混流式水电机组稳定性分析及运行区划分研究.pdf

第4 6 卷第1 1 期2023年1 1 月水电站机电技术Mechanical&Electrical Technique of Hydropower StationVol.46 No.11Nov.202317混流式水电机组稳定性分析及运行区划分研究曹斌，姚泽，李玺（1.广东云舜综合能源科技有限公司广州分公司，广东广州5 1 0 5 4 0；2.南方电网电力科技股份有限公司，广东广州5 1 0 0 8 0）摘要：对某电站1 号机组进行了4 个典型水头的稳定性试验，测试了各典型水头下该机组在空载和不同负荷下的振动、摆度及水压力脉动。分别从水力、机械、电气因素分析了导致机组振动的原因。根据机组运行稳定性将运行区划分为小负荷振动区、涡带工况区及大负荷稳定运行区，为机组的安全运行、技术改造及科学调度提供准确依据。关键词：混流式水电机组；稳定性；振动；运行区中图分类号：TV734.1DOl:10.13599/ki.11-5130.2023.11.006文献标识码：A文章编号：1 6 7 2-5 38 7(2 0 2 3)1 1-0 0 1 7-0 4验来减轻甚至消除，而由于水力因素引起的振动原0引言因错综复杂,要大幅减轻或消除非常困难5 。本文某水电站安装了4 台单机容量为30 0 MW的混流式水轮发电机组，机组额定转速1 36.4 r/min，额定水头1 1 1.0 m，设计水头1 2 6.6 5 m，最大水头1 4 3.0 m，最小水头8 3.0 m。为保证机组长期安全稳定运行，同时根据国家电力监管委员会关于吸取俄罗斯萨扬水电站事故教训进一步加强水电站安全监督管理的意见，对1 号机组进行了4 个典型水头下真机稳定性试验。通过全面测试各典型水头下机组在空载和不同负荷下的振动、摆度及水压力脉动，分别从水力、机械、电气因素分析导致机组振动的原因。根据机组运行稳定性情况将运行区划分为小负荷振动区、涡带工况区及大负荷稳定运行区2 1,为机组的安全运行、检修、技术改造及科学调度提供准确依据1机组振动分析由于水轮发电机组结构的特殊性,其振动原因比一般旋转机械复杂，不但要考虑机组本身旋转部分和固定部分的振动外，还需考虑流体动水压力对电站引水系统、水轮机过流部件造成的影响以及发电机电磁力对机组振动的影响3。因此，引起水轮发电机组振动的原因包括机械、水力和电气3大振源，通常几种振源同时存在(4 。由机械和电磁力因素引起的振动通常可通过机组检修及现场动平衡试所进行的水电机组稳定性试验及运行区划分研究，是指若试验过程中发现存在机械或电磁力因素而引起机组振动，必须通过检修或现场动平衡试验大幅减轻或消除其影响。通过上述处理措施后，在某些负荷范围内，由于水力因素的影响，机组振动、摆度及尾水管压力脉动仍超标，通过划分运行区而避开振动较大的区域运行。为了全面了解引起机组振动的原因，目前常采用变转速试验、变励磁试验和变负荷试验等方法6,7,确定振动的振幅、频率和相位等重要参数，进行综合分析，分辨引起振动的主要原因，提出减小振动的处理方法及合理的运行策略。2机组运行稳定性分析为了真实反映机组振动区，必须对引起机组振动的原因进行全面分析，表1 为其中3个毛水头下机组上机架水平振动、下机架水平振动及顶盖水平振动主频幅值/主频（m/Hz)真机试验数据。2.1振动原因分析2.1.1机械振动分析机械原因引起水电机组振摆的机理及特征与一收稿日期：2 0 2 3-0 9-0 3作者简介：曹斌(1 98 7-),男，工程师，从事设备状态监测及故障诊断工作。18工况上机架主频下机架主频顶盖主频幅值幅值/主频幅值/主频/主频/m/Hz/m/Hz/m/Hz空载85/2.2720MW85/2.2760MW84/2.2780MW91/2.27120MW96/2.27150MW93/2.27170MW92/2.27190MW82/2.27230MW81/2.27260MW300MW般旋转机械没有本质上的区别，主要振动原因及特征如下8(1)因转动部分质量不平衡引起的振动，其主要特征为振动幅值随机组转速变化敏感，振动幅值与转速的二次方成正比，且水平方向振动比较大；(2)因机组轴线曲折、对中不准、紧固件松动、轴承缺陷等引起的振动，其主要特征表现为机组在空载低速运行时，机组有明显的振动；(3)因机组转动部件与固定部件碰摩所引起的振动，其特征为振动强烈并伴有撞击声响。由表1 数据频谱分析来看，上机架水平振动及上导摆度的转频分量非常大，同时还存在一定的2倍频分量，表明机组存在一定的机械振动的影响。2.1.2电磁振动分析(1)因发电机转动部分受不平衡力引起的振动，其主要特征为振动随励磁电流增大而增大，且上机架振动较明显；(2)因定子铁心组合缝松动或定子铁心松动等引起的振动，其主要特征表现为振动随转速变化明显，且机组带负荷运行一定时间后，振幅又随时间减小，同时其振动频率一般为电流频率的2 倍。由表1 及机组其它振动信号可知，信号中并未发现发电机2 倍工频(1 0 0 Hz)及其谐波频率的电磁振动，表明电磁力因素对机组振动影响非常小。2.1.3水力振动分析水流流经水轮机蜗壳、转轮及尾水管等过流部件时，由于水力不平衡以及压力脉动等原因而引起水电站机电技术表1 机组3个毛水头下各部位水平振动主频幅值/主频97.4m毛水头上机架主频下机架主频顶盖主频幅值幅值/主频幅值/主频/主频/m/Hz/m/Hz/m/Hz9/2.2720/2.2710/2.2723/2.2710/2.2721/2.279/2.2720/2.279/2.2719/2.279/2.2725/0.6111/0.6427/0.648/2.2718/2.278/2.2719/2.27第4 6 卷128.6m毛水头133m毛水头上机架主频下机架主频顶盖主频幅值幅值/主频幅值/主频/主频/m/Hz/m/Hz/m/Hz103/2.2710/2.27102/2.2710/2.2797/2.2710/2.27101/2.2710/2.2790/2.279/2.2769/2.279/2.2774/2.279/2.2776/2.2710/2.2779/2.277/2.2791/2.276/2.2784/2.278/2.27机组振动9-1。(1)蜗壳中不均匀流场引起的小漩涡进入转轮引起的振动，这种情况在低水头电站较多，振频为nxz一，n为机组转速，z为转轮叶片数，一般属中60频振动，和发电机上机架自振频率相同时使机组产生共振；(2)卡门涡列所诱发的振动,其振动特征为卡门涡流的频率与叶片厚度和流速有关，仅在一定负荷下发生，振幅随过机流量增加明显增大；(3)尾水管中水流的低频压力脉动所引起的机组振动，在水轮机组振摆故障中最常见且发生频率最高的是尾水管涡带。由表1 及机组其它振动信号可知，机组从空载到90 MW以下工况受水力不稳定因素影响很大，从90MW到2 30 MW机组振动信号中出现较大的涡带频率成分，机组受尾水管涡带的影响很大。2.2运行稳定性分析图1 图3分别为机组各部位摆度、振动及水压力脉动随负荷变化趋势图，从图中可以清楚地看出机组运行稳定性变化趋势，在不同水头下，各部位振动、摆度随负荷变化趋势是一致的。从空载到（6 0 MW90MW）以下为小负荷不稳定工况区，不同水头负荷区间有所不同，高水头取高限。随着负荷增大机组进人涡带工况区，其负荷范围约为170MW到2 4 0 MW以下，不同水头负荷区间有所不同，高水头取高限。随着负荷进一步增加，机组9/2.279./2.279/2.2710/2.2716/0.5519/0.5774/0.6064/0.598/2.2710/0.758/0.5793/2.2792/2.2787/2.27100/2.2794/2.2793/2.2776/2.2777/2.2764/2.2788/2.2783/2.2710/2.279/2.278/2.279/2.279/2.278/2.277/2.277/2.276/2.277/2.276/2.277/2.277/2.278/2.279/2.2713/0.6711/2.2734/0.6121/0.638/0.6410/2.2710/0.69进人高负荷稳定运行区。根据4 个毛水头下稳定性试验分析数据，将机组划分为三个运行区间,即低负第1 1 期600500200100090080070016005004003002001000图1 在4 个毛水头下机组各部位摆度随负荷变化趋势图200上机架水平振动上机聚重直振动160一下机架水平振动一下机架垂直报动一顶益水平振动120顶盖垂直振动4002802402001601208040曹斌，等：混流式水电机组稳定性分析及运行区划分研究上导摆度+X1100上导摆度+Y1000下导摆度+X900下导摆度+Y水寻摆度+X/水导摆度+Y7006005004003002001004080120160200有功功率/MW(a)毛水头97.4 m50100有功功率/MW(c)毛水头1 2 8.6 m4080有功功率/MW(a)毛水头 97.4 m19上导摇度+X一上导摇度+Y下导摇度+X一下导探度+Y800水导摆度+x水导摆度+Y24004080120160200240280有功功率/MW(b)毛水头 1 0 6 m上导摆度+X800上导提度+Y700下导拟度+X下导摆度+Y水导摇度+X水导摆度+Y150200120160上机架水平振动240上机架播直振动一下机架水平振动200一下机架循直报动一顶盖水平摄动一顶芯垂直援动荷不稳定工况区、涡带工况区及高负荷稳定运行区。2.2.1低负荷不稳定工况区分析在小负荷不稳定工况区内运行时，由于严重偏离混流式水轮机最优工况，导致存在水流进口冲角，上导摇度+X因此机组受到水力不稳定因素影响很大，表现为机上导摇度+Y下导摇度+X600下导度+Y水导探度+X500水导摆度+Y400300200100250300200240组运行时噪音很大，各部位振动、摆度及水压力脉动均较大。2.2.2涡带工况区分析在涡带工况区内，机组由于受到尾水管涡带和50100有功功率/MW(d)毛水头 1 33 m250225200175150125100755025001504080120160200240280有功功率/MW(b)毛水头1 0 6 m上机架水平报动上机架播直报动一下机架水平振动下机架蚕直动一项盖水平振动顶盖需直报动200一上机架水平振动一上机架垂直银动一下机架水平振动+一下机架垂直振动一顶蓝水平振动顶盖垂直报动250300水力不稳定因素综合影响，导致机组各部位振动、摆度及水压力脉动均较大。从各部位振动信号及水压脉动信号频谱分析来看,均出现较大的涡带频率分量，并且涡带频率分量在顶盖振动信号及尾水锥管水压脉动信号中均表现为主频。图4 为毛水头133m时，机组有功为1 7 0 MW时顶盖水平振动频谱图，图5 为毛水头1 33m时，机组有功为1 6 0 MW时尾水锥管水压脉动频谱图，从图中可以清楚地看出各信号中的涡带频率分量。工程名格：1 7 0 F-秋本：待座键箱1：无位2未月模转未用第号采真：6.88/2.676s2814/12/2214：5 8绝对量相对量工纸分量0(c)毛水头 1 2 8.6 m50100有功功率/MV150200250300050(d)毛水头 1 33m100有功功率/MW15020025030046:174414:40:2524:48:314:48:4214:4:5014:47:814:47:14L4:4T:2214:49:301:47:39图2 在4 个毛水头下机组各部位振动随负荷变化趋势图2502001005003503002502001501005000(c)毛水头1 2 8.6 m图3在4 个毛水头下机组各部位水压力脉动随负荷变化一蜗壳进口压力脉动导叶后压力脉动一顶蓝压力脉动一尾锥管压力脉动4080(a)毛水头 97.4 m脉动导叶后乐力脉动预蓝压力脉动味动尾水维管压力50100有功功半MW20018016014010080604020.160200蜗壳进口压力150200蜗壳进口压力脉动导叶后压力脉动尾水维管压力脉动24040(b)毛水头 1 0 6 m3002502001501000250300趋势图2.图4 毛水头1 33m下1 7 0 MW时顶盖水平振动频谱图工程名称：1 6 0 8-1 状态：梦到设置健租：无售号建柜2：米雨衣韩速：米网售号采果文A=70.680120160200240280有功功率/MW蜗壳进口压力脉动损美压力脉动擎叶后压力尾水锥管压力脉动050(d)毛水头1 33 m2.64：4 2:3434：4 2:42311T3100150有功功率/IW3.734：4 2 12002505.0142:193000.7图5毛水头1 33m下1 6 0 MW时尾水锥管压脉动频谱图6214:45:81.62.210.0204/12/234：4:1 64：4 9:2 42.93.1L29:39278.05/73.948(149:3234:43:414.451绝对量相寸量工辆分量业典14:43:45.9202.2.3高负荷稳定运行工况区分析由表1 可知，机组进人高负荷稳定运行工况区以后，振动信号中的涡带频率基本消失，各部位振动、摆度及水压力脉动均非常小，各项指标均满足国标要求，机组在此负荷区间内可以长期安全稳定运行。3结语水电站机电技术振动区。143小负荷区界线一一振动区界线133一锅带工况区界线128+最高出力限制线1231181131081039888第4 6 卷振动区低负荷不稳定运行区祝区20(1)通过对1 号机组4 个毛水头下真机试验表明，在小负荷工况区内运行时，由于严重偏离混流式水轮机最优工况，导致存在水流进口冲角，因此机组受到水力不稳定因素影响很大，各部位振动、摆度及水压力脉动均较大；在涡带工况区内，机组由于受到尾水管涡带和水力不稳定因素综合影响，导致机组各部位振动、摆度及水压力脉动均较大。(2)试验结果表明1 号机组上导摆度及上机架水平振动均出现超标。从数据频谱分析来看，上机架水平振动及上导摆度的转频分量非常大，同时还存在一定的2 倍频分量。因此必须加强对机组振动摆度的监测，同时高度重视检修质量，对机组进行全面检查，尤其需要重视机组轴线、中心、水平以及导轴瓦间隙的检查和调整，必要时进行动平衡试验，以对上机架水平振动及上导摆度有所改善。通过以上手段，彻底消除机组的振动故障隐患。(3)综合考虑水轮机高效率运行区等因素,可将机组划分为三个工况区（小负荷不稳定工况区、涡带工况区及高负荷稳定运行区）,并得出机组全水头试验稳定运行区域特性曲线如图6 所示，在机组运行时应根据不同的水头来调整机组出力，优化机组运行方式，使机组运行于高效率区,并尽可能地避开40参考文献：1敏政,王异凡,王乐,等.水轮发电机组振动故障诊断和试验研究J.中国农村水利水电，2 0 0 9（1 0)：1 4 0-1 4 2,1 4 6.2席慧，郑阳，安宇晨，等.基于数据驱动和ELM的水电机组振动区划分.中国农村水利水电，2 0 2 1(1 0)：1 4 0-144.3王正伟，秦亮，曾季弟，等.水轮机运行区划分研究.水力发电学报,2 0 0 9,2 8(2):1 4 3-1 4 6,34.4安宇晨,郑阳，陈启卷，等，基于多重分形与BGSA-PNN的水电机组振动信号状态识别.中国农村水利水电，2021(10):145-150.5李建辉，姚泽.大型蓄能机组运行稳定性分析.水电能源科学,2 0 1 2,30(9)：1 2 5-1 2 9.6郭智俊，王卫玉。滩坑水电站1 号机组振动区试验研究及分析).西北水电,2 0 1 6(3)：6 9-7 1,7 8.7者建伦，王胜.水轮发电机组振动的分析及处理.大电机技术,2 0 0 3(4):35-38.8王玲花.水轮发电机组振动及分析M.郑州：黄河水利出版社,2 0 1 1.9方新宇，赖喜德，陈小明中比转速混流式水轮机活动导叶翼型对无叶区压力脉动的影响.中国农村水利水电，2022(8):224-229.10陈小伟,刘珂，赖旭,等，压力脉动对尾水管进口空化腔影响的CFD模拟分析J.中国农村水利水电,2 0 2 3(4)：1-13.11刘德民，邓祥平,赵永智，等.大型混流式模型机组动应力及压力脉动测试研究.机械工程学报，2 0 1 9,5 5(1 9)：9-18.6080100120140图6 1 号机组运行区域划分160180200220240260(Vol.46 No.11)QIAN Xiang,HE Yawen,ZHANG Baoqing,LI Youcai,WU Zhisong,ZHOU Hai-lin,HUANG Junwei,LIU Gui-ying2.School of Electrical and Information Engineering of Changsha University of Science&Technology,Changsha 410114,China)Abstract:The pin pulling system is essential for disassembling the coupling in maintenance of the shaft coupling fora large hydraulic turbine,and its strength and service life affect the safety during its service.This paper proposes a newmethod of predicting the system strength and life based on the finite element analysis.Firstly,a finite element model ofthe system is established based on the finite element analysis.Next,a strength and life prediction model of the system isestablished based on the stress and strain distribution characteristics of each finite element and in combination with theSWT model.In the finite element model of the system,the nonlinear prediction problem is simplified and transformed into alinear prediction problem to improve the solving speed of the strength and life prediction model based on the finite elementmodel.Finally,it is verified through computer simulation that the prediction model proposed in this paper can realize fastand high-precision strength and life prediction of the pin pulling system for the large hydraulic turbine.Keywords:pin;pin pull;shaft coupling;finite element;strength;predictionWANG Xiao-lan,HU Si-yu,GUAN Yu-yao,LIU Yang-cheng,WEI Zong-kai(Datang Hydropower Science&Technology Research Institute Co.,Ltd,Nanning 530007,China)Abstract:The safe and stable operation of hydraulic turbine-generator units is very important for hydropower stations.For multiple factors,such as mechanical,hydraulic and electromagnetic factors and aging of mechanical components,mostfaults of these units are manifested in the form of runout which can thus directly characterize the operating state of units.Inthis paper,a runout analysis method based on multi-model fusion is studied.The model integrates three machine learningalgorithms:SVR,LightGBM and XGBoost through the least square method,and the R2 coefficient of determination is usedto evaluate the model.Experiments show that the fusion model can stably predict the runout value and get a R2 score above0.98,more than 0.3 higher than that of a single model.This validates the effectiveness of the model.Keywords:hydraulic turbine;runout analysis;fusion model;machine learning(1.Guangzhou Branch of Guangdong Yunshun Integrated Energy Technology Co.,Ltd.,Guangzhou 510540,China;Abstract:The stability test is carried out for Unit 1 of a power station under four typical heads to test the vibration,swingand water pressure pulsation of the unit under no load and different loads.The causes of unit vibration are analyzed fromhydraulic,mechanical and electrical factors respectively.Based on the operation stability of the unit,the operating zone isdivided into vibration zone under low load,working condition zone under vortex strip and stable operating zone under highload.This provides accurate basis for safe operation,technical transformation and scientific dispatching of the unit.Keywords:Francis turbine generator unit;stability;vibration;operating zoneXIN Jian-zhong,MA Dai-bin(Dongfeng Electric Machinery Co.,Ltd.,Deyang 618000,China)Abstract:This paper elaborates the key points and difficulties about adjustment,fixing,welding and quality control of thenew stator elastic element during its installation by taking the installation and quality control of a new type of stator elasticelement for a 350MW pumped storage unit in China as an example and analyzing the basic principles of the element.Incombination with the magnetization test of stator core and the measured data of unit operation after the installation,thefeasibility and effectiveness of the installation process of the element are further verified.This provides a reference for theinstallation of elastic elements in similar units.Keywords:pumped storage power station;generator motor;stator;new elastic elementMechanical&Electrical Technique of Hydropower StationFEA-based pin pull strength and life prediction of shaft coupling for large hydraulic turbine(1.Hunan Wuling Power Corporation Co.,Ltd.;Changsha 410114,China;Multi-model fusion-basedrunout rationalityanalysis and prediction of hydraulic turbineStability analysis andoperating zone division of Francis turbine generator unit2.Southern Power Grid Technology Co.,Ltd.,Guangzhou 510080,China)Installation of new stator elastic element for generator motor in pumped storage power station131ABSTRACTSCAO Bin,YAO Ze,LI Xi?