万家寨水电站水轮机组运行区域稳定性分析

摘要：本文对万家寨电站1～6号水轮发电机组水轮机运行区域数据进行分析，阐述了万家寨水轮机水力系统的各运行区域对系统稳定性的影响。

关键词：水轮机 运行区域 运行稳定性

【分类号】TV136.2

万家寨水电站1～4号水轮机型号是HLFN235-LJ-61，5～6号水轮机型号是FRANCIS-LJ-5848。将2号机组和5号机组在低水头56.5m、额定水头68m和高水头78.5m三个水头下稳定性运行数据进行了分析。

1 2号机组稳定运行实测数据分析结果

（1）尾水管进人门处水压力脉动：在60米以上运行水头范围水压力脉动均有超过8m水柱的运行区；运行水头越高，水压力脉动越强烈，超标范围越宽。设计水头68 m运行时，水压力脉动超标的出力达80 MW，约为44%Nr。

（2）尾水管进人门1m处噪声：该处噪声的变化规律与尾水管压力脉动规律极其相似，水头越高，超过要求的区域越宽。

（3）水导摆度：规范要求水导摆度不应超过0.35 mm，2# 机组在整个运行范围内符合要求。但水导摆度的变化趋势与尾水管压力脉动、噪声，以及顶盖垂直振动所不同，且高水头工况摆度较低水头工况小。机械因素可能是引起摆度的主要原因。

（4）顶盖垂直振动：要求不超过0.05 mm，实测整个运行范围内顶盖垂直振动均超标。若以实测的0.3 mm作为界线，超过0.3 mm的左边区域（即小负荷区）基本上与尾水管压力脉动超标区一致。降低尾水管压力脉动可能是降低顶盖垂直振动的有效方法。

2 5号机组稳定运行实测数据分析结果

（1）水管进人门处压力脉动：40 MW左右出力的窄带范围内几乎整个运行水头范围压力脉动均超过合同规定的8m水头值；水头越高，该出力区域内压力脉动越强烈。设计水头68 m运行时，压力脉动超标的出力范围为22～54 MW。较之2# 机组，5# 机组脉动超标范围较窄，而且即使在高水头段，脉动超标范围也不是很宽，80m水头时超标范围为33～76 MW。

（2）尾水管进人门1m处噪声：合同要求尾水管进人门1m处噪声不得超过95 dB。该处噪声的变化规律与尾水管压力脉动规律极其相似，设计水头70 MW以下噪声都超过95 dB。水头越高，超过要求的区域越宽。

（3）水导摆度：规范要求，水导摆度不应超过0.35 mm。5# 机组在120 MW以下摆度超标。水导摆度在低水头下较大，与顶盖垂直振动以及尾水管压力脉动和噪声的规律不一致，但区域基本上也是低负荷区。可能引起摆度超标的主要原因很大程度上是机械因素。

（4）顶盖垂直振动：顶盖垂直振动的变化趋势基本上与尾水管压力脉动一致，可见尾水管压力脉动是引起顶盖垂直振动的主要原因。实测整个运行范围内顶盖垂直振动均超标（标准要求顶盖垂直振动不超过双幅值0.05 mm）。

3 实测数据分析结论

我们通过对机组实测数据的分析，发现5#机组运行稳定性优于2#机组，特别在高水头工况下，其稳定性能较好。但水导摆度偏大，而且低负荷区超过了标准要求。运行时暂按尾水管压力脉动8 mH2O作为禁止运行区域的边界，并根据实际高效运行要求合理延长至50 m水头段。以叶片进口边背面初生汽蚀线和叶道涡线作为过渡运行区域和稳定运行区域边界，对1#～6#机组的运行区域进行了划分。根据万家寨电站实际情况，引起机组振动的机械因素主要为转动部分不平衡质量分布，电气因素主要为磁拉力不平衡。机组由转动部分不平衡引起的振动和不平衡磁拉力已通过动平衡试验得到较好的解决。因此引起机组振动的最主要的振源为水轮机水力不稳定性。分析结果如下：

（1）从水轮机尾水管水压脉动综合分析可知，在各水头段，水压脉动分三个典型特征区：低负荷较高频率的强烈水压脉动区；中负荷涡带水压脉动区；大负荷稳定运行区。而低负荷较高频率的强烈水压脉动，为解决机组水力振动问题的关键。

（2）2号机低负荷高频水压脉动主频率为60～80Hz，低频水压脉动主频率为1～3Hz，初步认定为，叶道涡与卡们涡为主要因素；5号机低负荷高频水压脉动主频率为2.1Hz，初步认为，流道内部水体共振为主要因素。需要进一步通过理论计算和全面的水压脉动试验予以确认。

（3）3号机组启动试验结果表明，在启动过程中轴系没有出现共振，启动过程各参数变化规律正常，只是在由于加速机组启动过程导叶过调关闭时引起涡壳进口水压力突升15米，尾水管水压力降低7米；轴扭矩相应增大。应对调速器调节参数进行必要修正。

（4）从1到4号机抗磨涂层剥落形态看，水轮机转轮上冠处水流扰动剧烈，可能为强烈的叶道涡所为。4号机水轮机叶片在空气中1阶自振频率为31.19Hz，考虑水流对叶片的阻尼影响，叶片在水中的1阶自振频率大约为20Hz左右，可能与水轮机叶片数13，与转频1.6666Hz形成的不稳定水流21.67Hz，形成共振。叶片裂纹可能与此关系极大。