軸流式水輪機(jī)協(xié)聯(lián)優(yōu)化試驗(yàn)研究

軸流式水輪機(jī)協(xié)聯(lián)優(yōu)化試驗(yàn)研究

與混合水流發(fā)生器相比，主缸式氣泡發(fā)生器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝要求高。在實(shí)際運(yùn)行過程出現(xiàn)了各種問題,嚴(yán)重時(shí)甚至影響到機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。如黃河大峽水電站第2臺(tái)機(jī)組自投運(yùn)起即存在上導(dǎo)擺度大、振動(dòng)嚴(yán)重等缺陷,福建水口水電站2號(hào)機(jī)組上機(jī)架振動(dòng)、軸擺度嚴(yán)重超標(biāo)問題,葛洲壩二江水電機(jī)組水導(dǎo)擺度嚴(yán)重超標(biāo)、40%~55%額定負(fù)荷區(qū)存在強(qiáng)振等問題,Inverawe電站25MW機(jī)組高負(fù)荷區(qū)存在振動(dòng)過大?？梢娪斜匾獙?duì)此類水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究,總結(jié)出優(yōu)化運(yùn)行穩(wěn)定性狀態(tài)的一般性策略。本文以小東江水電站為例進(jìn)行研究分析。小東江水電站位于湖南省資興市境內(nèi)耒水河上,裝設(shè)4臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組,1、2號(hào)機(jī)組單機(jī)容量7MW,為定槳式水輪發(fā)電機(jī)組;3、4號(hào)機(jī)組單機(jī)容量20.5MW,為轉(zhuǎn)槳式水輪發(fā)電機(jī)組。工程于1984年開始施工,1990年10月投產(chǎn)發(fā)電。電站最大水頭17.3m,最小水頭9m,加權(quán)平均水頭14.6m。1振動(dòng)幅值分布小東江水電站3號(hào)機(jī)組自投運(yùn)起即存在振動(dòng)異常,擺度經(jīng)常性異常增大,部分工況下存在嚴(yán)重振動(dòng)。根據(jù)湖南省電力公司科學(xué)研究院2006年14m水頭的測(cè)試結(jié)果顯示:(1)機(jī)組在低負(fù)荷(3~4MW左右)運(yùn)行時(shí)存在強(qiáng)烈振區(qū),上機(jī)架振動(dòng)最大達(dá)到了200μm左右;(2)大軸擺度超標(biāo),最大達(dá)到400μm左右,調(diào)整軸瓦間隙后有逐步增大趨勢(shì);(3)非振動(dòng)區(qū)運(yùn)行的振動(dòng)幅值偏大:上機(jī)架水平振動(dòng)大部分工況超過了120μm,水導(dǎo)軸承水平振動(dòng)最大達(dá)80μm。各部位振動(dòng)趨勢(shì)如圖1所示。為確保安全穩(wěn)定運(yùn)行,電廠每年對(duì)機(jī)組進(jìn)行多次檢修。雖經(jīng)檢修將機(jī)組軸線調(diào)整合格、導(dǎo)瓦間隙調(diào)整至要求值,但機(jī)組振動(dòng)擺度依然異常偏大,可見軸線及軸瓦間隙并非是引起該機(jī)組異常振動(dòng)的根本性原因。另根據(jù)該機(jī)組變勵(lì)磁試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,各部位振動(dòng)擺度幅值與勵(lì)磁電壓幅值的關(guān)系不明顯,因此基本排除電氣因素的振動(dòng)。經(jīng)分析,不能排除該機(jī)組協(xié)聯(lián)曲線不佳導(dǎo)致機(jī)組異常運(yùn)行。嚴(yán)重的機(jī)組振動(dòng)影響該機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行,增加檢修工作量,影響發(fā)電效益,為此電廠自2006年以來聯(lián)合試驗(yàn)單位對(duì)該機(jī)組的異常振動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。2不同導(dǎo)葉開度承載力的修正試驗(yàn)(1)原協(xié)聯(lián)關(guān)系測(cè)試。試驗(yàn)時(shí),機(jī)組并網(wǎng)至空載開度,調(diào)速器切現(xiàn)地控制,在空載至最大負(fù)荷開度調(diào)節(jié)若干個(gè)導(dǎo)葉開度,每個(gè)工況點(diǎn)穩(wěn)定3~5min。(2)協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化試驗(yàn)。根據(jù)調(diào)速器內(nèi)置協(xié)聯(lián)曲線需在5個(gè)水頭下進(jìn)行試驗(yàn),但考慮到水頭調(diào)整的方便性,實(shí)際進(jìn)行了12、14、15m水頭的協(xié)聯(lián)優(yōu)化試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí),導(dǎo)葉開度分別穩(wěn)定在空載開度至最大負(fù)荷開度調(diào)節(jié)若干個(gè)開度,每個(gè)導(dǎo)葉開度工況點(diǎn)手動(dòng)調(diào)節(jié)槳葉開度,在原協(xié)聯(lián)點(diǎn)附近單向調(diào)節(jié)5~6個(gè)槳葉開度,每個(gè)工況穩(wěn)定若干時(shí)間。(3)協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化后測(cè)試。優(yōu)化后測(cè)試的目的是為了通過對(duì)比測(cè)試,評(píng)估協(xié)聯(lián)優(yōu)化的效果。如效果不理想,可對(duì)協(xié)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行適當(dāng)修正。并重復(fù)該項(xiàng)試驗(yàn),直至達(dá)到預(yù)期效果為止。試驗(yàn)時(shí),先將水頭調(diào)整至與原協(xié)聯(lián)關(guān)系試驗(yàn)時(shí)相同的水頭,在接近導(dǎo)葉開度工況下進(jìn)行測(cè)試。(4)動(dòng)平衡處理。調(diào)速器協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化后,為進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行狀況,視機(jī)組的振動(dòng)擺度情況,可適當(dāng)進(jìn)行動(dòng)平衡處理。3處理3.1原槳葉開度對(duì)原槳葉開度曲線的影響根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化后曲線,規(guī)律跟原協(xié)聯(lián)曲線的規(guī)律基本一致:同一導(dǎo)葉開度下進(jìn)行比較,12、13、14m水頭的優(yōu)化槳葉開度比原槳葉開度分別降低了約20%、15%、12%。協(xié)聯(lián)曲線對(duì)比見圖2所示:3.1.1輪機(jī)指數(shù)效率各試驗(yàn)水頭下,在相同導(dǎo)葉開度工況下進(jìn)行對(duì)比,協(xié)聯(lián)優(yōu)化后,水輪機(jī)的指數(shù)效率均明顯得到了提高(平均提高約5%),各工況均有改善(見圖3所示)。協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化后在14m水頭下(額定水頭),機(jī)組最大出力達(dá)到20.8MW,能滿足機(jī)組設(shè)計(jì)要求。3.1.2增加水導(dǎo)擺度水導(dǎo)擺度,提高階段型水導(dǎo)葉開度協(xié)聯(lián)曲線的優(yōu)化對(duì)機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性有一定的改善,對(duì)70%導(dǎo)葉開度以下機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性有明顯改善,其中50%導(dǎo)葉開度附近的水導(dǎo)擺度改善最為明顯(降低約200μm左右),高負(fù)荷區(qū)上機(jī)架水平振動(dòng)降低約30μm。協(xié)聯(lián)關(guān)系優(yōu)化試驗(yàn)明顯提高了水輪機(jī)的效率;改善了機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性,特別是明顯改善了低負(fù)荷區(qū)機(jī)組的運(yùn)行狀況,對(duì)高負(fù)荷區(qū)的上機(jī)架水平振動(dòng)也有所改善。3.2支臂配重試驗(yàn)為進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行狀況,決定對(duì)小東江3號(hào)機(jī)組進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)。該機(jī)組轉(zhuǎn)子質(zhì)量為146t,配重半徑為3.3m,轉(zhuǎn)速為107r/min,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)在轉(zhuǎn)子上試加配重40kg,第一次試加在6號(hào)支臂(勵(lì)磁出線段對(duì)應(yīng)的支臂為1號(hào)支臂,順時(shí)針編號(hào),共8個(gè)支臂)上,第二次試加在8號(hào)支臂上,經(jīng)兩次試重,最終在5號(hào)支臂上加35kg,4號(hào)支臂上加10kg。配重效果見表1所示。經(jīng)配重,上導(dǎo)擺度和上機(jī)架水平振動(dòng)幅值降低約50%以上,水導(dǎo)擺度在空載工況幅值有所改善。4優(yōu)化分析4.1優(yōu)化前后的比較在完成以上試驗(yàn)后,為驗(yàn)證最終優(yōu)化效果,進(jìn)行了13、14m水頭穩(wěn)定性對(duì)比測(cè)試,其中14m水頭優(yōu)化效果更為明顯,對(duì)比結(jié)果見圖4。4.2降低雙管理體制,降低水導(dǎo)軸承水平振動(dòng)(1)振動(dòng)區(qū)內(nèi)機(jī)組最大振動(dòng)擺度幅值降低一半以上,解決了機(jī)組低負(fù)荷區(qū)內(nèi)的強(qiáng)振:上機(jī)架振動(dòng)從最大244μm降低到最大97μm,上導(dǎo)擺度最大值從289μm降低到113μm,水導(dǎo)軸承水平振動(dòng)從最大83μm降低至23μm。(2)非振動(dòng)區(qū)內(nèi)(40%以上導(dǎo)葉開度)運(yùn)行,機(jī)組狀態(tài)良好:上導(dǎo)擺度最大88μm,上機(jī)架水平最大振動(dòng)為56μm。4.3調(diào)速器特性全面檢查(1)根據(jù)無水測(cè)試結(jié)果,該機(jī)組的協(xié)聯(lián)關(guān)系在60%以上導(dǎo)葉開度槳葉的誤差較大,建議對(duì)調(diào)速器特性進(jìn)行全面檢查測(cè)試,消除協(xié)聯(lián)誤差。(2)處理后機(jī)組在非振動(dòng)區(qū)運(yùn)行時(shí)水導(dǎo)擺度仍有約300μm左右,盡快安排檢修機(jī)會(huì),對(duì)機(jī)組的軸線、各導(dǎo)瓦間隙進(jìn)行檢查調(diào)整。(3)盡可能避開機(jī)組振動(dòng)區(qū)(35%以下導(dǎo)葉開度)運(yùn)行。5提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的效果小東江水電站3號(hào)機(jī)組通過協(xié)聯(lián)優(yōu)化、動(dòng)平衡處理、檢修等手段,成功消除了機(jī)組振動(dòng)異常狀況,機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性狀態(tài)得到了極大改善:(1)消除了低負(fù)荷區(qū)內(nèi)的強(qiáng)振,降低了振動(dòng)擺度幅值;(2)水輪機(jī)效率得到了明顯提高,且能滿足機(jī)組額定出力要求。由此可見,采取協(xié)聯(lián)關(guān)系的