46第39卷第4期2016年04月水电站机电技术Mechanical&ElectricalTechniqueofHydropowerStationVol.39No.4Apr.2016紧水滩水电厂5号机开机过程异常振动分析与处理段文华，李德红，项兴华浙江丽水323000）（浙江省电力公司紧水滩水力发电厂，摘要：紧水滩水电厂5号机增容改造时更换了转轮、导水机构等重要部件。改造后机组自动开机过程中出现异常振动。通过对机组振动、水压、接力器行程与转速等参数分析，策略进行优化调整及试验后，机组开机过程振动与压力最高值明显减小，关键词：增容改造；开机；振动；试验中图分类号：TM312文献标识码：B文章编号：DOI：10.13599/j.cnki.11-5130.2016.04.0151机组概况紧水滩水电厂装有6台单机50MW的混流式机组，电站总装机300MW。6台机组分别于1987年~1988年投产发电，均为杭州发电设备厂生产。发电机型号为SF-K50-30/00，立轴悬式，采用双路自循环径向密闭通风型式，不装设风扇，用转子支架自转打风作用进行空气循环。设计出力为50MW，额定转速200r/min。水轮机如图1所示，型号为HL220-LJ-300，立轴混流式，金属蜗壳，包角345°，转轮直径3m，额定出力51.5MW，设计水头69m，最大水头85m，最小水头60.5m。机组主要承担系统调峰调频任务。5号机增容改造为紧水滩电厂首台机组改造，从原来的51.5MW增容至56.7MW，新水轮机型号为HLA835-LJ-305，改造主要更换部件为转轮与导叶。紧水滩水电厂5 号机增容改造前后图1紧水滩电厂5号水轮机剖面图判断与调速器开机控制策略有关。对调速器开机控制机组运行正常。1672-5387（2016）04-0046-03主要参数如表1。表15号水轮机增容前后主要参数设备名称 改造前 改造后 型 号
HL220-LJ-300
HL835－LJ－305
设计
69 72 水头/m
最高 85 85 最低
60.5 60.5 设计出力/MW
51.500 56.7 设计流量/m3
/s 84.7 93.2 额定转速/r/min 200 200 飞逸转速/r/min 410 410 设计最高效率/% 91.0 93.0 转轮直径/mm 3000 3050 转轮叶片/只 14 13 活动导叶/只 24 24 固定导叶/只 12 12 吸出高度/m ＜-2.5 ＜-2.5 安装高程/m 99.6 99.6 轴向力/t
≤225
≤225
2开机过程异常现象分析紧水滩水电厂5号机增容改造后第一次自动开机过程中，发现机组存在异常振动。在机组从导叶全关自动开机到机组上升到额定转速过程中，机组短时突然产生较大振动，在发电机层机组旁能感觉到明显振动。由于机组同时进行性能试验，对机组相关的参数进行了实时监视记录，因此开机过程各测点数据也被记录下来。机组开机过程振动、摆度、水压、导叶开度等各测点时域波形图见图2～图4。从时域波形收稿日期：2015-10-31作者简介：段文华（1978-），男，工程师，从事水电自动化技术管理工作。第4期紧水滩水电厂5号机开机过程异常振动分析与处理段文华，等：47图看出，机组开机过程中，机组顶盖、定子铁芯和定子基座都存在突然增大的一个振动波，时间节点相同。机组蜗壳进口水压值与压力脉动值有明显的上升尖波，顶盖下压力值存在下降变化波，尾水管压力值变化不明显。机组导叶开度时域图中，这一现象发生在导叶最大空载开度突然关回的时刻，对应机组转速达到90%左右。顶盖+X垂直顶盖+X水平顶盖+Y垂直顶盖+Y水平接力器行程转速图2机组开机过程顶盖振动、接力器行程与转速时域波形图图3机组开机过程尾水管、蜗壳、顶盖下各压力时域波形图图4机组开机过程上机架、定子铁芯和定子基座振动时域波形图在随后的机组试验中，多次发现机组自动开机过程都存在这一现象，时间点都在转速上升到约90%时。手动操作调速器开启导叶使机组转速上升到额定转速时，没有异常振动现象。将开机过程与空转、带负荷、甩负荷过程数据比较分析，发现开机过程蜗壳压力最高值与甩25%负荷时测值相近，上机架振动值与上导摆度远远大于空转与负荷运行时数值，也大于机组甩100%负荷时相应值，见表2。表2开机过程与空转、带负荷、甩负荷过程数据比较表机组工况 开机过程
空转运行
额定负荷
甩负荷 蜗壳压力最高/kPa 805
815.4 （甩50%） 上机架水平振动/mm
X：0.300 X：0.126
X：0.107 0.243Y：0.360 Y：0.104 Y：0.079 （100%） 上机架垂直振动/mm
X：0.500
X：0.038 X：0.012 0.129Y：0.550 Y：0.076 Y：0.030 （100%） 上导轴承摆度/mm
X：0.350
X：0.115 X：0.094 0.144Y：0.350
Y：0.182
Y：0.120
（100%）
3
原因分析开机过程中各振动与压力值异常增大都发生在转速上升到约90%时，此时为调速器将导叶最大空载开度突然关回的时刻。导叶突然关回，在蜗壳形成水锤，顶盖下形成负水锤，由于导叶后压力无测点，推测可能导叶后压力变化更大，导致机组突然产生明显振动。机组开机过程导叶最大空载开度、开启规律、关回量与调速器开机控制策略有关。紧水滩电厂5号机组增容改造前后调速器开机控制策略未作调整，调速器自动开机控制策略过程曲线如图5所示。t4图5调速器开机过程曲线图图5中：A点开度Y1受最大和最小空载开度设定值影响，该点的值是根据当前水头的空载开度加上约12%，B点开度Y2为2倍的最大空载开度。从开机令下达到A点的斜率（增量）是固定值，内部设置为每周期0.08%开度（周期为20ms）。A-B段的斜率（增量）也是固定值，内部设置为每周期0.015%开度（周期约为20ms）。到达B点后经过一段时间，当机组频率达到45~48Hz时（即C点）调速器输出自动将导叶开度压至按水头计算得出的空载开度给定值Y3后进入空载运行工况，然后经PID调节到达D点开度Y4，整个开机过程完成。48水电站机电技术第39卷初步分析机组增容改造后，转轮通流量增大，实际工况可能和调速器原设置的开机过程控制策略不匹配，最大空载开度、关回量偏大，引起水轮机产生较大水锤，使机组产生突然振动。4调速器开机控制策略调整试验结合试验对调速器开机过程曲线进行了实测。A点时导叶开度为26%，B点时导叶开度为42%，Y3位置时导叶开度为18%，D点时导叶开度为22%。初步分析B点时导叶开度为42%相对偏大，因此通过组合调整A、B、C、D点位置导叶开度的方法进行优化。先后对调速器开机过程曲线进行了三次修改，试验数据如表3。通过机组的状态监测系统对修改前后采集机组运行振动、压力的时域波形图比较分析，见图6~图9，由于机组的状态监测系统与之前机组稳定性试验监测系统数据源不同，数据大小与精度存在明显差别，只能依据机组的状态监测系统数据前后进行比较。通过时域波形图比较分析，调速器控制策略优化后各部振动与压力最高值明显比修改前减小。优化后试验时机组开机过程平稳，人为感觉机组开机过程中的突然振动明显减小，甚至好于其它机组开机过程。图6修改前开机过程时域波形图图7第一次修改后开机过程时域波形图图8第二次修改后开机过程时域波形图图9最后修改后开机过程时域波形图表3开机过程曲线修改参数、实际参数数据表时间/名称 修改前 第一次修改 第二次修改 最后修改 Y1/% 35
25 25 25 Y2/% 42 33 33 33 Y3/% 21 21 20 20 Y4/% 22 22 22 22 T1/s 6.20 6.52 7.12 6.8 T2/s 16.37 20.48 19.82 19.98 T3/s 21.28 34.69 28.72 29.2 T4/s
32.24
42.39
40.54
40.8
说明： 由于第二次修改后影响其它调节品质，因此将PID投入频率改为第一次修改时值。5结束语紧水滩水电厂5号机增容改造更换了转轮、导水机构等重要部件，水轮机的特性与改造前发生很大变化，仍采用原调速器开机控制策略，导致机组自动开机过程产生突然振动。通过对调速器开机控制策略试验调整，机组开机过程振动与压力最高值明显减小，消除了开机过程异常情况，保证了开机过渡过程平稳。参考文献：[1]魏守平.水轮机控制工程[M].武汉:华中科技大学出版社，2005.[2]蔡维由.水轮机调速器[M].武汉:武汉水利电力大学出版社，2000.