摘要：影响水轮发电机组运行稳定性的因素众多，水力特性即是影响机组运行稳定性的重要因素之一。通过对大华桥电站水轮发电机组振动异常事件发生经过的简要介绍，以及对其原因的分析研究，指出水轮机水力特性导致振动异常的可能原因及应对建议。
关键词：水轮机；振动；压力脉动
1 引言
水轮发电机组是水电站生产电能的核心设备，其中水轮机为原动机，水轮发电机为工作机。水轮机将水能转换为机械能，通过主轴将能量传递给发电机，发电机将机械能转换为电能，通过电网源源不断地将电能输送到千家万户。水轮发电机组运行稳定性受水力、机械及电磁等多种因素的影响，运行工况复杂，只有通过研究分析，弄清楚其机理，方能有的放矢，确保机组的长周期安全稳定运行。本文通过大华桥水电站机组振动异常情况的研究分析，指出振动异常发生的原因，并提出机组运行方式的优化建议。
2 电站概况
大华桥电站主要由碾压混凝土重力坝、坝身溢流表孔、左岸泄洪排沙底孔、岸塔式进水口、左岸地下引水发电系统等组成。电站装机容量920MW，布置4台立式混流式水轮发电机组，运行水头范围为51.5～75.0m，其水库具有日调节能力。电站引水发电系统布置于左岸山体内，引水系统采用“一管一机”布置形式，尾水系统采用“二机一井一洞”布置形式，每台机组进水口设置快速门，尾水出口设置检修门。
3 机组振动异常情况
3.1机组振动异常前运行方式
12日11时，电站坝前库水位1474.94m，坝后尾水位1411.16m，电站#1～#3机组带额定负荷运行（#4机组尚未投产），各水轮发电机组运行平稳，振动、摆度及压力脉动等监测指标正常。
3.2 机组振动异常具体情况
约11时30分左右，机组在线监测系统报警，#3机组上机架、下机架和顶盖垂直振动值突然增加，水平振动值和各导轴承摆度值基本保持稳定。其中部分指标已超过国标限值，具体情况为：水轮机顶盖垂直振动最大值104.6μm，国标要求≤90μm；发电机下机架垂直振动最大值122.2μm，国标要求≤70μm。与此同时，水轮机流道内各部位的压力脉动监测值亦突然增高。未对机组采取人为干预措施，振动指标异常情况持续约20小时后，恢复正常水平。
在#3机组振动和流道压力脉动监测指标异常的这个时段内，#1和#2机组各在线监测指标正常，运行状态稳定，相关在线监测指标未见异常波动。
4 机组振动异常原因分析
#3机组振动发生异常前后，机组无人工操作，机组设定负荷均为额定负荷。通过查阅机组在线监测系统监测数据记录曲线，机组振动异常发生前，水轮机导叶由调速系统自动调节，由89.8%开度调整至92.5%。3#机组振动与流道内压力脉动监测值同时异常增大，据此基本可以判定，机组振动异常由水力原因引起。根据理论分析及运维经验，造成#3机组振动异常的原因有以下几种可能。
图1 #3机组运行毛水头与导叶开度变化趋势
4.1 水轮机流道有异物进入，导致流态劣化
有异物进入水轮机流道，导致流态劣化，水轮机效率降低，为保持出力变大，导叶向开启方向动作。同时，流道内压力脉动增大，造成机组振动增大。通过查阅#1和#2机组运行工况记录曲线，发现#3机组导叶开度增加的同时，#1和#2机组导叶开度也在增加，由此基本可以排除异物进入流道的可能，因为3台机组流道同时有异物进入的概率极低，导叶开度同时增大应是由电站运行水头降低引起的，经查阅水情信息，也验证了这个推测，详见图1。
4.2 水轮机超出力运行，机组运行在保证范围之外
由图1可知，#3机组振动异常期间，水轮机运行毛水头在63～64m之间，若按2.5m水头损失估算，则水轮机运行净水头在60.5～61.5m左右。大华桥电站水轮机的额定水头为62.5m，理论上额定水头是水轮机能够发出额定出力的最低水头，而此时3号机组所带负荷为额定负荷，则意味着此时水轮机的运行工况超出了保证运行范围。通过查阅大华桥水轮机转轮模型试验资料，如图2所示，可以看出在60.5～61.5m水头段，水轮机若发到额定出力，其尾水锥管进口处的压力脉动呈急剧上升趋势，转轮前后压力脉动测点的变化趋势与此类似，此时水轮机流道内流态紊乱，导致机组振动幅值超标。
图2 大华桥转轮模型试验结果-锥管进口压力脉动
4.3 水轮机水力设计原因，存在高部分负荷压力脉动
由于水轮机水力设计存在瑕疵，水轮机运行时出现高部分负荷压力脉动，导致机组振动幅值超标。高部分负荷压力脉动指水轮机的开度在接近最优工况时，尾水管涡带的压力脉动已大幅度减小，突然产生的一个新的压力脉动陡峰，与常见部分负荷压力脉动不同，其涡带反向旋转，涡核直径较大，使压力脉动频率与振幅增加，其一般出现在75～95%额定流量范围内。高部分负荷压力脉动只在一定的工况和特定的空化系数下才会出现，范围很小，但对机组危害较大，应避免在此工况运行。#3机组振动幅值超标时段，其引用流量约为额定流量98%左右，考虑到流量测量的误差，仍存在出现高部分负荷压力脉动的可能性。
5 机组振动异常应对建议
由上文可知，引起#3机组振动幅值异常的可能原因有水轮机超出力运行和存在高部分负荷压力脉动两种可能性。根据这两种振动幅值异常情况的特性，在具备条件的情况下，通过调整机组运行工况，试验找出振动幅值异常工况出现的规律，进而确定引起机组运行工况劣化的真正原因，采取相应应对措施。
若是由高部分负荷压力脉动引起的机组振幅超标，因其出现的范围较小，一般小幅度的负荷变化，机组振幅超标的情况就会立即消失。若机组振幅超标工况出现的规律符合这个特点，则通过运行工况的小范围调整，即可避开运行不稳定工况。
若是由水轮机超出力引起的机组振幅超标，随着机组负荷的减小，机组振幅指标慢慢降低，逐渐趋于稳定，一般水轮机运行工况进入保证运行范围内，其工况即恢复正常。水轮机长时间在设计保证范围之外运行，存在较大的安全风险，应尽量避免。不过，近期大华桥电站一直保持较高尾水位运行，水轮机吸出高度安全余量较大，对水轮机超出力时的流态劣化有一定的抑制作用，对机组超出力有利。
#1、#2水轮机发电组的运行工况与#3机组相近，但其运行工况并无异常，可能的原因有：①水轮机制造、加工和安装过程造成的差异，导致其水力特性有所区别；②引水发电系统运行方式差异，导致#3水轮机运行水头与#1、#2水轮机存在差异，1号尾水隧洞两台机组满负荷运行，2号尾水隧洞仅有一台机组满负荷运行。
6 总结
本文通过对大华桥#3水轮发电机组振动异常变化原因的研究，可以发现可能影响水轮机运行水力稳定性的因素较多，而水轮发电机组的运行稳定性还受到机械和电磁因素的影响。因此，要以足够理论知识为基础，加上较丰富的运行维护经验，才能准确判断机组运行工况异常的原因，并采取确当的应对措施。以上为对大华桥#3水轮发电机组振动异常发生机理的一点认识，不当之处恳请批评指正。
参考文献
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[4]秦亮，王正伟．水电站机组的类转频强水压脉动J]．清华大学学报（自然科学版），2008，48(2)：215-218．
作者简介
王宏兵（1982年2月），男，江苏姜堰，硕士研究生，高级工程师，水电站机电管理 邮箱：springhust@126.com，电话：137087000
16。
于青坤（1981年10月），男，辽宁大连，硕士研究生，工程师，水电站机电管理 邮箱：271257805@qq.com 电话：18725098118。
论文作者:王宏兵,于青坤,官鹏
论文发表刊物:《电力设备》2018年第24期
论文发表时间:2019/1/8
标签：机组论文; 水轮机论文; 工况论文; 异常论文; 压力论文; 大华论文; 水轮论文; 《电力设备》2018年第24期论文;