三峡左岸电站ALSTOM机组导叶小开度振
动原因分析及解决方案
第24卷第5期 2005年l0月 水力发电
JOURNALOFHYDROELECTRICENGINEERINC Vo1.24NO.5 0ct..2005
三峡左岸电站ALSTOM机组导叶小开度振动 原因分析及解决方案 叶青平
(三峡水力发电厂,宜昌443133)
摘要:三峡水力发电厂首批机组于2003年7月投产发电,在首批机组调试试运行期间,ALSTOM供货的机组在甩负
荷,紧急停机过程中出现了一些异常情况,通过各方努力,该问题基本解决.本文拟对关机过程中导o/-~b开度振动原因
进行分析,并对机组关闭规律的优化方案及实施过程进行介绍. 关键词:水轮机振动;活动导叶;负流量;关闭规律 中图分类号:TK730.324文献标识码:A
OriginanalysisandsolutionfortheALSTOMunitvibration insmallguidevaneopeningofThreeGorgesleftbankplant YEQingping
(ThreeGorgeshydropowerplant,Y~hang443133)
Abstract:ThefirstlingunitsofThreeGorgeshydropowerplanthavebeenputintooperationinJuly2003.The
firstlingunitssuppliedbyALSTOMoccurredtheabnormalphenomenadunngtheloadrejectionandemergencyshut
down.Attheend,theproblemgotsolutionwiththeeffortofallparts.Theoriginoftheunitvibrationinsmallguide
vaneopeningisanalyzedwhentheunitisclosingandtheoptimalschemeoftheunitclosinglawissuggested.
Keywords:turbinevibration;guidevane;reversedischarge;closinglaw 1介绍
三峡左岸电站共有14台水轮发电机组.水轮机额定水头80.6m,额定容量710MW,最大连续运行容量
767MW,最大容量852MW.14台机组中8台由ALSTOM供货,6台由Voith—Ge—Simens联营体供货.
2003年7～8月,首批ALSTOM机组5F,6F在调试试运行期间,过速试验,甩负荷或紧急停机时,在活动导叶
关闭结束阶段,出现了一些异常现象.调试试验在如下水力条件下进行:上游水位:135～135.5m,下游水位:66～
69m.考虑到在流量为1O00m/s时(ALSTOM水轮机的额定流量991.8m/s)的水头损失为1.5m,可以估计水轮机 净水头在如下值之间变化:
水头最小值:H=.8m(135—1.2—69),对应流量最大为Q=900m/s. 水头最大值:H=69.5m(135.5—0—66),对应流量最小可能为Q…=Om/s. 当然,以上的水头值与机组稳态运行相对应,而动水头与之有一定差别. 2问题的描述
2003年7月机组调试试运行期间,在正常工况下机组运行状况较好,而在暂态试验期问,观察到了几种有害
的现象:几个活动导叶拉断销断裂,控制环异常变形,整个调速系统异常振动. 为分析这一问题,记录了时间座标'下的一些主要特征参数的测量值,如蜗壳进口压力,活动导叶与转轮之间
压力(顶盖压力),尾水管压力,机组转速,活动导叶开度以及活动导叶轴颈上测量导叶所受水力矩的应力值(当 收稿日期:2004—11-18
作者简介:叶青平,1968年生,男,高级工程师,主任工程师
第5期叶青平:三峡左岸电站AI_STOM机组导叶小开度振动原因分析及解决方案ll1
然,由于真正校准应变片不可能,扭矩值只能作为参考).这些特征记录如图1所示. 如果在图1中50Hz的噪音信号是不可避免的,那么唯一表现异常的是活动导叶扭矩:相对而言较高频率的
振荡变化和较大的振荡幅度.图1中观察到的这一临界状况对应于时间～40秒及接力器行程约4%(7～0.8.).
特征参数沿时间展开的放大图如图2所示.它表明,观察到的控制环变形与接力器负荷不平衡的非均衡运行有
关,而与异常振动无关,与一部分拉断销的断裂无关.本文主要讨论与活动导叶异常振动有关的问题. 事'『～—J,麓11I?】i}{. 一:L■l,-I≤￡}_主__一 :f.,■- j:『l_Ill 丰:=.厂≯卜 4≤;垂蜒暇螋; 萄:l:}三 i1:]lilI
:十!u?-_●.—,～…c一…mF- lime(sl 200
175蜗壳压力【m) l5O
I25顶盖压力(-) 100
75机组转速(_)
5O活动导叶扭矩 25(-.kdaN) 0尾水管压力(-) -
25导叶开度(_) . 50
图15F带535MW负荷紧急停机记录图
Fig.1Recordsofunits5emergencyshutdownwithload535MW 图25F紧急停机记录放大图 Fig.2Zoomofthefigure 3振动原因的研究 3.1,活动导叶的固有频率
参考图2,可以看出过大的振动发生在接力器行程4%和95%机组转速(75转/分)时,且活动导叶的振动频率
为23～24Hz.而轮叶激振频率为18Hz(15X75/60X0.95),因此这种现象:
既不是与轮叶转频(频率比率≥1.25)有关的强迫激振,因为在此特殊的暂态工况下,顶盖压力没有显示任何
波动.也不是轮叶转频激励活动导叶固有频率的问题,因为其固有频率较高,约28Hz.
3.2活动导叶的轮廓形式
活动导叶的异常振动和扭矩振荡,使得我们考虑活动导叶的水力轮廓形式引起这种现象的可能性.传统的
ALSTOM活动导叶是反曲率的,有短的轮廓(使得在小开度时的遮程较小,因为30年前缺乏经验的灯泡式水轮机
有较大的遮程),并且有较小的轴向偏心活动导叶水力矩平衡性好).
为便于分析,图3～图5绘出了三峡左岸电站ALSTOM机组的活动导叶轮廓形状,并且与ALSTOM其它类型 的活动导叶相比较.
图3三峡左岸ALSTOM机组活动导叶轮廓形状 Fig.3GuidevaneprofileshapeofThree—Gorgesunit 图4ALSTOM活动导叶轮廓形状(依泰普式) Fig.4ALSTOMtypeguidevaneprofileshap(haipu)
(并网前)应该有相似的行为.然而在机组开机时,没有观察 到这样的现象.图当今ALsTOM典型的活动导叶轮廓形状 3.3负流量Fig'5y'ALsTOM'YPialg\"idc\".pm.hpe
为解释活动导叶的这种现象,引入另外一个水力参数.在图1中,观察到在时刻约32秒时活动导叶扭矩是
负的(相对于开启趋势而言).参考水轮机模型试验中的扭矩测量结果,这在某种意义上是不可能的.这就提出
了一个问题:暂态期间可能出现负流量吗.如果暂态期间出现负流量,流态就变得非常不寻常,也能够解释这种 意想不到的现象(如活动导叶负扭矩). ～ ～. r , \\ 一, , ,一 ～～～～ 一～ 一 /～
112水力发电2005正
Gibson法(或\"压力时间法\见IEC41)用于计算横截面为.s,长度为的压力钢管在关
闭前两测量断面1,2
的流量.引用这种方法,用来估算瞬时流量,目的不是精确推导时间与流量的函数关系,而是得到流量的近似值.
另外,为简化解释,忽略了压力钢管的水头损失等条件.
如上所述,考虑压力钢管的一部分,假定在断面1,2间水是不可压缩的(L是这部分钢管的长度,.s是其横截
面积),根据牛顿公式并将牛顿公式对时间求积分,在初始时间t和最终时间f(当活动导叶关闭时流量为零或 几乎为零时),可以写出: F=,加
厂PPdt=厂oLS?I(.一)5.f=I?JlJlu0 厂Pgch.一h?dt=厂I(.一z)?=I?√IJIu0
在初始时间(关闭前)和最终时间之间求积分,能够得出常数k如下: 吉× 因此得到: Q(f):7f'(.一)df l(hl—h)dt\"加
用上述方法可以得到流量的近似值.当对图1和图2所示的紧急停机情况使用该方法时,得到了图6和图7 所示的流量近似值. 量 ■ j蒜
u4P5LR535MW07/07/03 02O3O4050607O 时间/s 一 趟 古
加
图65F带535MW紧急停机流量,开度图 Fig.6Dischargeandopeningofunit5emergency shutdownwithload535MW
图75F带535MW紧急停机分析图
Fig.7Analyzingrecordofunit5emergencyshutdown withload535MW
从图6可以看到在时间29秒至50秒之间流量为负数,水轮机运行在反水泵工况下约20秒,负流量大约为 机组最大流量的一10%.
对应于紧急停机,添加流量近似值在图1中,如图7.可以观察到异常振动发生在流量为负值的阶段,而且
可以推断负流量不是问题的唯一责任者:因为最大振动与负流量的最大值并不对应.
反水泵工况运行方式的出现,也解释了为什么活动导叶扭矩与模型试验(试验在水轮机模式下而不是反水泵 模式进行)期问的表现不一致. 4导叶关闭规律第一次改进方案 4.1第一次改进方案
综上所述,可以肯定的说,活动导叶振动的发生需要如下条件同时出现:负流量;对三峡左岸电站ALSTOM机 组的活动导叶叶型,导叶开度为4%.
在机组调试过程中,通过对导水机构关闭规律进行改进,采用\"第三段关闭\"的关闭规律来解决异常振动.这 个\"第三段关闭\"应该:
①避免4%接力器行程与负流量同时出现(当转轮泵工况运行产生负流量时,必须\"等待\直到机组转速足 如∞\"∞如mO 咖咖8量伽暑8.
第5期叶青平:三峡左岸电站ALSTOM机组导叶小开度振动原因分析及解决方案113
够低,对应于上游水位不能泵工况运行).
②更换更有效的接力器缓冲阀,在关闭结束时起作用.
为了有较大的裕量,考虑到目前的运行在低水头范围,没有要求迅速关机,负流量持续大约2O秒,设定\"第三
段关闭\"为120秒.这样机组约在接力器行程8%至9%时减速,在到达4%开度时减速约6O秒.
原始设计中,导水机构关闭规律被确定为两段:第一段(100%行程6.5秒)从100%到74%;第二段(100%行
程24秒)74%以下.每个接力器的缓冲阀确保接力器活塞在最后6%行程时减慢速度.第一次改进方案:相对于
原始设计,第一段,第二段特性没有改变,第三段关闭开始于接力器行程8%以下,持续120秒,直到导水机构完全 关闭.
4.2第一次改进方案分析
实施这个解决方案后,在后来机组调试的暂态试验中没有发生过异常振动,可以看机组调试试运行期间的两
个典型试验:甩负荷350MW,见图8;515MW负荷时紧急停机,见图9.
在图8所示的甩负荷试验图中,执行了第三段关闭,可以看到依然存在负流量.由于过速值低于以前的试
验,负流量也比以前降低了;反水泵工况运行的时问也变短了,但部分的下降归功于调速系统开启活动导叶(在一
23秒)使机组回到100%转速.不管机组出力多少,在甩负荷的过程中没有出现异常的活动导叶振动. _,,..._堕二L j婶:E.:L— :..一;__●^_.:-'j -:
I:.:—I一.X::I''一 ■.I5...i_』..….十一':t: -__==l墨毛 一 :c.:j0'I, 十'-:.0'I1 .:.E. Timers) 200蜗壳压力(m l75
150顶盖压力(m 125话动导叶扭矩 100机组转速(%) 75 . 25
图85F甩负荷350MW记录图
Fig.8Recordsofunit5loadrejectionwith350MW 自:{:1F.:f'!: 一E骡. ● fr'一..r
;ll}】.\"'●-【:E.-,.- ,
墨#胡JI}金:;兰EjIr:-:.? Ft=一-J 载:- :,:--卜:
娶羟:j托.. el:=砸:!}T下; 耕:}0.{一!l¨f .
{l_f芝.?斗寸一』 175蜗壳压力(m 125顶盖压力(_) 75活动导叶扭矩 50机组转速(%) 臻簿
图95F带515MW负荷紧急停机记录图
Fig.9Recordsofunit5emergencyshutdownwith535MW
图9表示了紧急停机情况,与图1非常相似,机组以十分相似的方式进入反水泵工况,约l6秒的反水泵运行
后(时间～38秒),机组回到水轮机工况(90%转速时回到正流量),而4%接力器行程对应于时间～9O秒,因此有 较大的裕量(约5O秒). 4.3第一次解决方案结论
关于暂态期间的过大振动,可以得出如下结论:所有调试的机组运行安全(无异常的振动),归功于\"第三段关
闭\"的实现;这种现象与由轮叶转频引起活动导叶的固有频率激励无关;这种现象出现在流量为负(反水泵工况)
和接力器行程4%时,很可能是因为\"太大的活动导叶轮廓遮程\".
但由于整个关机时间约150秒,在机组出现紧急情况需要快速关机时,该关闭规律不能满足要求;考虑到现
在三峡电厂处于围堰发电期(上游水位135～139米),机组运行水头约65米～7O米,虽然有约5O秒的裕量,该关
闭规律不一定满足高水头(113米)的运行要求,因而三峡电厂以关闭时间不满足合同要求(合同规定导叶接力器
全关闭时间调整范围为8～100秒)为由要求ALSTOM厂家对关闭规律进行进一步分析.
5导叶关闭规律第二次改进方案
2004年7月ALSTOM提出了新的活动导叶关闭规律,即第二次改进方案:第一段(100%行程6.5秒)从100%
到65%;第二段(100%行程24秒)从65%到2O%,第三段关闭开始于接力器行程20%以下,持续4O秒.该关闭
规律在11F调试试运行中进行实施,试验中记录了过速及甩负荷下的有关数据,实际测量的有关过速试验数据如 下:
5.1过速试验监测数据
过速145%时的导叶关闭规律如图lO,监测数据如表1. 5.2第二次改进方案分析
实施该关闭规律后,机组稳定性指标均满足制造厂家及规范要求,从表1可以看出机组转速上升,蜗壳压力 ∞如0如∞如
水力发电2005正 ll4
表lllF过速试验监测数据
Tab1elMeasuriI-gdataofunit11overspeedtest 转速上升(%)16.12 蜗壳压力上升(%)13 尾水压力脉动(%)～6?4 最大行程(mm)～6.4 第二段拐点行程(mm)255.07 接力器关闭第一段时间(s)4?6 关闭第二段时间(s)39.35 关闭第三段时间(s)
关机中4%导叶开度对避望茎堕!!: O0O0% 80O0% 20O0% 000% r9660% } | | . 3560% 207O% ''' —～ ) 1-^-_-～l r—— 5{5.84474lu
图10llF过速145%时导叶关闭规律
Fig.10Guidevaneclosinglofunitll.Verspeed145%
上升均满足调保计算要求,且关机过程中4%导叶开度对应机组转速约为81～82%,依照前面的分析,该关闭规 律在解决小开度振动上也有一定的裕量. 6结语
目前,三峡水力发电厂正计划在2004—2005年冬季检修期间,对所有ALSTOM机组上实施第二次改进方案'
以满篙正组织国内相关科研院所进行研究,以期利用水轮机模型试验成 里木黧果,
机组启动试验数据,对高水头下的机组关闭规律进行仿真分析与预测,剐L组天刚
俘进们进少' 参考文献:
[1]田子勤,刘景旺.三峡电站混流式水轮机水力稳定性研究[J]?人民长江?2()00,5? 『2]M:Couston.ThfeegorgesleftbankguideVanebehaVior[R]-2003,10?
『3]三峡水力发电厂,华中科技大学.三峡左岸电站llF启动试运行报告[R]-20o4,7. (上接第16页)
『1](美)D.P.洛克斯等着.姚汝祥等译.水资源系统规划与分析[M].北京:水利电力出版社,987年? ..兰点一[3]万景文.
论龙刘两库补水对缓解黄河下游水量供需矛盾的巨大作用ljj?水刀及电孚报叭一i'
『41GaoHong,WangHuanehen,Tanweixi.ng.ANewMeth.dofOmpeFisatiVeRegulai.nofHydmpoWeBaed.n
ArtificialNeuralNetwork[J].In￡emati.na1JournalHydroe1ectricEnergy,1998(3):22～28?
[5]Qin出Liang.Ac.mparis.noftw.meth.dsformulti一.bjectiVe.ptimizati.nf0rresen『.ir.prai.\"lJJ?WatR.rc. ∞∞
一一避散古i旨 . ～ 4
