水的重度，k n m 3 2 2 2 测试内容与测点布置 水轮机的效率试验采用相对法进行，即不去测量流量的绝对值，而是以一个 7 第二章机组效率特性分析 能够反映流量相对值的量来进行效率相对值的计算。测试内容包括发电机的输出 功率及水轮机的输入功率。其中，发电机的输出功率采用直接测量的方法，水轮 机的输入功率采用间接测量的方法，即通过对水轮机水头和流量的测量来计算出 水轮机的输入功率。 效率测试中压力传感器布置在蜗壳进口处，尾水管出口处，蜗壳断面的内外 缘，其余测点均采用现场仪表，测点布置见图2 1 。 图2 1 效率试验测点布置示意图 效率试验测量参数包括：发电机有功功率，功率因数，蜗壳压差，水轮机的 进口压力，尾水管的出口压力，导叶开度，机组频率等。试验参数的测取采用相 应的传感器与人工监测相结合。具体各参数测取采用的仪器见表2 1 。 表2 1水轮机效率试验测试系统的输入参数 测量参数 测量仪器测量仪器精度测量用途 发电机有功功率中控室功率表测量水轮机出力 发电机功率因数中控室功率因数表监测c o s 舻 目读 机组频率频率表 监测机组频率 导叶开度开度表测量导叶行程 蜗壳压差压力传感器0 2 5 测取相对流量 尾水出口压力压力传感器 0 2 5 测取水轮机工作水头 蜗壳进口压力压力传感器 o 2 5 电站上游水位中控室水位计 目读测取电站水头 电站下游水位中控室水位计 第二章机组效率特性分析 2 2 3 测试工况及相关说明 试验工况按照导叶开度的3 0 ，4 0 ，5 0 ，5 5 ，6 0 ，6 2 5 ，6 5 ， 6 7 。5 ，7 0 ，7 2 5 ，最大可能开度等有功负荷进行，先依次递增，再依次递 减；导叶开度采用手动调试，为克服机械死行程对测试精度的影响，试验过程中 导叶的调整应以单方向为准。 测试说明： 1 实际测试中，考虑到现场客观条件的限制，导叶开度不可能完全按照上 述变化，但要尽量按照预定工况进行。 2 由于现场条件的限制，发电机的有功功率及导叶开度只能读取电厂仪表， 有一定误差。 3 由于现场原因，导致蜗壳内缘压力传感器以及尾水管出口传感器出现故 障，测出的数据不可靠，所以相对流量的计算不能采用原定计划采用的蜗壳压差 法，只能改用水头损失流量法来计算。 2 3 机组效率测试结果分析 2 3 1 水轮机工作水头的计算 水轮机的工作水头定义为水轮机的进口断面与尾水出口断面的总能头之差。 用公式表示为： 坼= c 互+ 争+ 黟一c 乙+ 争+ 气 q 固 式中：王0 一水轮机的工作水头，单位m l z l 一蜗壳进口处压力传感器的安装高程，单位m ； z 2 一尾水管出口处压力传感器的安装高程，单位m ； d一 l 一蜗壳进口处压力传感器的压力值，单位m ； ， d 二三一尾水管出口处压力传感器的压力值，单位m ； ， k 一蜗壳进1 3 断面水流的平均流速，单位m s ； 巧一尾水管出口断面水流的平均流速，单位m s ； 9 第二章机组效率特性分析 q 一蜗壳进口断面流速分布不均匀系数，这里取1 0 ； 口：一尾水管出口断面流速分布不均匀系数，这里取1 0 ； g 一当地的重力加速度值。 由于本次试验只进行相对效率的测试，所测到的只是相对流量，无法计算出 昙。根据大量实测经验表明，对于中高水头的混流式水轮机，水轮机进出口流 速水头所占的比例很小，所以一般忽略其影响，只计势头差与压头差。 2 3 2 相对流量的计算 采用相对法的前提是必须有一个现成的、与流量成固定关系的测量量，这个 测量量在流体中最常见的是压差，它普遍存在且易于精确的测量。比如蜗壳流量 计、文丘里流量计、进口管流量计，水头损失流量计等等。由于原计划采用的蜗 壳流量计出现问题，所以这里计算采用水头损失流量计。 压力管道中流量与压差成固定关系： 。q = 勋”( 2 4 ) 式中：_ j l 一压差值，这里代表的是沿程水头损失，单位m ； 世一流量系数。 引入指数流量q = k h ”，则相对流量定义为： q ，- 蛋= 焉= 寺” ， 式中：_ j l 一某一负荷下管道中的压差值，单位m ； 一额定出力下管道中的压差值，单位m ； ”一指数，相对效率计算中，通常行取0 5 。 2 3 3 相对效率的计算 同理，机组的指数效率为： ，7 ：= 彘= 击- - g ( 2 6 ) 巩2 面南2 而 ( 2 6 ) 机组的相对效率表示为： 1 0 第二章机组效率特性分析 玩= 菩= 器 叼 ，7 m ”爿 式中：，7 二缸一全部工况点中的最高指数效率； n s 一任一工况点上发电机的有功功率； 一任一工况点上管道的压差值，单位m ； h 一任一工况点上的水头值；单位m ： ，一相应最高指数效率工况点上的发电机有功功率； k 一相应最高指数效率工况点上的压差值，单位m ； 日。相应最高指数效率工况点上的水头值，单位m 2 3 4 功率和流量的修正 根据效率试验规程要求，由传感器测得的发电机功率实测值，水轮机的 指数流量g 均要换算到额定转速下的指定水头值，这里取各工况下水轮机工作 水头实测值的算术平均值，换算公式如下： 心= 以白； ( 2 8 ) q = q ：白； ( 2 9 ) 式中： 可一额定转速下水轮机工作水头的算术平均值，两= 言喜q ； 上l 一对应it 况- f 水轮机工作水头的实测值，单位m 。 一一换算至平均工作水头下第f 工况的发电机有功功率，单位 研7 ； q l 一换算至平均工作水头下第f 工况的水轮机相对流量，单位m 3 s 一。 2 3 5 水轮机效率试验成果 以螺丝湾1 号、3 号水轮发电机组为例，按照上述理论计算，效率试验计算 成果见表2 2 、2 3 ，效率特性曲线见图2 2 2 5 。 第二章机组效率特性分析 图2 2螺丝湾水电站1 号机组效率特性曲线图2 3 螺丝湾水电站l 号水轮机流量特性曲线 由于条件限制，本次试验无法进行调相工况试验，也不能将导叶开度调到最 大可能开度，所以得出的效率特性曲线一直增大，无法从实际的曲线拟合方程中 确定出机组最高效率，如上图所示。但是从相对效率特性曲线中仍然可以看出： 机组在高负荷段运行效率高，低负荷段运行效率低；采用相对法进行的机组效率 试验，虽然得不出流量的绝对数据，也得不到实际效率的大小，但是可以减小工 作量、避免花费大量的测流工作，易于实施；而且可以检验原型效率曲线是否具 有模型试验的曲线形状，用于不同型号水轮机效率特性的比较，测定由于各种条 件变化而引起的水轮机效率的相对变化，确定大修周期，为电站内各机组间的经 济运行提供基本数据。 1 2 捌 奄扭 蚕曩霎 卜 落 o t吨 o 嚣复。 蒿甘t -葛 一 疆 跫 窭 o墓 炎 靛秘 譬瓮誉 荔 罂ddod 誉 气； 姆 椒琳 露 鎏 誊嚣 g 卜 苫8 h j | | l 鞯趔 嚣 “警鼍 峋 高馨 螈 鹾辎 “p n一“ 癸 ， 晕 鎏萋 蓑 键 葚 o 蓉 荨 瓮 霉 i岫 堪d 啦 凝 州 矗 星宝 藿 錾旨昌兽 誉8 9q 冰 害 藿 q 9 q 窭 d 跫g 蒸 窖 窭 一 一 譬 一 一 d 毒 囊囊霪 毯 荨 g袋 吨 6 叶 一 协 一 = 爨 =敬 篙羹雹 昌 雩 r - - 8高 吣 一 一一“d 国罄 竺2 i - - 2州h 一 耄蓍耋 跫 删 卜 器薯 铃篱 毯 荔啦t卜 落 g 嚼。瓷 g 瓷 一n一 萋营雹 g g 罱 d硝 穹霹 g gg 搿 葛造 “一 熨跫 葛 n“ n 基 攀 疆n卜 搿 甘 誉 耄 气 赫 一 t = ： 嚣锾 羚 甓 黜 纣 骧 j j 胬 窝 n 瓣一 罄蕊 q 喝 霞囊 卜 。 一 器。 荔嫠s 窖 圆 咿 翻 拭 氅嵌琳母许裁荻癸嚣妒h智廿*靛饕赣 n “搽 辖惫掣浆静较翱嚣牌赣 卿 电缸 罴篓孓 峙幽n卜 州 鸨 卜 峋唧州 长 0 0 基葛s ： 嚣靛。 n” 嚣 卜卜 警 霞嘲 麓 凸 委 娶o d ooo 宴 赠 椒球 窘 t q ：公葛 誉 露 豸跫 t 纂 hj | | l 鞲趔 端 暑n “ 一 n 瓣 蜒罂 n n 娄 西 蓬蓁 芝 毯 州- ： 一 啦 q 譬 泳 茇装摹苫苫蒜裹苫 委 盆窭霸 西 蛊霸 益凸 1 d d 11 d抟 2 髭 2 2 一一 羹蠢 h 卜 蓉袋 幽 盘交 西州 一 幽 。 。 一一 o 譬蔼蕞 荨 ：窖啕 心g嵩冀薹 q媳 州 一 _ 一 羚28 一 州 一 鋈蔷善 拳 r 兽 饕蕊羚 啦 t啦tt 客 瓮敞茸美 鬣 霜 o窝 昌高 “ 霎营 镶 盘瓮 n 耐 奶 衣 吨 蜜 霹 器鲁 话 导 “ 簧 o一 葛 鬣搿hnn 基裳 “熨n 篓 卜 蕞裳 萋 毯 姥链 “崩 醛 羹雹 甓甓 高 - 搿n 骧， “胬 纣 ， 格一 薄釜 霞迤 稚v 吨 g 荔嫠s 鬈 斜 d 卜 嚣 l 匿 漆采墓聋爵糕鼎暴艇蛾舔 第二章机组效率特性分析 2 3 6 误差分析与计算 效率试验的综合误差由两类误差组成，一类称为系统误差厶。，又称为恒 定误差，它是指方向大小一定的误差，一般不影响测量值的重现性，反映测量的 正确度；另一类称为随机误差，又称为偶然误差，是指符号大小可变的误差，它 服从随机分布率，由读数分散形式描述，反应了测量的精确度，具有相互低偿性。 在效率试验中，两类误差可按方和根法合成。即： ，= 、名一+ 名蜘 ( 2 1 0 ) 2 3 6 1 系统误差 由于本次试验无法按照预先准备的那样用蜗壳测流法确定相对流量，系统误 差主要是测量水头时由于传感器的精度问题产生的包括： 1 蜗壳进口采用o 2 5 级压力传感器，使用时基本上处于满量程，其测量误 差为压力传感器精度： 矗口= o 2 5 2 尾水出口采用o 2 5 级压力传感器，试验中也接近满量程，其测量误差为： 兀口= o 2 5 则机组系统误差为： 厶脚= 露。+ 名。 ( 2 i i ) 2 3 6 2 随机误差 机组效率特性曲线拟合方程为： ，7 r = q ；+ c 2 r + c z( 2 1 2 ) 其标准偏差估计值= 式中： 一对应自变量坼，处拟合曲线上的值； 协一对应自变量。处的实测值； 刀一测量点数： 所一拟合曲线为二次曲线时，取3 ； 随机误差为：k ：牟， 叫疗 式中：f f 型分布的统计值。 2 3 6 3t 一检验离散点 1 5 佗1 3 ) 第二章机组效率特性分析 有些实验数据可能远离拟合后的曲线上的相应值，该值即为离散点。对于这 些离散点，采用“卜检验”的方法，以确定是否舍去可疑的离散点。“t - 检验” 用以下公式计算： r ：畦型 ( 2 - 1 4 ) s o 、 误差计算结果表格见表2 4 表2 4 螺丝湾水电站各机组效率试验误差计算表格 机组编号1 号机组3 号机组 试验计算水头 1 7 2 0 9 0 6 1 7 0 3 9 9 4 y = 0 7 3 0 9 2 + 6 7 2 4 9 2y = 1 2 3 2 0 5 + 6 8 9 0 5 机组效率拟合方程 x - 0 0 9 9 5 1x 2x - o 1 0 2 1 1x 2 标准偏差s o ( ) 0 8 7 5 9 ， o 8 8 6 4 置信度9 5 时t 量太# *2 3 6 2 2 9 计算t 1 5 31 3 6 可信度t 生# - 太 t 量 睿# 可信t 女s j t x tl 大軎许可信 系统误差0 3 5 4 0 3 5 4 随机误差0 5 5 7 0 5 9 5 综合误差 0 6 6 0 0 6 9 3 国际规程i e c 规定一般效率试验的综合误差在1 5 2 5 之间，这里 的综合误差，指国际上通用的置信度为9 5 时，以其相对