水电站调速器开机规律对机组顶盖振动的影响

水电站调速器开机规律对机组顶盖振动的影响

张育亮

国电恩施水电开发有限公司 湖北省恩施州恩施市 445000

摘要：水轮调速器作为水电厂中重要的一部分，对水力发电正常运行有着直接影响，和水电站是否可以正常运行有着密切关联。水轮机调速器的检修与维护是水电站管理中的一项重要工作。水电机组振摆保护装置的相继投入，机组运行过程中各导轴承振动、摆度过大，超出振摆保护装置动作值后，可能发生机械停机事故。针对水电站开机过程中顶盖振动较大，分析影响顶盖振动的各种因素，结合试验数据，提出优化调速器开机规律，控制水流速度，使水流顺畅进入流道，在一定程度上降低了机组开机过程中水轮机顶盖振动幅值，从而提高机组运行稳定性。

关键词：水电站；调速器；开机规律；顶盖振动

引言

电力作为保证中国正常运行和发展的重要能源之一，随着不可再生资源数量的减少，水力发电的优势逐渐凸显出来。水电站中有许多必要设备，水轮机是水电站发电系统中的关键设备之一，水轮机调速器又是水轮机的重要组成部分，因此，调速器的稳定与否关乎水电站各项工作的顺利运行，水轮机调速器的检修与维护工作具有重要意义。大多数混流式机组存在水头高、尺寸小、重量轻、转速高等特点，由于水流特性的影响，机组在运行过程中振动、摆度受水力影响较大。随着近几年水电机组振摆保护装置的相继投入，机组运行过程中各导轴承振动、摆度过大，超出振摆保护装置动作值后，可能发生机械停机事故。

1水轮机调速器的基本概况

1.1调速器的功能

水电站稳定运行的关键要素是水轮机设备的正常运转，其中水轮机调速器是水轮机的主要组成部分，对保障水电站正常工作具有重要意义。水轮机调速器的功能主要包括并网功能和调节功能，在水轮机运转过程中，当工作人员对水轮机下达运转指令时，会启用调速器的并网功能对运转状态进行自动调整，从而保障水轮机的高效稳定运行。在不同工况下，调速器的调节功能可满足工作人员对水轮机的转速、流量等指标的要求，通过对这些指标的调节，保证水轮机和水电站的安全运行。

1.2调速器的特点

水轮机调速器能成为水轮机系统中的核心部件，除了其自身的自动化性能外，还具有如下特点：（1）强大的操作力。水轮机是水电站的重型机械设备，规模也比较大，具有体积大、总量重的特点。在水电站发电时，通过水轮机的水流量很大，此时，水轮机调速器以强大的操作力控制进水闸门，有效的调节了水流的速度。（2）组件多，操作复杂。水轮机调速器控制的是组合而成的能量转换体系，组件较多，运行操作复杂。由于水体的惯性较大、涉及范围广，使水轮机调速器难以维持控制系统的稳定且控制复杂化。同时，随着工作环境条件的不同，会受到多种因素的影响，因此，在水轮机运行过程中，需要多方面综合考虑，预防不同问题的发生。（3）功能繁多。水轮机调速器除了能自动调节水流量外，还具有开机、停机等操作功能。多样的功能也使得其肩负更多的任务，发挥着更大的作用。现在我国的水电站已经实现用网络技术开启调速器的并网和自动调节功能，从而充分发挥其作用，为水电站的稳定运行提供保障。

1.3调速器的常见故障

水轮机调速器虽然拥有强大的操作动力和自动化性能，但也正因如此，避免不了一些常见故障的发生。经过近些年的研究发现，主要的常见故障有以下几个方面：（1）水轮机调速器运行系统不稳定，其中常见的是由于过水压系统不稳定，造成水压波动较大；（2）调速器电气系统故障，如发电机或信号源故障；（3）水轮机调速器老化或被污染导致的运行效率低；（4）油路不畅通引发操作困难；（5）调速器自身的组件装置不灵敏。

2调速器开机优化试验

2.1原开机规律试验

（1）调速器在自动模式下收到监控系统发出的开机令，导叶空载开度设置为6%，调速器由静止态转开机态，经4.6s导叶开度由0%开至8%（导叶空载开度+2%）。（2）调速器导叶给定开度8%至机组频率升至40Hz。历时75s，在机组频率达到40Hz时，调速器将导叶开度给定降至6%。（3）导叶保持6%空载开度的情况下，机组转速持续上升，当频率达到43Hz时，调速器由开机态转为空载态，进行频率闭环调整，从静止态到转空载态时间为100s。（4）自机组启动开始至达到同期转速，即99.5%fr～101%fr,所经历的时间tSR为134s。

2.2优化后开机规律试验

（1）调速器在自动模式下收到监控系统发出的开机令，导叶空载开度设置为7%，调速器由静止态转开机态，经1.97s导叶由0%开至4%。2）调速器导叶给定为4%开度至机组频率上升至10Hz。历时29s，机组频率达到10Hz时，调速器控制导叶按0.25%/s的速度，开至1.4倍空载开度，即9.8%。（3）历时110s，机组频率达到45Hz时，导叶给定降至为1.1倍空载开度，即导叶开度由9.8%降至7.7%。（4）自机组启动开始136s后，机组频率达49Hz，调速器进入空载态，进行频率闭环调整。（5）自机组启动开始至空载转速（频率）达到同期带，即99.5%fr～101%fr,所经历的时间tSR为140s。

3开机过程顶盖振动结果分析

在满足机组允许的加速度并保证不过速的情况下，开机时间应尽可能短的要求，将优化后的调速器开机规律中导叶空载开度设置为7%，通过前后两次测试对比，可以看出两种不同开机规律下，机组由静止至最终达到100%额定转速的时间相差无几，但是其顶盖振动最大幅值差别明显，振摆保护动作限值为：顶盖一级报警值2mm/s,二级报警值4mm/s。按照第一种开机规律，但由于调速器开机初始启动开度为8%，在此大开度下，顶盖水平方向振动值在12s时达到2.3mm/s，超出了振摆保护一级报警动作值，顶盖垂直方向振动值达到4.44mm/s，超出了振摆保护二级报警动作值，而第二种开机规律下，顶盖垂直与水平方向振动幅值明显减小。开机规律优化前与优化后顶盖振动最大值均出现在机组转动初期，待机组转速稳步上升后，振动开始减弱。由此分析可知，顶盖振动幅值过大与导叶初始开度设置有关，开度设置过大将造成从固定导叶出来的水流与活动导叶之间产生较大的冲击，破坏了流态，使得导水机构承受较大应力，导致顶盖振动过大，待机组转速逐步稳定，导叶间隔流过的水势趋于平衡后，两种开机规律下顶盖振动幅值均出现明显下降。

结束语

随着我国科学技术的发展，水力发电事业也逐步占据电力发展的重要地位。水电站作为水力发电工程的主要场所，内部众多发电设备是维持电站电力供应的基础设施，其中水轮机调速器是重要的设备之一。综上所述，水轮机调速器是保证水轮机的正常运行的关键部件，因此，水轮机调速器的检修与维护工作应是水电站管理中的首要任务，针对机组顶盖出现异常振动，结合现场试验，对比前后导叶不同开度下的顶盖振动数据，确定了优化开机规律能有效改善机组顶盖振动幅度，有效规避了值班期间振摆保护动作的报文，提高了振摆保护装置的可靠性，保证水电机组的安全稳定运行。

参考文献

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［2］沈祖诒.水轮机调节：第3版［M］.北京：中国水利水电出版社，1998.

［3］陈华，刘志淼，曹林宁.考虑机组振动的水轮机调速器开机规律优化［J］.中国农村水利水电，2018,60（7）:174-177.

［4］张方求.混流式水轮发电机组产生异常水力振动的原因分析和探讨［J］.广西电力技术，1998,21（2）:43-46.