三峡左岸电站ALSTOM机组稳定性分析

第２９卷第６期　水电站机电技术　Ｖｏ１．２９　Ｎｏ．６　２００６年１２月　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｏｆ　Ｈｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｓｔａｔｉｏｎ　Ｄｅｃ．２００６　１５　三峡左岸电站ＡＬＳＴＯＭ机组稳定性分析　朱玉良　，熊　浩　（１．北京华科同安监控技术有限公司，北京１ＯＯＯ３７；２．三峡水力发电厂，宜昌４４３１３３）　摘　要：根据ＴＮ８０００机组状态监测系统投运以来所记录的三峡左岸电站１Ｏ号和１２号机组的大量数据，利用　ＴＮ８０００系统提供的专业分析工具，对三峡左岸电站ＡＩ　ＳＴＯＭ机组的运行稳定性进行了深入分析，明确了机组发生　涡带脉动时的不稳定工况区，并指出机组存在特殊压力脉动区，还对１Ｏ号机组异常事故情况下的数据进行了深入分　析并分析了引起异常的原因　分析结论对于掌握ＡＬＳＴＯＭ机组的运行特性和指导机组运行具有重要的作用。　关键词：三峡左岸电站；混流式水轮机组；稳定性；振动　中图分类号：ＴＭ３１２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１６７２—５３８７（２００６）０６　００１５—０４　三峡左岸电站共装有１４台７００　ＭＷ混流式水　１／４。另外，从顶盖压力脉动信号分析，也发现存在　轮发电机组，其中ＡＬＳＴ０Ｍ机组８台，ＶＧＳ机组６　１／４转频的低频成份，可以判断该频率为尾水管涡　台，至２００５年９月所有机组均已并网发电。三峡左　带脉动频率，负荷２６０　ＭＷ，－￣４２０　ＭＷ区间为机组　岸电站ｌ４台机组随主机均配置了振动摆度监测装　不稳定工况区。　置，其中ＡＬＳＴＯＭ机组配置了瑞士Ｖｉｂｒｏｍｅｔｅ公　司生产的ＶＭ６００振动监测仪表，ＶＧＳ机组振动摆　度监测装置采用加拿大Ｖｉｂｒｏｓｙｓｔｍ公司的Ｖｉｂｒｏ—　ｗａｔｃｈ振动监测仪表。由于设备选型、售后服务等　方面问题，虽经各方努力，上述系统无法充分发挥作　用，同时由于其没有数据存储、管理和分析功能，不　能满足三峡电厂对机组实施状态监测的需要。为　此，三峡电厂决定对左岸电站机组在线监测系统进　行改造，并确定由北京华科同安公司承担部分机组　的改造任务。目前，北京华科同安公司开发的　ＴＮＳ０ＯＯ机组状态监测系统已经在三峡左岸电站７　图１　１０号机变负荷过程水导Ｘ向摆度瀑布图　号、８号、１Ｏ号和１２号机组上投入运行，其中７号、８　号机组为ＶＧＳ机组，１Ｏ号、１２号机组为ＡＩ　ＳＴ０Ｍ　机组。ＴＮ８０００系统自２００５年初在三峡左岸电站　投运以来，对掌握机组的不稳定工况区、机组变负荷　特性、变水头特性，进行机组性能试验，及时发现事　故和分析事故原因，起到了非常重要的作用。　１　低负荷不稳定工况区分析　图Ｉ至图２为１Ｏ号机组变负荷过程数据分析　图形。从图中可以发现，１Ｏ号机组在有功功率２６０　ＭＷ￣４２０　Ｍｗ之间，各振动、摆度、压力脉动信号　图２　１０号机变负荷过程各摆度变化趋势图　均存在很大的低频成份。图３和图４为１ｏ号机组　在有功３５０　ＭＷ时，上导、水导摆度波形、频谱和轴　收稿ｆｔ期，２００６一ＩＩ一１１　心轨迹图。从图中可以看出，上导、水导摆度信号中　作者简介：朱玉良（１９６５一），男，高级工程师，主要从事水电机组状态　低频信号为主要成份。其频率为０．３１　Ｈｚ，为转频的　监测及诊断系统的开发研究工作。　维普资讯 http://www.cqvip.com

水电站机电技术　第２９卷　图５和图６为１　２号机组变负荷过程摆度和压　力脉动瀑布图。由图中可以看出，１２号机组在有功　２６０　ＭＷ～４２０　ＭＷ之间，无论是摆度还是压力脉　动信号，均存在较大的低频成份。从图７和图８摆　度和压力脉动的频谱图可以得知，摆度和压力脉动　的主要频率成份为０．３１　Ｈｚ，即转频的１／４，同样可　以断定该频率为尾水管涡带脉动频率。　图３　１０号上导摆度频谱图　图４　１０号机水导摆度频谱图　上述分析可知，无论是１Ｏ号机还是１２号机，在　低负荷区（２６０　ＭＷ～４２０　ＭＷ）各振动、摆度、压力　脉动信号均存在较大的低频成份，该低频成份由尾　水管涡带引起，频率为转频的］／４左右（即０．３１　Ｈｚ）。当机组负荷高于上述低负荷区后，尾水管涡　带消失，机组各部位振动、摆度、压力脉动明显减小。　所以，上述低负荷区为机组不稳定运行工况区，为机　组运行范围　实际三峡机组在设计上就不允许　在额定负荷６Ｏ　以下运行，故实际机组也不会在上　述负荷范围内运行。　２特殊高频振动区分析　图９及图ｌ０为１０号机顶盖垂直振动随有功的　变化趋势。由图可知，在６８　ｍ水头、有功５３０￣５５０　ＭＷ之间和在７２　ｍ水头、有功５８０－－５９０　ＭＷ之间　运行工况区，顶盖垂直振动明显增大。　图５　１２号机水导ｘ向摆度瀑布图　图６　１　２号尾水管上游侧压力脉动瀑布图　图７　１２号机水导摆度频谱图　图８　ｌ２号机压力脉动频谱图　维普资讯 http://www.cqvip.com

第６期　朱玉良等：兰峡左岸电站ＡＩ　Ｓ—Ｉ（）Ｍ机组稳定性分析　１７　幽１Ｏ　ｌＯ号机顶盖振动随有功的变化趋势（７２　ｍｍ）　图１１为１Ｏ号机在有功５４１　ＭＷ时顶盖振动波　形与频谱，图中可看出顶盖的垂直振动为１５８／￣ｍ，　超过了二级报警值。利用振动频谱分析可知，垂直　振动主要为４．５６倍频，幅值达到了５８　ｍ。再观察　此时尾水管压力脉动波形及频谱图（图１２），发现其　中含有４．５６倍频成分，可以判断顶盖的垂直振动主　要是由尾水管高频压力脉动引起的。再比较顶盖振　动不大时顶盖振动频谱中不存在４．５６倍频附近成　份，尾水管压力脉动也不存在该频率，更进一步证明　了顶盖振动大是由于尾水管高频压力脉动引起的。　图１３和图１４分别为１０号机和ｌ２号机变负荷　过程顶盖垂直振动瀑布图，可以看出无论是ｌ０号机　还是１２号机，在高负荷段均存在明显的高频成份。　图１１　１０号机顶盖振动波形和频谱图　ｌ生ｌ　１２　１０号机尾水管压力脉动波形和频谱图　进一步分析可以看出，１０号机在６８　Ｉｎ水头下，特殊　振动区在有功５３０～５５０　ＭＷ之间；１Ｏ号机在７２　ｍ　水头下，特殊振动区在有功５８０～５９０　Ｍｗ之间；１２　号机在７２　Ｉｎ水头下，特殊振动区在有功５８０～５９０　ＭＷ之间。特殊振动频率均为３．８～４．５倍频。　图１３　１Ｏ号机顶盖垂直振动瀑布图　图１４　１２号机顶盖垂直振动瀑布图　以上分析可知，ＡＩ　ＳＴＯＭ机组在设计正常运　行范围内，存在严重的特殊振动区，振动区特点：　（１）特殊振动区出现在高负荷段，接近出力　线，其带宽约２ｏ　Ｍｗ。　（２）特殊振动的频率为３。８～４．５倍频，该振动　频率存在于机组各部位的振动信号中，尤其对机组　各部位垂直振动影响较大，对顶盖垂直振动影响最　大，导致顶盖垂直振动急剧增大。　（３）特殊振动由水力因素引起，在尾水管压力脉　维普资讯 http://www.cqvip.com

１８　水电站机电技术　第２９卷　动信号中同样存在该高频成份。　（４）随着水头的上升，特殊振动区有向高负荷区　移动的现象。　（５）特殊振动区在１Ｏ号机和１２号机上都存在，　表现形式比较相似，可以断定是ＡＩ　ＳＴＯＭ机组共　有的特性。　当机组运行在上述特殊振动区时，振动、摆度和　压力脉动会急剧增大，对机组安全和寿命构成严重　威胁，所以，该特殊振动区应划为禁止运行区。由于　该特殊振动区出现在设计正常运行范围内，实际在　ＴＮ８０００所监测到的一年多来的运行工况来看，许　多时候机组就是运行在该区域，长此以往，必将对机　组造成伤害。建议电厂针对ＡＩ　ＳＴＯＭ机组的特　点，合理调配负荷，避开特殊振动区运行。　实际上，在三峡水轮机模型验收试验中，ＡＩ　Ｓ—　ＴＯＭ和ＶＧＳ的水轮机模型均存在一个明显的严　重不稳定区（压力脉动峰值带），当时就已经引起有　关各方的关注和忧虑。从真机实测来看，ＡＩ　ＳＴＯＭ　机组存在严重的特殊振动区。与模型相比，真机上　出现的特殊振动区更移向大负荷段，接近出力　线，对机组运行更为不利。　３机组异常事故分析　豳１５　导流板撕裂导致机组稳定性参数变化　图ｌ６　导流板撕裂前后顶盖垂直振动瀑布图　１Ｏ号机组于１１月２４　Ｆｔ　０２：４４：４２机组的振动　摆度突然增大（图ｌ５、图１６），其中下导Ｘ、ｙ摆度，　上机架水平振动及顶盖的水平、垂直振动均超过报　警值，系统连续报警，通过对ＴＮ８０００系统记录的数　据进行分析，确认机组存在水力不平衡故障，电厂决　定临时停机检查，机组于¨月２４日０４：５０：２７停　机。检查发现，水轮机蜗壳导流板有三块发生撕裂。　在本次事故中，ＴＮ８０００状态监测系统为及时发现　事故和分析事故原因发挥了重要作用。　由于所有振动摆度瞬间发生变化，１倍频变化　量最大，变化后１倍频幅值和相位基本维持不变，可　见机组在瞬间失去平衡。导致机组瞬间失衡的主要　因素有机械因素、电气因素和水力因素。机械因素　和电气因素造成的失衡只会造成１倍频发生变化，　且对机组垂直振动尤其是顶盖垂直振动影响较小。　而本次异常事故中，各部位的垂直振动变化很大，尤　其是顶盖垂直振动急剧增大，可以初步断定是有水　力因素引起的异常振动。而从所有摆度和振动的瀑　布图上可以看出，除ｌ倍频突变外，在２Ｘ至５Ｘ之　间有明显高频成份出现，可以明确是水力失衡导致　机组运行异常。　４　结论　通过ＴＮ８０００系统积累的大量数据，利用　ＴＮ８０００系统提供的专业分析工具，对三峡左岸两　台ＡＬＳＴ０Ｍ机组（１０号、１２号机组）的振动、摆度、　压力脉动进行深入分析，可以得出如下结论。　（１）机组在低负荷段（２６０　ＭＷ～４２Ｏ　ＭＷ）存在　不稳定工况区。在该区尾水管产生严重的涡带脉　动，导致机组各部位振动、摆度和压力脉动增大，且　主要为低频成份，该频率成份为转频的１／４左右。　（２）机组在设计正常运行范围内，存在严重的特　殊高频振动区。该特殊振动区接近出力线，负　荷带宽约２Ｏ　ＭＷ，振动频率约３．８～４．５倍频　当　机组运行在该特殊振动区时，机组各部位振动、摆度　和压力脉动急剧增大，对机组安全和寿命构成威胁。　（３）随着水头的上升，特殊振动区有向高负荷区　移动的现象。随着三峡水位的上升，需要对特殊振　动区进行跟踪分析研究。　（４）建议电厂针对ＡＬＳＴＯＭ机组的特点，合理　调配负荷，避开特殊振动区运行。　参考文献　［１］　田子勤．三峡左岸电站机组运行稳定性预测厦预防措　施研究［Ａ］．第十五次中国水电设备学术讨论会论文　集［Ｃ］．２００４年．　（２３哈尔滨大电机研究所、全国水轮机标准化技术委员会．　大中型混流式水轮机运行稳定性专辑［Ｃ３．２００４年．　［３］　郑松远，水电厂实施状态监测的关键技术ＣＡ］，全国大　中型水电厂技术协作网第二届年会论文集［ｃ］．２００５　年．