基于振动特性试验的水电机组稳定性分析与评估



基于振动特性试验的水电机组稳定性分析与评估

傅 康1,贾 嵘1,董开松2

(1.西安理工大学,西安 710048；2.甘肃省电力科学研究院，兰州 7300502)

摘 要：水轮发电机组作为电力系统中的重要调频电源，其安全可靠关乎整个系统的安全运行。文章以达拉河口水电站为例，通过振动特性试验分析研究了机组在不同工况下的振动摆度值。试验结果显示，该电站机组整体稳定性良好，能满足长期稳定运行要求。

关键词：水电机组；振动；稳定性；状态监测

0 前 言

水电作为电力系统中第二大常规电源，在系统中通常充当调压、调频机组，其安全稳定性关乎整个系统的可靠运行。大量运行资料显示，水电机组的大部分故障均能在其振动信号中有所反映；由水力不平衡和电力不平衡引起的机组异常振动也是导致机组不稳定的重要原因[1-3]。因此，开展水电机组稳定性监测与分析研究具有重要的实际意义[4]。

振动现象是每个旋转机械都必须面对的难题，水轮发电机组也不可避免[5-6]。水轮发电机组结构复杂，在日常运行中受电磁、机械、水力等诸多因素影响，导致其振动产生机理复杂，表现形式多样[7-8]。水轮发电机组的异常振动现象给机组稳定带来很大影响，其不仅会损害机组自身结构，甚至会导致电力系统不稳定。例如，2009年8月17日，俄罗斯萨彦-舒申斯克水电站发生了世界水电史上罕见的重大事故，造成75人死亡、13人受伤，电站10台机组全部损坏或损毁，部分厂房结构被摧毁等重大损失。事后经调查，其原因有多方面因素，其中有一条明确指出由于“机组运行中水轮机轴承振动幅值严重超标”而未按规定“卸荷并停机”，导致涡轮机组螺桩脱落，最终酿成惨剧。事故现场的一些情况如图1所示[9]。

图1 俄罗斯萨彦-舒申斯克水电站事故现场图片图

本文以达拉河口水电站为例，通过机组的振动信号对机组的稳定性进行分析研究。

1 电站概况

达拉河口水电站位于甘肃省迭部县东南30 km处，规模为Ⅲ等中型工程，坝高为65 m，总库容1 740.0万m3，电站安装3台17.5 MW的水轮发电机组，总装机52.5 MW，多年平均发电量2.73亿kWh，工程总投资4.4亿元。该电站是目前甘南州最大的水电站。机组主要参数如下：

发电机

型式及型号 SF17.5-10/3300

额定容量 20 588 kVA

额定电压 10.5 kV

额定电流 1 132.1 A

额定转速 600 r/min

水轮机型号 HL(F613)-LJ-155

最大/额定水头 211.1/1 900/173.8 m

额定功率 17.5 MW

额定流量 10.38 m3/s

额定转速 600 r/min

飞逸转速 1 170 r/min

2 测点布置

试验系统采用EN600水轮发电机组测试仪，使用的传感器有3300和7200型电涡流位移传感器、低频振动传感器、3277型压力传感器等。试验在下导、水导+x/-y方向各设置1个涡流传感器测量大轴摆度，测量摆度相位的涡流传感器设置在水导-y方向，上机架+y方向设置垂直和水平振动测点，下机架+y方向设置水平振动测点，顶盖(水导油盆盖)-y方向设置垂直和水平振动测点。

3 试验分析

3.1 变转速试验

机组在不加励磁的状态下，调整机组转速分别稳定在300、400、500和600 r/min，测量机组各部位振动和摆度值，分析机组的质量平衡状态。机组振动与机组转速平方的关系见图2。

图2 机组振动与转速平方的关系图

从图2可以看出，机组各部位的摆度以及上、下机架的振动均随机组转速的增大而增大，其中摆度转频分量的增大与转速平方基本成线性关系，这说明机组轴系存在有不平衡力。从各部位摆度与振动数值来看，下导摆度最大，上机架水平振动随转速增加也有明显的增加，这主要是由于机组转子存在动不平衡力造成的。因此应该考虑在机组转子上进行配重以减小不平衡力给机组造成的影响。

3.2 变励磁试验

机组在额定转速条件下，调节发电机励磁电流，使发电机端电压分别稳定在(25%、50%、75%、100%)Ue(额定端电压)，测量机组各部位振动和摆度值。主要分析质量力和电磁力的综合作用下机组的动平衡状态。变励磁试验的试验结果见图3。

从图3可以看出，机组振动和摆度随发电机出口电压的升高略有升高，但其升高的幅度不明显，说明不平衡的电磁力很小，对机组的影响不明显。

图3 机组振动与发电机出口电压百分数的关系图

3.3 变负荷试验

在机组并网的条件下，调整机组功率分别稳定在0、2、4、5、7、9、11、13、15、17、17.5、19.19(最大)MW，测量机组各部位振动、摆度值和水压脉动值。分析机组在不同电磁力及水动力的作用下机组运行的稳定性特性。压力脉动通频幅值与负荷的关系见图4，机组振动摆度通频幅值与负荷的关系见图5。

图4 压力脉动通频幅值与机组负荷的关系图

图5 机组振动摆度幅值与负荷的关系图

从图4、5可以看出，机组稳定性与负荷的关系不大，从压力脉动的变化来看机组的振区不明显，在整个负荷区域内，机组的稳定性没有明显变化。说明水力因素对机组稳定性的影响不大，这对机组的调度非常有利。

4 结 语

通过上述试验结果表明：

(1) 达拉河口水电站机组存在明显的机械不平衡，建议电站检修期间对机组进行重新配重；

(2) 该电站电磁力和水力因素对机组稳定性的影响不明显，机组振区不明显。综合来看，该电站对机组进行重新配重后，能够满足长期稳定运行的条件。

参考文献：

[1] 万元,谭振国.基于振动特性试验的大型混流式机组稳定性分析与评估[J].水利水电技术,2014,45(12):15-19.

[2] 肖孝锋,郑莉媛,冯正翔，等.二滩水电站机组运行稳定性研究[J].水力发电,2006,32(03):76-78.

[3] 李耀军,常洪军.小山电站混流式水电机组运行稳定性分析[J].东北电力技术,2011,32(12):17-19.

[4] 麻志成.水电机组运行稳定性试验数据分析方法研究及应用[D].武汉：华中科技大学,2011.

[5] 赵婷.基于小波分析的机械振动故障分析[D].沈阳：沈阳工业大学,2008.

[6] 周洋.小波分析在旋转机械振动信号监测和故障诊断中的应用研究[D].上海：同济大学,2007.

[7] 张进.基于时间-小波能量谱及交叉小波变换的振动信号分析[D].北京：清华大学,2010:1-10.

[8] 彭兵. 基于改进支持向量机和特征信息融合的水电机组故障诊断[D].武汉：华中科技大学,2008:1-10.

[9] 俄罗斯最大水电站发生事故7人死亡(组图)[EB/OL].(2009-08-17)[2016-10-19].http：//news.sina.com.cn/w/p/2009-08-17/150418452253.shtml.

[10] 李永德,李红伟,张炳成,杨洁,刘灏颖,张娇.融合粗糙集与神经网络的燃气轮发电机组振动故障诊断方法[J].系统保护与控制，2014(08):90-94.

Analysis and Assessment of Unit Stability Based on Vibration Characteristics Tests

FU Kang1, JIA Rong1, DONG Kaisong2

(1. Xi'an University of Technology, Xi'an 710048, China; 2. Gansu Electric Power Research Institute, Lanzhou 730502, China)

Abstract：As the important frequency change power supply, safe and liability of the unit is critical for the safety operation of the whole system. With the case of Dalahe Hydropower Station, the vibration throw values are analyzed and studied under the different operating conditions based on the vibration characteristics tests. The test results show that the integral stability of the unit is perfect and can satisfies requirement of the long-term and stable operation. Key words: unit; vibration; stability; status monitoring

文章编号：1006—2610(2016)05—0063—03

收稿日期：2016-05-11

作者简介：傅康(1989- )，男，陕西省商洛市人，硕士研究生，主要研究方向为水轮发电机组状态监测及故障诊断.

基金项目：国家自然基金项目(51279161)——《水轮发电机组振动与局放的监测与诊断》.

中图分类号：TV734.2

文献标识码：A

DOI：10.3969/j.issn.1006-2610.2016.05.015