三峡左右岸电站机组稳定性能和能量特性的试验与研究

2013-10-08 02:28刘志辉

水力发电 2013年7期

刘志辉

(三峡水力发电厂,湖北宜昌 443133)

三峡左右岸电站共装有26台700 MW的水轮发电机组,分为左岸VGS(1F~3F、7F~9F)、左岸ALSTOM(4F~6F、10F~14F)、右岸东电 (15F~18F)、右岸ALSTOM(19F~22F)和右岸哈电(23F~26F)共5种机型.为掌握三峡电站机组在不同水头下的特性和运行规律、确定机组安全稳定运行范围,自2003年首台机组投产以来,三峡电厂利用机组启动试运行、156 m蓄水过程、172 m试验性蓄水和175 m试验性蓄水过程,进行了大量的试验和研究.蓄水期间,分别在左右岸5种机型中各选1台试验机组进行了全水头的稳定性试验和能量特性试验.通过试验,初步掌握了机组的运行规律,编制了机组稳定运行区域,实现了机组的稳定运行.通过试验数据与机组模型试验数据的对比分析,为今后水轮发电机组参数的优化设计提供了依据.

1 稳定性试验介绍

1.1 试验标准及规程

试验及数据处理根据国家标准和IEC标准的有关规定进行[1-3].

1.2 稳定性试验内容和试验方法

机组运行稳定性试验内容包含阶梯变负荷试验、连续变负荷试验、过速和甩负荷试验等.

(1)阶梯变负荷试验.每一试验水头下做一次变负荷试验,机组从0 MW(空载)按照预定负荷间隔增加负荷至最大试验负荷;或由最大试验负荷按照预定负荷间隔减少至0.0~350 MW负荷区间,间隔为50 MW;350~500 MW,间隔为20 MW;500 MW以上,间隔为10 MW.每个负荷工况机组稳定运行60 s开始采集数据.对每一试验工况,测试仪同步采集时间不少于60 s.

(2)连续变负荷试验.每一试验水头做一次连续变负荷试验,机组负荷从0连续增加至最大试验负荷,或从最大试验负荷连续减少负荷至0.在连续升负荷 (或连续降负荷)过程中,每一工况停留60 s,形成负荷上升 (或下降)台阶.

(3)过速和甩负荷试验.在上游水位172.5 m做过速和甩负荷试验,分别甩25%、108%额定负荷.

1.3 测量项目及测点布置

(1)水压脉动6个测点,蜗壳水压脉动 (蜗壳进人门旁)、无叶区水压脉动、顶盖水压脉动 (+X方向)、尾水管上游侧水压脉动 (尾水门旁开孔)、尾水管下游侧水压脉动 (尾水门旁开孔)及蜗壳压差.

(2)摆度共6个测点,分别为:上导摆度+X和+Y、下导摆度+X和+Y、水导摆度+X和+Y.

(3)机组振动,28个测点 (5台机组振动测点略有不同).上机架水平振动+X、+Y,上机架垂直振动+X、+Y;下机架水平振动+X、+Y,下机架垂直振动+X、+Y,下机架水平振动 (涡流传感器)+X、+Y,下机架挠度 (涡流传感器)+X、+Y;定子机座水平振动+X、+Y,定子机座垂直振动+X、+Y;顶盖水平振动 (低频振动传感器)+X、+Y,顶盖垂直振动 (低频振动传感器)+X、+Y;顶盖水平振动外侧 (涡流传感器)+X、+Y、顶盖垂直振动外侧(涡流传感器)+X、+Y,顶盖挠度 (涡流传感器)+X、+Y;蜗壳门振动;尾水门振动.

(4)接力器行程共1个测点.

(5)有功功率1个测点,单元控制室监控系统.(6)风速共1个测点,大轴补气管中心.

(7)噪声共2个测点,水车室 (或蜗壳门)和尾水门处各一个.

(8)厂房振动共11个测点,发电机层楼板上游侧+X方向;发电机层楼板上游侧-X方向;发电机层楼板下游侧+X方向;发电机层楼板下游侧-X方向;上游墙高程75.3 m;下游墙高程75.3 m;下游墙高程67.0 m;下游墙高程57.0 m;风罩墙高程71.0 m下游侧;风罩墙高程71.0 m+X方向;机墩.

(9)键相共1个测点.

2 5种机型稳定性能对比分析

2.1 5种机型压力脉动对比

5种机型上游水位145.5 m和172.5 m下的压力脉动对比见图1、2.

图1 尾水上游压力脉动相对幅值

图2 无叶区压力脉动相对幅值

由图1、2可见5种机型的压力脉动随负荷变化趋势基本一致,压力脉动幅值在小负荷区和涡带区相对较大,大负荷区相对较小.总体上看,5种机型压力脉动水平基本相当,在70%~100%出力范围,未发现水力共振、卡门涡共振和异常压力脉动,哈电26F略优于其他机型;在高水头运行范围,ALSTOM 21F略优于其他机型.综上所述,在70%~100%出力范围,右岸电站机组总体上略优于左岸机组.

2.2 5种机型振动和摆度对比

5种机型上游水位145.5、172.5 m下的振动摆度对比见图3~6,由图可见,5种机型的振动和摆度随负荷变化趋势基本一致,在70%~100%出力范围内,未发现异常振动现象,主轴摆度和机组振动基本满足合同保证值或有关国标允许值的要求.其中,主轴摆度:右岸东电 (16F)机组稍大,其余机型基本相当;机架振动:左岸VGS(8F)机组稍大于其他机型,其低水头时的垂直振动尤为明显;顶盖振动:右岸ALSTOM(21F)机组明显大于其他机型.

图3 水导摆度

2.3 5种机型稳定运行区对比

根据运行标准的允许值和蓄水过程中机组运行稳定性试验,综合考虑压力脉动、振动、摆度和水轮机效率等试验结果,将机组在全水头、全负荷范围内划分成以下3个区域:稳定运行区 (可以连续稳定运行)、限制运行区 (允许限时运行)、禁止运行区 (不宜运行).

2.3.1 稳定运行区

稳定运行区是机组在全部负荷范围内压力脉动和振动最小的区域.从真机试验看机组在此区内运行时最为平稳,没有水力共振、卡门涡共振和异常振动现象,压力脉动小于4%,机组振动幅值满足运行标准的允许值.该区内水轮机的水力条件最为良好,机组在此区内运行时,不仅能满足安全稳定运行,而且能获得最大的经济效益.

2.3.2 限制运行区

限制运行区没有水力共振、卡门涡共振和异常振动现象,压力脉动在4%~6%之间,部分测点的机组振动幅值略超过运行标准的允许值.由于该区域的脉动和振动主频为频率较低的尾水管涡带频率.从材料疲劳角度看,低频比高频较有利于延缓疲劳裂纹的产生.因此建议将该区列为限制运行区,允许机组短时间内可在此负荷范围内运行,但不宜作为长期运行的区域.

图4 下机架垂直振动

图5 顶盖水平振动

2.3.3 禁止运行区

图6 顶盖垂直振动

禁止运行区是水轮机效率最低、转轮水力条件最差的区域.该区域压力脉动基本都超过了6%,多数测点的振动幅值也超过了运行标准的允许值,而且频率较为复杂,主频不突出,大部分频率高于转频.在转轮区,将发生各种进口水流的撞击、脱流与产生叶道涡等不良水力现象.由于压力脉动和振动大,动应力也必然较大,机组长期在此区域内运行,易于引起疲劳而缩短寿命,故建议将其列为不宜运行区.

5种机型的稳定运行区域划分见图7~11.由图7~11可见,5种机型稳定运行区基本相当,满足合同70%~100%预想出力的要求,其中稳定运行区下限,右岸哈电机组略低于其他机型.