三峡水轮机水力稳定性研究

1、符建平符建平 郑莉媛郑莉媛 潘罗平潘罗平 刘光宁刘光宁2012.04.15三峡电站原型水轮机三峡电站原型水轮机性能试验性能试验l三峡电站自三峡电站自20032003年首批机组投产以来，年首批机组投产以来，经历了经历了135m135m、139m139m、145m145m、156m156m、172m172m、175 m175 m各种上游水位的运行，水各种上游水位的运行，水轮机运行情况总体良好，各项指标优良，轮机运行情况总体良好，各项指标优良，部分指标达到或超过国际同类型电站机部分指标达到或超过国际同类型电站机组水平。组水平。l在水位变化过程中，三峡总公司组织有在水位变化过程中，三峡总公司组织有关单

2、位对三峡机组进行了运行性能测试。关单位对三峡机组进行了运行性能测试。l在全部在全部2626台机组中，根据不同水轮机制台机组中，根据不同水轮机制造厂商分成造厂商分成5 5组，即组，即ALSTOMALSTOM、 VGSVGS、东电、东电、AlstomAlstom和哈电。和哈电。l在每组机组中选择其中的一台机组，作在每组机组中选择其中的一台机组，作为典型机组进行原型机性能研究。其代为典型机组进行原型机性能研究。其代表性机组为左岸表性机组为左岸ALSTOM (6ALSTOM (6号机号机) )、左、左岸岸VGS (8VGS (8号机号机) )、右岸东方、右岸东方(16(16号机号机) )、右、右岸岸A

3、lstom(21Alstom(21号机号机) )和右岸哈电和右岸哈电(26(26号机号机) )。l1 1 、 能量特性能量特性 5 5种机型水轮机的能量特性都满足合同种机型水轮机的能量特性都满足合同保证值要求保证值要求，都有一定的出力裕度，其都有一定的出力裕度，其中，三峡左岸中，三峡左岸VGSVGS水轮机的出力裕度较水轮机的出力裕度较大，在额定水头时为大，在额定水头时为5%5%，低水头时为，低水头时为6%6%；三峡右岸东电水轮机的出力裕度三峡右岸东电水轮机的出力裕度较大，在额定水头时为较大，在额定水头时为7%7%。l2 2、空化特性空化特性l三峡左、右岸三峡左、右岸5 5种机型水轮机都具有良种

4、机型水轮机都具有良好的空化特性，满足合同保证值要求，好的空化特性，满足合同保证值要求，在合同规定的运行范围内，水轮机未发在合同规定的运行范围内，水轮机未发生空蚀破坏。生空蚀破坏。图图1. 左岸电站左岸电站7号机号机6导叶导叶(20072008冬修时摄冬修时摄) 图图2. 左岸电站左岸电站6号机转轮叶片号机转轮叶片(2007-2008冬修时摄冬修时摄)l3 3、水力稳定性水力稳定性l全水头特别是高水头运行工况，三峡全水头特别是高水头运行工况，三峡5 5种机种机型水力稳定性良好。型水力稳定性良好。l在小负荷范围内在小负荷范围内5 5种机型水轮机的尾水管压种机型水轮机的尾水管压力脉动幅值均超过合同保

5、证值，原因是标书力脉动幅值均超过合同保证值，原因是标书规定的小负荷范围压力脉动幅值偏小规定的小负荷范围压力脉动幅值偏小, ,制造制造商为了拿到合同，提供的保证值客观科学依商为了拿到合同，提供的保证值客观科学依据也不够充分。据也不够充分。l如按压力脉动相对值如按压力脉动相对值H HH H小于小于6%6%或或8%8%，同时振动、摆度值基本未超标划分稳定，同时振动、摆度值基本未超标划分稳定运行区，哈电右岸水轮机的稳定运行范围较运行区，哈电右岸水轮机的稳定运行范围较宽。宽。 下游水压脉动02468101214160100200300400500600700800900机组有功(MW)相对水压脉动H/H

6、（）H=145.0mH=145.5mH=146.0mH=147.0mH=148.0mH=149.0mH=150.0mH=151.0mH=152.0mH=153.0mH=154.0mH=155.0mH=155.5mH=156.5mH=157.5mH=158.5mH=159.5mH=160.5mH=161.5mH=162.5mH=163.5mH=164.5mH=165.5mH=166.5mH=167.5mH=168.5mH=169.5mH=170.5mH=171.5mH=172.0mH=172.5mH=173.0mH=173.5mH=174.0mH=174.5mH=175.0m图图3 三峡三峡6F

7、(ALSTOM)全水头尾水锥管下游水压脉动全水头尾水锥管下游水压脉动三峡8F全水头尾水下游侧压力脉动趋势图0%2%4%6%8%10%12%0200400600800有功功率 (MW)水压脉动相对值 H/H (%)155.5米156.5米157.5米158.5米159.5米160.5米161.5米162.5米163.5米164.5米165.5米166.5米167.5米168.5米169.5米170.5米171.5米172.5米173.0米173.5米174.0米174.5米175.0米2%4%6%图图4 三峡三峡8F(VGS)全水头尾水锥管下游压力脉动全水头尾水锥管下游压力脉动图图5 三峡三峡1

8、6F(东电东电)全水头尾水锥管下游压力脉动全水头尾水锥管下游压力脉动三峡21F全水头尾水锥管下游水压0246810121416180100200300400500600700800900机组有功(MW)相对水压脉动H/H（）H=145.3mH=145.8mH=146.3mH=147.3mH=148.3mH=149.3mH=150.3mH=151.3mH=152.3mH=153.3mH=154.3mH=155.3mH=155.8mH=157.8mH=158.8mH=159.8mH=160.8mH=161.8mH=162.8mH=163.8mH=164.8mH=165.8mH=166.8mH=16

9、7.8mH=168.8mH=169.8mH=170.8mH=171.8mH=172.3mH=172.7mH=172.8mH=173.3mH=173.8mH=174.3mH=174.7mH=174.8m尾水锥管相对水压脉动合同保证值：6%尾水锥管相对水压脉动合同保证值：4%图图6 三峡三峡21F(Alstom)全水头尾水锥管下游压力脉动全水头尾水锥管下游压力脉动l21F21F机组在低水头（机组在低水头（77.8m77.8m、80m80m、83m83m）运）运行时，水车室出现异常声音；涡带振动区的范行时，水车室出现异常声音；涡带振动区的范围大致为围大致为300300450MW450MW，涡带频率约

10、为，涡带频率约为0.31Hz 0.31Hz 。大负荷工况顶盖径向、垂直振动与水。大负荷工况顶盖径向、垂直振动与水导摆度在导摆度在550550585MW585MW后突然增加，频率大后突然增加，频率大致为致为1.19Hz1.19Hz，为转频。需投入强迫补气才能维，为转频。需投入强迫补气才能维持运行。持运行。21F21F大负荷振动具有单机特性，但其大负荷振动具有单机特性，但其下导摆度、顶盖垂直振动有些工况超标，限制下导摆度、顶盖垂直振动有些工况超标，限制了大负荷的稳定性能（见图了大负荷的稳定性能（见图7 7）。图图7 21F振动摆度随振动摆度随负荷变化负荷变化0%2%4%6%8%10%12%14%1

11、6%18%20%0100 200 300 400 500 600 700 800 900有功功率(MW)145.5m146m146.5m147m148m149m150m151m152m153m154m155m156m157m158m159m160m161m162m163m164m165m166m167m168m169m170m171m172m172.5m10年171.5m10年172m10年172.5m10年173m10年173.5m10年174m10年174.5m10年175m图图8 三峡三峡26F(哈电哈电)全水头尾水锥管下游压力脉动全水头尾水锥管下游压力脉动图图9 上游水位上游水位145

12、.5 m时真机与模型尾水压力脉动对比曲线时真机与模型尾水压力脉动对比曲线图图10 上游水位上游水位175m时真机与模型尾水压力脉动对比曲线时真机与模型尾水压力脉动对比曲线l由图由图3-103-10可见：可见：l真机实测曲线与模型试验曲线变化的大真机实测曲线与模型试验曲线变化的大体趋势基本一致，在部分负荷区，体趋势基本一致，在部分负荷区，5 5种水种水轮机都出现不同程度的压力脉动；最优工轮机都出现不同程度的压力脉动；最优工况至最大出力工况，压力脉动减小；超负况至最大出力工况，压力脉动减小；超负荷工况，有的机组会出现压力脉动突然升荷工况，有的机组会出现压力脉动突然升高的现象；高的现象；l部分负荷的

13、压力脉动，真机和模型有的差别很大，部分负荷的压力脉动，真机和模型有的差别很大，如如16F16F、21F21F和和26F 26F ( (当涉及到特殊的水力不稳定当涉及到特殊的水力不稳定或共振现象时，即使模型和真机是相似的，或共振现象时，即使模型和真机是相似的，模型试验也难以预估真机的水力稳定性能模型试验也难以预估真机的水力稳定性能) )；l 21F 21F大负荷振动具有单机特性，但其顶盖振动限大负荷振动具有单机特性，但其顶盖振动限制了大负荷的稳定性能；制了大负荷的稳定性能；l以模型存在以模型存在 “ “特殊压力脉动带特殊压力脉动带”判断真机稳定性，判断真机稳定性，看来还有待进一步探讨；看来还有待

14、进一步探讨；l水力设计是影响水轮机水力稳定性的主要因素。水力设计是影响水轮机水力稳定性的主要因素。l4 4、 稳定运行区域划分原则稳定运行区域划分原则l根据三峡机组的特点，稳定运行区的根据三峡机组的特点，稳定运行区的划分原则三峡电厂初步规定如下：划分原则三峡电厂初步规定如下：l禁止运行区：压力脉动大于禁止运行区：压力脉动大于6%6%（黄（黄线），或振动摆度任一值超过合同保线），或振动摆度任一值超过合同保证值或运行限值；证值或运行限值；l限制运行区：压力脉动在限制运行区：压力脉动在4%4%（兰线）（兰线）到到6%6%（黄线）之间，若无水力共振或（黄线）之间，若无水力共振或高部分负荷压力脉动带，同

15、时振动摆度高部分负荷压力脉动带，同时振动摆度值均未超过合同保证值或运行限值；值均未超过合同保证值或运行限值；l稳定运行区：压力脉动小于稳定运行区：压力脉动小于4%4%（兰（兰线），无水力共振和高部分负荷压力脉线），无水力共振和高部分负荷压力脉动带，同时振动摆度值均未超过合同保动带，同时振动摆度值均未超过合同保证值或运行限值；证值或运行限值； 中小水轮机的相对刚度较好中小水轮机的相对刚度较好, ,压力脉压力脉动相对值可根据电站实际情况扩展至动相对值可根据电站实际情况扩展至8%8%（红线）（红线）。左岸左岸VGS水轮机有一定水轮机有一定的特点。的特点。l图图11 11 左岸左岸ALSTOM 6AL

16、STOM 6号水轮机运行分区号水轮机运行分区图图12 12 左岸左岸VGS 8VGS 8号水轮机运行分区号水轮机运行分区图图13 右岸东电右岸东电 16号水轮机运行分区号水轮机运行分区图图14 14 右岸右岸AlstomAlstom水轮机运行分区水轮机运行分区图图15 右岸哈电水轮机运行分区右岸哈电水轮机运行分区 l 5、高部分负荷压力脉动问题高部分负荷压力脉动问题l上个世纪上个世纪9090年代初，苏尔寿年代初，苏尔寿爱舍维斯爱舍维斯公司和洛桑水力机械研究所等都发表过公司和洛桑水力机械研究所等都发表过关于高部分负荷压力脉动的文章。在三关于高部分负荷压力脉动的文章。在三峡模型水轮机验收试验阶段，

17、哈大所也峡模型水轮机验收试验阶段，哈大所也曾发现模型水轮机在高部分负荷区出现曾发现模型水轮机在高部分负荷区出现压力脉动突然升高的突变现象。压力脉动突然升高的突变现象。l20082008年年1212月月9 9日，曾参与三峡工程机电设日，曾参与三峡工程机电设备论证的专家，以及国家电网公司、三峡备论证的专家，以及国家电网公司、三峡总公司、长江勘测规划设计研究院、长江总公司、长江勘测规划设计研究院、长江电力股份公司等单位的代表，应邀参加了电力股份公司等单位的代表，应邀参加了在三峡坝区召开的三峡电站水轮发电机组在三峡坝区召开的三峡电站水轮发电机组性能评审会，评审意见根据性能评审会，评审意见根据三峡现场试

18、三峡现场试验报告验报告认为认为： “在真机试验过程中，在真机试验过程中，通过对试验数据的分析，未发现特殊压力通过对试验数据的分析，未发现特殊压力脉动区脉动区” ” 。l6 6、 结语结语l、三峡电厂五种机型在、三峡电厂五种机型在135m135m、139m139m、145m145m、156m156m、172m172m、175 m175 m各种水位下各种水位下的试验和运行证明，水轮机运行情况总体的试验和运行证明，水轮机运行情况总体良好。在合同规定的运行范围内，能量特良好。在合同规定的运行范围内，能量特性都能满足合同保证值要求，水轮机具有性都能满足合同保证值要求，水轮机具有良好的空化特性，运行稳定性良好。各项良好的空化特性，运行稳定性良好。各项指标优良，部分指标达到或超过国际同类指标优良，部分指标达到或超过国际同类型电站机组水平。型电站机组水平。l、五种机型的原型试验结果表明，影五种机型的原型试验结果表明，影响机组稳定性的主要因素是水力因素。响机组稳定性的主要因素是水力因素。各水位下，机组（顶盖、下机架、上机各水位下，机组（顶盖、下机架、上机架、定子）和厂房振动，主轴摆度在涡架、定子）和厂房振动，主轴摆度在涡带区间内最大幅值的主要频率与水压带区间内最大幅值的主要频率与水压（尾水锥管、蜗壳和无叶区）脉动的主（尾水锥管、