水轮发电机组运行稳定性研究现状分析
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【摘要】水电是清洁可再生能源，具有运行费用低、电能质量稳定、机组启停灵活、调峰调频能力强等优点。水轮发电机组是水电厂的关键设备，其运行稳定性状况不仅关系到电厂的经济效益，同时也影响电网的安全稳定运行。机组的运行稳定性是机组整体机械、水力和电气性能的集中体现，对机组的长期安全稳定运行的重要性不言而喻。
【关键词】水电厂水力机组电网稳定性振动
引言
水能资源的开发利用对于我国节能减排、优化能源结构、实现2020年非化石能源占一次能源消费比重达到15%的目标有着重要的意义。“十二五”期间，我国水电建设经历了大发展，金沙江、澜沧江、大渡河、雅砻江等流域开发加快，一个个大型甚至巨型水电厂相继投入生产运行。水轮发电机组的容量和尺寸越来越大、结构越来越复杂，实际遇到的问题也越来越新颖，同时对机组运行稳定性的要求也越来越高[1]。
1研究的背景和意义
国家标准和行业规程对于表征水力机组稳定运行的主要参数都给出了明确具体的要求和运行允许范围，各水电厂通常依据标准，对机组各部位的振动摆度等进行评估，判断是否满足标准要求，同时分析机组是否存在异常和潜在缺陷。机组稳定性参数的大小和变化规律反映了机组的健康状况水平，是确定机组检修周期、检修级别和检修项目的重要依据。此外，对于大中型水电厂使用最为普遍的混流式水轮发电机组来说，几乎必然的存在着禁止或限制运行的振动区域，而判断机组振动区域范围和边界的主要依据就是机组振动、摆度、压力脉动等稳定性特征参数。机组的振动区域是机组负荷分配的重要约束条件之一，避开振动区域运行是水电机组运行的基本要求。因此，各发电企业对于机组运行稳定性状况非常重视。机组稳定性问题既是设计和制造厂家的重要课题，也是运行维护单位极为关注的问题，研究机组运行稳定性有重要的现实意义。
2国内外研究的现状
机组运行稳定性问题十分复杂，涉及到水力、机械、电磁等多方面因素，是典型的多物理场耦合问题，难以建立起准确完整的数学模型。国外对水力发电机组振动问题研究起步较早，自二十世纪六、七十年代开始，日本和美国的工程技术人员就掀起了对机组稳定性问题研究的热潮，已研发出一批比较成熟的机组在线监测系统并投入实际应用。如日本日立公司研制的“水力发电设备状态监测系统”，日本东京电力公司和东芝公司共同研究开发的“抽水蓄能发电机组自动监视系统”，美国本特利内华达公司的HydroVU系统，加拿大VibrosystM公司的AGMS系统和ZO0M2000系统，德国申克公司的vibrocontrol4000系统以及瑞士VIBRO - METER公司的VM600系统和德国Simens公司的SCARD系统等。
国内外相关科研工作者和工程技術人员对于机组稳定性问题进行了深入的研究，相关文献资料相当丰富。从已公开发表的技术论文来看，研究过程充分利用了理论分析、数值模拟、模型试验及真机试验等多种手段，从各个角度和方面进行了卓有成效的探索。
机械方面，文献[2]建立了葛洲坝电厂水轮发电机主轴有限元模型，研究了水力机组主轴在多种激励载荷组合下的动力特性变化规律，得到了主轴的自振频率和动力响应规律。文献[3]以万家寨电厂水轮机组为例，应用转子动力学计算软件对机组轴系的临界转速进行分析计算，并且预估了机组在不同工况水力激振力作用下的上导、水导、转子中心和转轮中心的摆度响应情况。文献[4]应用有限元数值模拟软件ANSYS建立了三峡电站水轮机组的上机架和转轮顶盖的有限元分析模型，对上机架与顶盖进行静力分析检验其刚度与强度，同时对上机架与顶盖进行模态分析得到其自振频率与振型。工程实践案例中，大朝山电站[5]对运行过程中转轮叶片裂纹比较突出的5号机组从设计选型、铸造和焊接缺陷、卡门涡列、尾水管压力脉动及机组运行工况等方面进行了综合分析，找到了裂纹产生的原因，通过对转轮叶片进行了修复处理，并优化了机组的运行策略，改善机组运行稳定状况，取得了明显效果。
水力方面，水流流过导叶和转轮叶片时产生的卡门涡列可能诱发机组严重振动和噪声。文献[6]对大朝山电站1号机组转轮裂纹原因进行了分析，找到了卡门涡列频率与转轮叶片固有频率共振是转轮产生裂纹及金属异常声音的根本原因，通过转轮叶片修型，改变出水边厚度提高卡门涡列的频率，解决了共振的问题。混流式水轮机尾水管压力脉动是造成机组运行不稳定的重要原因，文献[7]研究了模型水轮机压力脉动的时域和频域特征以及原型与模型间的相似关系，利用动力时程分析法计算了水工结构在水力激励下的振动反应，并分析探讨了压力脉动的分布特性。尾水管压力脉动过大会引发机组的振摆扩大，通常采用补气的方式进行治理。乌江渡水电厂通过增加大轴中心补气和修复短管补气，较好的消除尾水管压力异常脉动，确保了机组的安全运行。Paik等采用非定常湍流统计模型对水轮机尾水管进行旋涡流动的数值模拟。广西电力工业勘测设计研究院利用CFD数值模拟技术对一混流式水轮机尾水管流态和压力脉动进行了仿真，且仿真结果与真机实测结果比较相接近，认为数值模拟方法可以预测尾水管压力脉动频率和幅值，可成为在模型设计阶段研究真机水力稳定性问题的重要手段。
电磁方面，关于发电机不平衡磁拉力及其动力学特性，国内有许多学者对此进行了研究，并取得一些重要的成果。哈尔滨大电机研究所曲风波等[7]提出了可供发电机设计和振动分析使用的磁拉力近似计算公式，该公式使用简便，与有限元计算结果基本相吻合，得到了较广泛的应用。文献建立了考虑电机磁极对数分布的不平衡磁拉力及水轮机转轮线性密封力的水轮发电机组轴系动力学模型，推导出了运动微分方程，并研究了励磁电流及质量偏心对转子转轮横向振动的影响。文献提出了一种工程中实用的不平衡磁拉力分析计算方法，即利用发电机空载试验得到其空载特性曲线，通过磁路计算及多项式拟合来获取气隙磁密、气隙厚度及励磁电流的关系方程，得到不平衡磁拉力。 而在水轮发电机组试验研究方面，黄河干流上的万家寨水电站，经过多年来对机组运行情况的观察，以及通过对机组在不同负荷下的耗水率和机组稳定特性进行试验研究总结，确定了机组在不同工况下的运行振动区域，并用于指导机组的安全运行。文献对石泉水电厂2号机组稳定性展开了试验研究，从水力、机械和电气等多方面分析机组不稳定运行的原因，并提出了相应的处理措施。文献针对万安水电站3号机组大负荷工况下出现的振动情况，在不同水头下对机组进行了稳定性试验，在现场试验基础上，分析了机组在不同水头、不同负荷下尾水管锥管处的水压脉动状况及机组各机架振动和大轴摆度情况，认为机组存在水力不平衡并导致机组的摆度随负荷的增加而增大。三峡电站对右岸21号机组在启动试运行阶段进行了试验研究，掌握了该机组在小负荷区、涡带工况区、大负荷区和高负荷区的水压脉动及机组稳定性特点，同时发现在试验水头下630MW～ 685MW高负荷区，水导摆度和顶盖振动明显增加，且主要振动频率为转频的高负荷区异常振动现象。
3结论
水轮发电机组稳定性问题的核心是振动问题，机组在设计、制造、安装、调试、运行、检修等全过程任何一个环节出现问题都有可能导致机组异常振动的发生。机组的振动可能引起机组金属部件的破坏变形，缩短机组检修周期和设备使用寿命，严重时会导致厂房基础的共振，危害水工建筑物的安全。2009年8月7日发生的震惊世界的俄罗斯萨扬·舒申斯克水电站特大事故，就与机组顶盖振动有直接关系。该电站2号机组在水力不稳定性区域运行时，机组强烈的振动引起水轮机顶盖螺栓疲劳破坏，最终顶盖被高压水流冲开，导致水淹厂房、事故扩大、出现灾难性后果。参考文献：
[1]周万里.葛洲坝水电厂水轮发电机组主轴动力分析.武汉：华中科技大学，2009.
[2]王正偉等.大型水轮发电机组转子动力学特性分析.水力发电学报，2005，24（4）：62-66.
[3]杨怀刚.三峡水轮机组结构动力分析研究.武汉：华中科技大学，2004.
[4]赵光宇.大朝山5号水轮发电机组转轮叶片裂纹分析及处理.云南水力发电，2012，28（4）：107-127.
[5]尹述鸿.大朝山#1水轮机转轮裂纹原因分析及处理.水利水电技术，2002，33（12）：39-40.）
[6]陈婧等.水轮机压力脉动诱发厂房振动分析.水力发电，2004，30（5）：24-27.
[7]丁国兴.100MW机组尾水管压力异常脉动消除.西北水力发电，2002，18（2）：18-20.
[8]伍哓芳等.大型混流式水轮机尾水管振动数值模拟及应用.广西电力，2005，（5）：57-59.
基金项目：云南能源职业技术学院科学研究基金项目（2018YJS019）
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