構皮灘發電廠600MW機組水輪機高負荷區運行穩定性研究及應用

丁元生 王貴來

（構皮灘發電廠，貴州 余慶 564408）

0 引言

混流式機組由于適用水頭范圍廣，制造技術較為成熟的特點在大型水電站中占據了主導地位。隨著技術的進步和經濟規模的日益擴大，混流式水輪機的尺寸和單機容量也越來越大，其結構也更加復雜。這也使得機組的剛度相對降低，隨之而來的就是水輪機的穩定性問題也日益突出。大型水輪機的穩定性問題，成為目前最受關注的問題，甚至在一定的程度上，比能量指標更受關注。

構皮灘水電站是烏江干流的第七級，電站裝機3000MW（5×600MW），保證出力746.4MW，多年平均發電量96.82億kW·h。機組單機額定容量600MW，是集團公司單機容量最大的水輪發電機組，也是我國首次自主研發的600MW混流式水輪機組。這樣的巨型機組，穩定問題尤其受到關注，但機組投運之后發現，1～5號機組由于在高負荷運行區域均存在異常振動，無法在最大設計出力下運行，給電站的安全生產和經濟運行帶來了巨大隱患和損失。水電機組在高負荷運行區的異常振動問題并不常見，而對于單機600MW這樣的巨型機組出現此問題更是國內外罕見的。為解決構皮灘電站機組高負荷區異常振動、出力不足問題，消除機組運行中的安全隱患，提高電站的經濟運行水平，同時，為科學分析機組異常振動產生機理，構皮灘與生產廠家技術人員經過反復論證、計算、模型試驗，歷經3年時間最終成功解決了這一國際復雜難題。

1 構皮灘600MW機組水輪機穩定性問題機理研究

1.1 水輪機組振動機理分析

按照引發振動的原因，水輪機的振動，一般可分為機械、電氣和水力三種。

機械振動主要包括：①轉動部分不平衡引起的振動；②機組轉動部件與固定部件碰摩引發振動；③機組剛性不足，導致某一部件或總體的某一階固有頻率與某一干擾力的頻率相近，從而產生較大幅度的振動；④機組軸線曲折；⑤其他機械故障。電磁振動的主要原因有：①周期性的不平衡磁拉力分量；②發電機定子繞組每極分數槽繞組形成的磁場特殊諧波成分引起的磁拉力；③定子線圈的電磁力。水力振動主要包括：①動靜干涉；②迷宮密封的軸承效應；③尾管渦帶；④卡門渦；⑤葉道渦；⑥其他不穩定旋渦。

1.2 水輪機組振動對策分析

解決水輪機組異常振動的主要技術措施有：①合理選擇水輪機水頭變化范圍；②合理選擇水輪機比轉速；③統籌調度避振運行；④對轉輪葉片出水邊進行修型；⑤消氣補振。

1.3 構皮灘600MW機組水輪機高負荷區振動問題診斷

2010年7月9日，對#5機水輪機頂蓋、活動導葉支臂的振動，以及風洞、水輪機室、尾水門和蝸殼門噪聲進行測試，對比振動與噪聲頻譜分析，確定機組確實存在異常聲音和頂蓋振動值超標問題。根據試驗數據，結合水輪機組振動機理分析專家數據庫信息，分析推斷構皮灘水輪機組振動問題主要是由卡門渦、尾水壓力脈動造成。

2 構皮灘600MW機組水輪機穩定性問題處理方式分析

針對水輪機頂蓋振動超標、異常噪聲的問題，采用現場試驗診斷、水力優化設計、強度計算與模型試驗相結合的方法，對高負荷區水力振動進行全面分析、優化設計及處理，消除高負荷區水輪機頂蓋異常振動，提高機組效率及最大出力。構皮灘600MW機組水輪機穩定性問題具體處理過程如下。

2.1 構皮灘600MW機組水輪機高負荷區振動問題處理第一階段

經過專家數據庫機理分析，初步判斷構皮灘水輪機組振動問題主要是由卡門渦、尾水壓力脈動造成。針對上述構皮灘轉輪在運行期間出現了高負荷區域頂蓋垂直振動超標的問題，擬定對過流部件進行修型處理來解決。修型方案通過CFD計算來確定，分別針對每次修型前后的高負荷工況點進行CFD計算分析，從數值計算的角度論證修型的效果。根據#5機組振動和噪聲測試報告數據整理和分析，最終決定對#3機轉輪葉片出水邊靠近下環處（長約80mm）的葉片厚度進行了適當減薄處理，意在改變卡門渦的頻率，同時對修型前后的轉輪葉片固有頻率進行有限元分析計算。為論證修型效果，采用有豐富使用和分析經驗的TASCFlow軟件和CFX軟件對#3機修型前后高負荷工況點進行CFD計算分析。計算結果表明，此次修型對機組整體穩定性有一定的改善。

2011年2月27日～3月4日，在160m水頭左右分別對修型后的#3機組及未修型的#5和#2機組進行了對比試驗。從這次修型效果來看：蝸殼門、錐管門的噪聲功率隨負荷增加而增加，從480MW到500MW出現噪聲，此時水車室和錐管門響聲明顯不同。水車室的噪聲有大部從電機風洞傳來的空氣噪聲。與#5機組不同的是，水輪機的噪聲強度弱，主頻為90Hz。說明葉片修型不夠。固定導葉后出現的亂流，對活動導葉、頂蓋振動有影響，對噪聲也有較大影響。#3機組修型有效但還不夠完善，應擴大修型范圍。固定導葉后有亂流，也應修型，對進一步降低水輪機噪聲有益。

2.2 構皮灘600MW機組水輪機高負荷區振動問題處理第二階段

構皮灘水輪機主要存在兩個問題：一是，機組滿負荷附近的振動問題，分析認為主要是由于渦帶引起尾水管的自激振蕩造成的；二，是機組的噪聲問題，主要來自發電機，但固定導葉和葉片出水邊形成的噪聲也有一定作用。針對機組滿負荷附近振動問題，可通過改善該工況的渦帶特征以避開尾水管的自激振蕩。具體解決方案有兩種：一是，將水輪機泄水錐做加長處理，加長處為直柱形，以改善該工況的渦帶特征以避開尾水管的自激振蕩；二是，強迫補氣，可以減少壓力脈動頻率和脈動幅值。針對機組的噪聲問題，可對轉輪葉片出水邊和固定導葉出水邊進行修形，以消除運行中可能出現的亂流問題。2011年3月經專題會議決定對#1機組進行轉輪葉片出水邊和固定導葉出水邊修型處理，以消除運行中可能出現的亂流問題，并對#1機水輪機泄水錘做加長處理，以解決機組滿負荷時由于渦帶特征引起尾水管的自激振蕩問題。

采用TASCFlow軟件和CFX軟件對#5機修型前后高負荷工況點進行CFD計算分析，計算結果顯示對出水邊進行修型有利于改善水輪機穩定性。隨后對#1機組水輪機進行振動和噪聲測試，測試結果表明固定導葉和轉輪葉片出水邊的修型處理對改善機組的水平振動和部分負荷的穩定性效果明顯，但在大負荷運行時，尾水渦帶的噪聲有加大現象，垂直振動還略有增加，因此對泄水錘的加長處理未達到降低水輪機頂蓋垂直振動的目的。

2.3 構皮灘600MW機組水輪機高負荷區振動問題處理第三階段

針對第二階段對#1機組泄水錐做加長處理后未達到降低水輪機頂蓋垂直振動的目的，結合#5機組現場試驗結果，決定對#5機繼續實施修型，而不再做泄水錘加長處理。2012年3月#5機轉輪修型專題討論會確定對#5機轉輪修型處理技術為：1）對葉片出水邊進行修型，范圍是從出水邊的中部至下環處；2）葉片出水邊切割40毫米，出水邊形狀由壓力面平直吸力面弧面改為吸力面平直壓力面弧面。修型可改變葉片出流角從而改變出口環量，改善大負荷尾水管壓力脈動，局部增加葉片開度，少量增加流量和功率，同時改善出水邊局部空化性能，緩解噪聲問題，提高大流量大出力機組穩定性。3）對固定導葉出口修型按第二階段處理方案實施。

采用TASCFlow軟件和CFX軟件對#5機修型前后高負荷工況點進行CFD計算分析，計算結果顯示對出水邊進行修型有利于改善水輪機穩定性。隨后分別對修型后的#5機及#1、#4機進行振動和壓力脈動試驗，修型后的#5機組出力可達到試驗水頭下的保證值，且機頂蓋振動值雖有明顯變大趨勢，但基本不超標，說明葉片修型效果明顯，修型有利于提高機組穩定性。但是從噪聲測試結果來看，#5機組修型前后，噪聲頻率沒有發生改變，且#5機組振動噪聲變化不大，說明這種頻率的振動應該與卡門渦無關，這為進一步解決構皮灘電站高負荷運行機組振動問題提供有利的指導作用。

2.4 構皮灘600MW機組水輪機高負荷區振動問題處理第四階段

從#5機組修型后現場測試結果來看，對轉輪葉片的出口修型雖未改變噪聲的主頻，但在同樣開度下，#5機組比其它機組出力約高出15MW，而且在160m凈水頭滿負荷條件下，#5機頂蓋振動值基本不超標。因此，可以對#5機轉輪葉片出水邊加大修型范圍。對#5機處理技術為：1）在第二階段轉輪葉片修型基礎上對葉片出水邊中部至上冠處修型；2）對活動導葉出口修型。

為論證修型效果，對轉輪葉片進行修型前后模型試驗分析，對活動導葉進行修型前后有限元計算分析和CFD計算分析。結果表明此次修型對機組整體穩定性有一定的改善；修型后#5機活動導葉強度滿足規定的許用應力要求，修型對其剛強度影響很??；活動導葉具有良好的動態特性。#5機組水輪機轉輪葉片全部出水邊修型后，水輪機壓力脈動在高負荷區上升劇烈的趨勢有巨大改善，而活動導葉修型對90Hz噪聲的消除影響有限，在測試水頭下（毛水頭175.5m左右）560～590MW仍存在該頻率噪聲，從頂蓋振動和活動導葉振動趨勢來看，在該負荷段振動仍有抬升趨勢，但噪聲相比前幾次測試有減小趨勢。

2.5 構皮灘600MW機組水輪機高負荷區振動問題處理第五階段

對構皮灘電站#1水輪機轉輪葉片出水邊靠近上冠位置處進行修型處理（修型厚度為40mm），同時將泄水錐柱狀延長段進行了割除，恢復成原泄水錐。對修型前后CFD計算結果分析，從TKE值的比較圖中可知，修型后的TKE值無論在葉片的哪一部分都小于修型前，這說明葉片的湍流動能變得更加平穩，也就是說穩定性明顯變好。另一方面，通過速度渦流強度圖可以看出出水邊靠近上冠一側的速度渦流強度比下環一側要強，可以通過切割出水邊上半部來降低渦流強度，提高水輪機的穩定性，降低壓力脈動。

2013年1～4月，對構皮灘電站修型后的#1、#2和#3機組進行了變負荷試驗，全面考察了機組的穩定性能。從測試來看：

①修型后機組水輪機穩定性得以大幅改善，#1機修型前頂蓋垂直振動在超過500MW后有明顯抬升趨勢，在555MW最大負荷下達到最大為115um，修型后雖仍有抬升，但已明顯放緩，580MW最大負荷下頂蓋垂直振動為52um。#2機修型后的頂蓋垂直振動雖有抬升，但已明顯放緩，最大負荷下（560MW）頂蓋垂直振動為58um。#3機修型后的頂蓋垂直振動增大趨勢明顯放緩，最大振動值小于60um，滿足穩定運行標準。對機組轉輪葉片的修型達到消除大負荷下頂蓋垂直振動超標現象。

②從出力來看，構皮灘電站機組葉片修型前后水頭有一定差距，修型后機組的最大穩定出力超出保證出力，且各部位振擺測值均為規定值。#1機組超出保證出力40MW，#2機組超出保證出力30MW，#3機組超出保證出力27MW。從此角度來看，修型后使得機組的實際運行范圍適當的增大，超過了機組修型前的安全穩定運行所能達到最大出力，使機組最大出力得到提升。

③在試驗過程中從480MW到510MW活動導葉和頂蓋振動出現83Hz頻率，但該頻率僅在負荷逐漸降低的回程出現，負荷逐漸升高的升程未發現，在此區間主頻非單一主頻成分，與修型前480MW～520MW噪聲、振動均出現84Hz主頻這一現象略有差異，從水車室噪聲測試來看，修型后噪聲幅值得到大幅降低。

④修型后機組在高負荷區運行穩定性已經大幅改善，頂蓋等測點位置測得壓力脈動值在高負荷區已無明顯隨機組出力增加而上升劇烈的趨勢，且各測點壓力脈動值在高負荷區均無超標現象。

⑤現場試驗數據表明，對構皮灘電站水輪機轉輪葉片全部出水邊修型措施已徹底解決了構皮灘電站水輪機高負荷區穩定運行問題。

3 水輪機穩定性問題診斷與處理體系構建

根據構皮灘發電廠600MW機組水輪機高負荷區運行穩定性問題的成功解決過程，構建原理分析、數值模擬、模型試驗、原型試驗多位一體的水輪機組穩定性問題解決體系，其具體過程為：

3.1 發現異常振動問題。

3.2 對振動問題進行分析，主要采用現場試驗分析和振動機理分析兩種方法。

3.3 根據振動問題分析結果對水輪機組進行處理。

3.4 水力優化設計結合模型試驗，將模型試驗結果同現場試驗結果比對，建立模型與原型水輪機故障的相似規律，采用水力優化設計與模型試驗相結合的方法指導原型水輪機修型，直至確定能夠徹底消除機組異常振動的最終方案。

4 結論

構皮灘發電廠600MW機組水輪機高負荷區運行穩定性問題的成功解決，具有以下三方面的推廣價值。

4.1 為巨型機組振動問題的解決提供了具有實踐意義的方法

隨著技術的進步和經濟規模的日益擴大，混流式水輪機的尺寸和單機容量也越來越大，此類巨型機組的穩定性問題研究亦越來越具有其必要性。構皮灘單機容量達到600MW，屬于大、巨型機組，它的穩定性問題的研究及應用為此類問題的解決提供了重要的參考價值和借鑒意義。

4.2 為水電機組高負荷區異常振動問題的研究提供了新的模式

在以往的水輪機穩定性問題研究實例中，水電機組運行中的振動問題多出現于特定的負荷區域，而像構皮灘機組這種高負荷區異常振動問題比較少見，也缺乏相應的研究。本項目的研究成果為水電機組高負荷區異常振動問題的研究提供了新的模式。

4.3 構建了水輪機組穩定性問題診斷與處理體系，對相似問題的解決具有重要的借鑒意義

本研究在以往的水電機組異常振動問題研究的“理論分析、原型試驗”的模式下，構建了原理分析、數值模擬、模型試驗、原型試驗多位一體的水輪機組穩定性問題解決體系，為消除機組異常振動提供系統化方法，并且對相似問題的解決具有重要的借鑒意義。