杨剑锋

［云南电力试验研究院（集团）有限公司，云南 昆明 650000］

1 理论背景

本文基于华能澜沧江水电股份有限公司（简称澜沧江公司），自2010 年开展大型水轮机组震动区划分研究开始，依据2002 年制定的《在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动 第5 部分：水力发电厂和泵站机组》（GB/T 6075.5—2002）相关检测机组震动区划分的文件原则；2008 年又结合（GB/T 11348.5）文件制定的机组稳定性原则，进行相应的试验工作，2016 年依据《水力发电厂和蓄能泵站机组机械振动的评定》（GB/T 32584—2016）文件规定的发电机组划分振动区为检测依据原则，先后召开了大型水轮机组稳定性试验运行划分原则的讨论会，参与会议的主要单位及成员中云南试研究院介绍了相关机组振动区划分依据、原则的研究情况。通过观察云南省大型水轮机组检测试验划分的趋势，有效观察试验振动位移读数的区分原则，对比云南电力试验研究院（集团）有限公司相关水轮机组振动的峰值，以300r/min 为参数，对比瑞丽江一级电厂参照水轮机组振动的转速，以428.6r/min 为参数，设定稳定性试验划分原则。

2 问题的提出

一般情况下，水轮发电机组运行区域的划分一般是根据部分特征水头（如最大水头、工作水头、最小水头等）的稳定性试验和典型负荷条件进行的。由于试验数据有限，划分的运行区域域难以覆盖所有作业水头和负载工况，划分结果比较粗糙。本文通过对小湾水电站满负荷水轮发电机组进行全负荷范围实机稳定性试验，获得大量稳定性试验数据，并利用稳定性试验数据分析方法，判断机组的稳定性指标是否满足标准规范和供货合同的要求。根据稳定性试验数据分析结果，结合电站实际运行情况，将机组划分为满负荷运行区。电站的实际运行证明，本文方法划分的运行区域能够满足电网调度运行的要求，并取得了满意的效果。

3 依据机组振动测量数值划分运行区域

根据机组的振动、摆度、压力脉动等测量数值，结合运转综合特性曲线来划分。水轮发电机组在不同运行工况表现的振摆状态有很大差别，主要振动激励源也不一样，根据《DLT 710—2018 水轮机运行规程》参照内容，把运行区域划分为①“禁止运行区（D 区，水轮机不应运行的工况区域）”；②“限制运行区（C 区，水轮机不宜长期运行的工况区域）”；③“稳定运行区（A/B 区，水轮机可长期安全、稳定运行的工况区域）”三类，甚至有“过渡运行区”“稳态运行区”“暂态运行区”等。

3.1 轴承摆度

此时机组导叶开度较小，偏离最优工况区较远，在水轮机流道中发生漩涡、脱流与空化等各种水力不稳定现象，也更为剧烈与复杂，该区域运行振动较大，大轴摆动、出力不稳定、效率较低。已有真机试验证明，机组小开度运行时，转轮上的动应力是较大的。对于小开度时压力脉动幅值超过或远大于尾水管涡带区的压力脉动最大值的，应禁止运行，对于小开度区压力脉动比尾水管涡带区的压力脉动最大值要小或者相当的，至少也应设置为限制运行区。

3.2 机架和顶盖振动的趋势

首先，结合运转综合特性曲线确定大量的原型机组稳定性试验数据表明，低频涡带压力脉动主要影响主轴摆度通频值，而对轴承、机架的振动影响不大，其中根据下机架与Y 向水平与垂直的振动趋势。建议以不超过导轴承间隙为原则，在空载工况下，主轴相对振动（摆度）应不大于轴承冷态间隙的70%。因此对混流式水轮发电机组，可为涡带工况区的振动设定一个稍微宽松一点的标准并不影响机组的安全运行。

其次，不同的区域的强涡带工况区情况：机组在这一负荷区尾水管压力脉动较大，致使机组的摆动较剧烈，不利于机组稳定运行，甚至可能与管道中的水体形成共振引起厂房的剧烈振动，危害电厂的安全，机组应避免在该区域运行。此区域根据实测振动、摆度、压力脉动的趋势和限值来确定；低负荷区和强涡带工况区一起划入振动区。稳定运行区：机组在稳定运行区运行时各项指标性能均良好，建议机组多在该区域运行。

4 小湾水电站水轮发电机组稳定性试验分析

（1）以小湾水电站分水头稳定性试验为例：根据分水头稳定性试验数据测量稳定性试验数据，及相关特征如表1 所示。

表1 稳定性试验数据及相关特征

（2）结合曲线图及功能图分析，由于机组每次检修后特性不一致，导致其摆度幅值有所不同，但是其振动区域是推进水头而增加的，用以表现机组某一个摆度值在相同工况点下随水头变化走势图。选出#2 机7个试验水头下水导摆度数据，绘制出机组振动区域和水头、有功功率图等。

（3）小湾水电站下游水位变化较大，因此振动区不仅仅跟上游水位有关，振动区跟毛水头的相关性更大，通过数据分析，小湾水电站机组上游水位在1239～1178m 区间运行时将小湾水电站稳定性区域确定为表2 所示。

表2 机组运行水头与振动区对应

（4）小湾水电站尾水水位最大变幅为5m，对机组振动特性有影响，建议机组振动区参考毛水头确定；由于机组安装工艺、运行状态、检修装配质量等因素的影响导致各台机组振动区测量存在的一定差异，但总体上符合混流式机组的水力特性。经过#2、#6 机组分水头稳定性数据分析确定，小湾机组的水力振动特性基本一致，振动区跟水头有强相关性。

5 小湾水电站大型混流式水轮发电机组运行区域

低负荷区的划分可以依据运转综合特性曲线。强涡带工况区一般在中负荷区域，强涡带工况区和稳定运行区的边界是振动区划分的关键，区域边界的确定的两种方法：①主要根据趋势来划分，凡是出现涡带频率振动的工况区都是涡带工况区，它等同于涡带压力脉动工况区。②根据限值来划分，涡带压力脉动工况区中，机组振动、摆度超过规定值的工况区。

参考在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动第5 部分：水力发电厂和泵站机组》（GB/T 6075.5—2002）旋转机械转轴径向振动的测量和评定 第5 部分：水力发电厂和泵站机组》（GB/T 32584—2016）水力发厂和蓄能泵站机组机械振动的评定》标准，对于已经建立了稳态运行振动基准值的机组，应用准则Ⅱ进行振动评价，振幅相对于基准值变化25%以上认为变化是明显的，因此把振幅相大于稳定运行基准值25%以上的范围划为振动区。注：认为25%的变化是明显的，该值提供一个指导，但是对于特殊机器，也可根据经验采用其他值。470MW 以下负荷振动超过125%基准值，综合考虑振动、摆度、压力脉动情况，把0～470MW 划为振动区，470～700MW 为稳定运行区，如图1 所示。

图1 470～700MW 为稳定运行区

根据稳定运行区域（A、B）区的限值来划分区域的边界。450MW 以下负荷振动超过标准规定值（A、B区），综合考虑振动、摆度、压力脉动情况，把0MW～450MW 划为振动区，450MW～700MW 为稳定运行区。

6 结语

机组运行区域划分原则需要考虑水头对机组振动区的影响，划分的振动区一定是基于某运行水头下的数据分析的原则。

（1）依据GB/T 710—2018 标准确定相关机组运行区域划稳定区运行区、限制运行区域、禁止运行区域。分析传统振动与冲击测量描述惯性式的传感器特征的相关规定，引用相关的机械振动与冲击标准，检测安装传感器灵敏度元件（动电、压电、电阻应变、可变电感、压阻、可变电阻、可变电容元件、差动变压器、电磁、光电、光学、磁致伸缩元件等）。

（2）所测试的参数类型（位移、速度、加速度）；有效提高检测传感器响应单轴向、多轴向、角运动的特征类型；控制传感器和振动表面的螺纹、粘接、夹具、接触等其他连接方式。有效保证水轮机相关输出特性的测量范围。

（3）包括一般性能、特殊性能（频率，电阻抗、范围，敏感度，温度顺变、幅频响应，电磁场、地电流、放射性辐照、相移，相频响应，灵敏度稳定性、阻尼、横向灵敏度、最大运动极限、非线性度、环境影响等）方面的标准化机械振动冲击检测范围。

总之，确定大型水轮机组振动原则划分的区别，不断优化机组运行测量的工况，有效保障机组试验稳定性的振动区划分原则，从而有效保障标准规范化的管理体系。