二滩电站混流式水轮机运行稳定性研究及其对策---丁仁山,2006年8月19日最终定稿.doc

二滩电站巨型混流式水轮机运行稳定性研究及其对策二滩电站混流式水轮机运行稳定性研究及其对策作者：丁仁山（二滩水力发电厂，四川攀枝花，617000）摘要：混流式水轮机偏离最优工况运行时，会产生脱流空化和涡带，产生机组振动和空蚀，影响机组运行稳定性，甚至造成损坏，导致机组被迫停机检修。本文针对二滩电站机组在运行实践中，就如何加强机组振动监测、优化水轮机的运行工况、提高检修质量、改善补气效果等方面对混流式水轮机的稳定性问题进行了研究，提出了行之有效的预防措施。1、机组运行概况二滩电站以发电为主，水库最高蓄水位1200m，发电最低运行水位1155m，总库容58亿m3，调节库容33.7亿m3。电站共安装6台机组，单机容量550MW，总装机容量3300MW，多年平均发电量170亿Kwh，年利用小时数5162h，1998年8月18日首机发电，2000年12月4日竣工，是二十世纪中国建成的最大水电站。1.1机组主要参数（1）水轮机参数型号：HLF497LJ625.7；额定出力：561MW；额定流量：371m3/s；额定水头：165m；额定转速：142.9r/min； 导叶数：20；转轮叶片数：13 转轮直径：6367mm转轮重量：118000kg 吸出高度：-8.4m接力器工作油压：6000kPa 接力器容量：2136kNm实际运行水头范围：143-184m（2）发电机参数结构型式：立式半伞式；额定功率：550.8MW；额定电压：18KV；发电机效率：98。1.2机组出现的部分问题及原因分析从1998年8月第一台机组投运以后，二滩电站6台机转轮叶片相继出现了不同程度的裂纹，截止到2003年3月， 6台机转轮共发现32条裂纹，其中叶片出水边与上冠连接处4条，没有重复出现的情况；叶片出水边与下环连接处28条，占裂纹总数的87.5%，有8个叶片在同一位置出现重复性的裂纹共计16条。转轮裂纹的主要原因是：分瓣转轮组焊后残余应力较大，上冠采用卡栓把合，限制了残余应力的消除；叶片与上冠和下环的组合焊缝圆角半径较小（356mm）；焊接过程中潜在的夹渣、气孔均易引发裂纹；由于机组在系统中担任调频、调峰、事故备用任务，长期空转运行或在低负荷振动区运行。2、二滩机组状态监测系统在机组投运之初，各机组配置了一套振动、摆度监测系统，但由于设计理念落后、元件选型不当、安装不合理等原因，该系统在使用过程中测量不准，且功能单一，不能满足对机组状态监测和分析的需要。经过二滩电厂不断的实践，最终和华中科技大学联合开发了HSJ水轮机状态监测系统。2.1测点布置n 振动：上机架：径向2点、垂直1点；下机架：径向1点、垂直1点；顶盖：径向1点、垂直1点，共7个振动测点。为对比低频振动传感器，#4机组另增加了涡流传感器1只。n 摆度：上导、下导、水导，+X、+Y方向各1个测点，共6个摆度测点。n 键相：1个测点，同时用于测量机组转速。n 水压：蜗壳、顶盖、尾管，各1个测点，共3个测点。n 发电机有功功率：1个测点n 导叶行程：1个测点n 发电机电流：1个测点（机组性能试验时接入）。n 发电机断路器位置信号，1个测点。共计布置22路测点。2.2传感器的选择传感器输出信号是分析机组运行稳定性的依据，影响数据分析的传感器主要有：水压、摆度和振动。水压和摆度传感器的选择一般不存在问题，而目前，对水力发电机组的低频振动检测，是一个国内外均未解决的难题。（1） 振动传感器测量机组振动可以采用非接触式的“涡流传感器”或接触式的“低频振动传感器”。涡流传感器的精度较高，频率响应范围甚宽，低频下限可以为0Hz，最适用于涡带频率较低的水力发电机组的振动测量，但是，由于涡流传感器需要安装在特制的支架上，十分不方便。接触式低频振动传感器安装方便，但是由于其工作原理只能检测水平或垂直振动信号，在被测物体出现晃动时，将使得其输出信号产生畸变。气轮发动机组通常采用的加速度振动传感器由于其下限频率较高，不宜用于水力发电机组振动检测。二滩最终采用了清华大学科教仪器厂生产的振动传感器，它具有良好的低频响应特性，也便于安装使用，但也存在既有垂直振动又有水平振动的情况下测不准的问题，需要在特殊情况下加装渦流传感器，如顶盖振动。经过对低频振动传感器的研究表明：l 低频振动传感器能正确反映二滩机组0.6Hz以上的涡带频率、转频频率以及其他频率的水平和垂直振动。l 低频振动传感器在被测物体出现低频的摇动时，其输出信号可能畸变。l 对重要振动信号的检测加装涡流传感器。（2）摆度传感器测量摆度的涡流传感器可以由现场率定获得较高的精度。进口和国产涡流传感器质量均已满足测试要求。（3）信号中的工频干扰及毛刺信号中特别是摆度信号中的50Hz工频干扰和毛刺可能导致测量值大于实际值，因此，对信号进行分析，仅观察其数值是不够的，必要时，应同时对比波形图、频谱分析图等其他手段进行分析判断，以得到正确的结论。2.3系统功能二滩电厂和华中科技大学联合开发的HSJ机组状态监测系统包括在线监测分析系统和试验系统两部分。该系统不但可满足现场工作的需要，而且在国内水机状态监测领域处于领先水平。该系统具备以下特点：l 集多种功能于一体：包含机组启动试验、动平衡试验、变励磁试验、稳定性试验、甩负荷试验、扰动试验、过速试验、导叶漏水量试验、机组效率试验等功能。l 36路或更多不同形式信号的测试通道，充分满足现场在线监测和各种试验的需要。l 测试信号的高速采样及大容量的数据储存功能，充分满足水轮发电机组不同类型试验和监测的需要。l 独具特色的多种数据分析和试验结果输出功能，全面、清晰地描述机组运行特点。l 对复杂现场的高抗干扰能力，测试精度高于国家标准。2.3.1在线监测部分在线监测分析部分除具有机组振动、摆度、水压脉动以及效率等动态参数的在线监测功能外，还具有参数设置、传感器率定、正常数据录波、故障录波、数据分析、机组运行日趋势分析、周趋势分析、月趋势分析以及年趋势分析等功能。以下为该系统进行趋势分析的波形图，其中：图1为#4机组在某一年内不同水头下的水导摆度趋势图，图2为不同机组在同一水头下的上导摆度趋势比较图：图1：#4机组不同水头下的水导摆度趋势比较图图2：不同机组在同一水头下的上导摆度趋势比较图2.3.2试验部分试验系统部分则具有传感器率定、机组稳定性试验、过渡过程试验、调速器试验、相对效率试验、绝对效率试验、机组动平衡试验、导叶漏水量试验、机组惰性停机试验以及现场需要的其他试验项目等功能，同时还可以进行各种信号的幅值分析、频率谱分析及相关分析、变化趋势分析，绘制有关规程规定的各种测试曲线以及分析结果和图形的打印。20002004年，二滩电厂全厂6台机组的HSJ振动摆度在线监测系统陆续安装完毕，同时利用该系统对全厂6台机组进行了多次试验。试验内容包含：稳定性试验、甩负荷试验、过速试验、相对效率试验、导叶漏水量试验等。其中，最重要的是机组运行稳定性试验，包含了：同一水头下6台机组的运行稳定性对比试验、#1机组补气试验、#1-#6机组全水头稳定性试验等。以下为该系统试验功能录制的波形图，其中：图3为二滩电厂#4机组稳定性试验尾水管涡带频谱分析图、图4为#4机组甩100%负荷试验的示波图： 图3： #4机组稳定性试验尾水管涡带频谱分析图（H=176m，N180MW）图4： #4机组甩100%负荷试验示波图通过试验功能可计算出#4机组甩负荷试验时转速和水压的上升值如下表所示：计算值甩负荷值（）255075100转速最大上升率（）8.317.8826.2834.24正水锤水压最大上升率（）6.114.118.821.7反水锤水压最大上升率（）24.13、二滩机组运行稳定性分析为彻底摸清各机组的运行稳定性，二滩电厂于20002006年对全厂6台机组进行了若干水头下的多次稳定性试验。通过对试验数据分析，发现二滩全厂6台机组的运行稳定性性能基本相同，其运行稳定性主要是受到水力因素及机械因素的影响，电气因素对二滩机组运行稳定性的影响较弱。而水力因素中，又主要是尾水管涡带对二滩机组运行稳定性的影响最大。机械因素中，影响机组运行稳定性的因素包含动平衡配重质量和轴线调整质量。下面以#6机组为例进行分析： 图5：H185m，#6机组主要信号趋势图（主要信号有效峰峰值变化趋势：振动区小负荷区、大负荷区。振动区的水导摆度有效峰峰值增加较大。）由图5可见，所有信号中，水导摆度对涡带最为敏感，机组从小负荷进入振动区后，水导摆度幅值迅速增加到最大值，然后，随着负荷的增加，摆度幅值以较缓慢的速度减小，因此按照机组是否进入涡带工况划分其运行稳定性区域较为合适，可将各机组的运行区域划分为：小负荷区、振动区和大负荷区。3.1小负荷区“小负荷区”是指振动区以下至空载工况的运行区，其下限工况为空载工况，上限负荷与水头和机组个体差异有关，大约为180210MW左右。小负荷区导叶开度较小，尾水管水压信号频率为广谱频率成分，不足以引起机组共振，且小负荷区的振动、摆度、水压脉动小于强涡带工况。3.2振动区“振动区”是指由于尾水管涡带引起机组摆度和振动出现以涡带频率为主频的运行工况区。二滩六台机组振动区的特征基本相同，且机组的振动区负荷范围与水头及机组个体差异有关，随水头的变化而变化，下限负荷范围大约为180210MW，上限负荷范围大约为340380MW。所有机组从小负荷区一旦进入振动区，在强大的尾水管涡带的作用下，机组出现涡带频率振动，尾水管、蜗壳和顶盖水压，上导、下导和水导摆度，定子、上机架、下机架及顶盖振动等信号的幅值迅速增加到最大值且都能分析到与尾水管涡带相同的涡带频率。在强涡带工况，多数信号的主频是涡带频率，且幅值有较大幅度的增加，随着负荷的增加，尾水管涡带强度逐渐减弱，水压、摆度和振动的涡带频率分量逐渐减小，直至尾水管涡带消失。尾水管涡带对二滩机组运行稳定性的影响是十分显著的。所有信号中，水导摆度对尾水管涡带最为敏感，且强涡带工况的幅值增加比值也大于其他信号。下图为#6机组典型涡带工况260MW部分信号的瀑布图和频谱分析图： 图6：#6机组涡带工况水导摆度（X、Y），主频为涡带频率 3.3大负荷区“大负荷区”是指振动区以上至额定工况的运行区。二滩机组的大负荷区运行稳定性优于小负荷区和振动区，机组的振动、摆度、水压有效峰峰值小于小负荷区和振动区，大负荷区具有较好的运行稳定性，是机组的最佳运行区域。4、增强机组运行稳定性的具体措施二滩电厂作为川渝电网唯一的500KV电源点，装机容量占系统总容量的四分之一，且在系统中担任第一调频、调峰和旋转备用的任务，由于系统内备用容量不足，其它水电厂单机最大出力又不足二滩单机的1/3，不能采取开停机组的方式来调峰、调频，因此二滩电厂的机组不可避免地需要在小开度运行，有时甚至是长时间在振动区内运行，不仅严重影响了机组的使用寿命，也降低了机组运行的安全可靠性。对于二滩电厂来说，不断提高机组的运行稳定性，满足调度对电力生产的要求，具有十分重要的现实意义。投产9年来，二滩电厂做了大量卓有成效的工作，且取得了可喜的成绩。4.1全面掌握机组运行数据该系统投运以后，除了可在线进行机组状态监测，还可以对机组状态进行长期的趋势分析。通过进行机组振动、摆度、水压脉动趋势的长期监测和不同机组在相同工况下的趋势比较，可以及早发现机组运行状态的变化，及时发现缺陷和设备隐患。此外，二滩电厂还利用该系统进行了多次各类试验，其中，最重要的是机组运行稳定性试验，试验范围覆盖了机组运行的各个水头段（2米一个间隔）。通过完善监测手段和进行大量的试验工作，二滩电厂获取了机组运行的大量特征数据。这些数据取得后，不仅为电力系统调度、电厂运行人员合理安排机组运行方式、确保机组在最优工况下运行提供了参考，还可通过对机组运行特征数据变化趋势的分析，及时掌握设备运行状态、及早发现缺陷和设备隐患，对检修周期和检修方案的确定具有极大的指导作用，为电厂实现状态检修打下了坚实的基础。4.2合理安排机组运行方式，确保机组运行在最佳工况通过进行全水头稳定性试验，二滩电厂全面掌握了各机组在不同水头下的运行稳定性状况，在机组运转特性曲线上准确划分出不宜运行、不宜长期运行和稳定运行三个区域，并以此指导机组运行。以#4机组为例，机组运转特性曲线上的三个区域如图7所示：图7：二滩电厂#4机组运转特性曲线l 小负荷区：属较稳定的低效率工况区，机组不宜在此工况下长期运行；l 振动区：机组不宜在此工况下运行；l 大负荷区：属稳定的高效率运行区，机组可在此区域内长期运行。按照上述划分区域后，运行人员手动调整负荷时，将综合考虑各机组负荷分配，优先将尽可能多的机组运行在大负荷区，让尽可能少的机组在小负荷区带剩余负荷调峰、调频运行，避免机组运行在强涡带工况区，既完成了发电任务，同时又最大限度地保护了机组。另外，二滩电厂在设计AGC系统时将该数据应用到AGC系统的负荷分配过程中，AGC系统的负荷分配策略会主动考虑多台机组的负荷分配组合方式，将各机组避开强涡带工况区（振动区）或跨过强涡带工况区（振动区）运行，确保机组一直运行在最优工况。该系统投运以来大多数时间在省调方式下运行，执行省调下发的全厂总负荷设定值，调整川渝电网与华中电网联络线潮流，不但负荷分配合理，而且机组响应正确迅速，将运行人员从手动频繁调整联络线的运行方式下解脱出来，极大地减轻了运行人员的劳动强度，同时兼顾了机组运行在最佳工况，提高了机组的运行寿命，延长了检修周期，创造了可观的经济效益和社会效益。4.3加强设备整治和改造，努力提高检修工艺水平在加强设备管理的同时，二滩电厂还采用最新的工艺和先进的设备积极进行设备整治和改造。在历年的检修过程中，我们采用液压拉伸工具改进了转子连接螺栓的紧固方式，较好地控制了机组轴系的调整质量；采用有自主知识产权的新工艺调整导叶立面间隙，控制20个导叶的角度、开度差，尽可能地消除转轮进口水力的不平衡；采取了增设抗重螺栓加强上机架切向支撑和顶盖径向支撑；增设抗重螺栓，将原固定式筒式水导瓦改进成可调式筒式水导瓦，径向位移（单侧）限制在0.05-0.08mm范围内（GE原设计值为0