三峡左岸电厂6F机组小开度工况异常振动原因分析

JOURNALOFHYDROELECTRICENGINEERINGVol.27󰀁No.6Dec.,2008

三峡左岸电厂6F机组小开度工况异常振动原因分析

彭玉成,张克危,陈喜阳,郑莉媛

(华中科技大学能源学院,湖北武汉430074)

摘󰀁要:三峡左岸电厂6F机组在过速试验的关机过程中,出现了强烈的小开度异常振动现象,振动频率为1󰀁359Hz,该频率最为明显的表现为蜗壳内水压的波动。基于现场试验数据和哈尔滨大电机研究所的模型试验,分析了三峡左岸电站6F机组在三次过速试验的关机过程中水轮机运行参数的变化,并得到了三次试验的关机轨迹。根据关机过程中运行参数的变化,排除了负流量导致6F振动的原因,同时详细论述了水锤也不是异常振动的原因。作者认为最有可能的原因是水体共振,并结合现场试验数据和动态CFD数值计算结果进行了讨论。关键词:水力机械;小开度振动;水体共振;过速试验;水锤中图分类号:TK730󰀁1

文献标识码:A

Causeanalysisontheabnormaloscillationofthe6Funitofthe

ThreeGorgesleftbankplantundersmallopeningcondition

PENGYucheng,ZHANGKewei,CHENXiyang,ZHENGLiyuan

(SchoolofEnergyandPowerEngineering,HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan,Hubei󰀁430074)Abstract:Anabnormaloscillationphenomenonhappenedduringtheover󰀂speedtestonthe6#hydro󰀂generatorunitoftheThreeGorgesleftbankhydropowerplant.Theoscillationfrequencyis1󰀁359Hzandischaracterizedbythepressurefluctuationofthespiralcasing.Basedonthefieldtest,togetherwithmodeltestcarriedoutbyHarbinInstituteofLargeElectricalMachinery,thevariationcurvesofhydro󰀂turbineoperationparametersandthetracesofturbineclosingduringtheover󰀂speedtestsareobtained.Accordingtothesecurves,thenegativeflowandthewaterhammerarebelievednottobethecausesleadingtotheoscillation.ThewaterresonanceisbelievedtobethemostpossiblecauseaccordingtothefiledtestresultsandthedynamicCFDresults.

Keywords:hydraulicmachinery;smallopeningoscillation;waterresonance;over󰀂speedtest;waterhammer

0󰀁引言

三峡左岸电厂6F机组在过速试验的关机过程中,出现了强烈的小开度工况异常振动现象(以下简称6F振动)。试验时,安装了华中科技大学水机教研室研制的 HSJ水电机组振动在线监测及性能试验系统!,对振动发生时机组各部位的振动、摆度和水压信号等都有详细的记录,图1为部分信号振动波形的截图。这些信号的傅立叶分析表明,异常振动的频率为1󰀁359Hz。该频率最为明显的体现在蜗壳水压波动上,其波动幅值达37m水柱,超过了试验总水头(69󰀁5m)的一半。其他结构部件的振动,虽然呈现出其他的频率,但其振动仍受到蜗壳水压的控制,如图1中控制环的轴向跳动。另外,在振动时,转轮室、尾水管的水压并未发生明显的波动(见图1中转轮室水压波形),说明活动导叶前后的压力波动规律完全不同。

为了研究振动发生的规律,华中科技大学水机教研室在三峡电站现场总共进行了三次真机试验,这三次试验中采用了的不同的活动导叶关闭规律,其中前两次出现了强烈振动,而第三次没有。这种现象说明异常振动只在特定的工况范围内发生,延长第三段导叶关闭时间,可以避免1󰀁359Hz的振动发生。然而,这种小开度下的振动是非常强烈的,破坏性很大,如果遇到紧急停机的情况,对机组的安全运行是非常不利的。因此有必要对振动原因进行研究分析。

收稿日期:2007󰀂01󰀂18

作者简介:彭玉成(1975󰀂),男,博士.E󰀂mail:fluidstar@smail.hust.edu.cn

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水󰀁力󰀁发󰀁电󰀁学󰀁报2008年

图1󰀁振动波形图Fig.1󰀁Oscillationwavecurves

试验现场没有测量流量的装置,因此ALSTOM公司采用Gibson法估计出流量的变化过程

[2]

[1,2]

,并认为负流量

是机组振动的必要的原因之一。文献[1,3]对负流量的说法提出了质疑。哈尔滨大电机研究所进行了模型试验,他们提出的观点与ALSTOM有所不同,但仍然强调负流量的作用。他们认为引起振动的原因,是水轮机从反水泵工况快速进入零流量,从而发生水锤现象所至[4]。然而本文作者并不认同文献[2,4]的关于负流量和水锤的观点。

本文在上述作者工作的基础上,结合哈尔滨大电机研究所的模型试验(以下简称模型试验),对6F振动的原因进行了分析。

1󰀁关机过程中水轮机运行参数的变化

为了确定发生异常振动的原因,需要更详细地考察关机过程中机组参数随时间的变化。图2、图3和图4中分别给出了第一次、第二次和第三次试验中几个主要参数随时间变化的曲线。需要说明的是,现场试验没有测得流量,因此这三幅图中的流量是根据模型试验的全特性曲线换算出来的,图中其他的量也不是真机的实时监测数据,而是取了实时数据在1秒钟内的平均值。三幅图中都标识出了负流量发生的区间,图2和图3中还标识出了振动发生时的波形。

[5]

图2󰀁第一次过速试验中测量值随时间的变化过程Fig.2󰀁Operationparametercurvesforthefirstover󰀂speedtest

图3󰀁第二次过速试验中测量值随时间的变化过程Fig.3󰀁Operationparametercurvesforthesecondover󰀂speedtest

󰀁󰀁图中各刻度含义:a表示活动导叶开度,刻度单位mm;n表示转轮的转速,刻度单位rpm(revolutionsperminute,转数每分钟);t表示时间,刻度单位s(秒);p表示蜗壳和转轮室内的压力,刻度单位kPa;l表示下机架挠度,刻度单位󰀁m;q表示流量,刻度单位m󰀁s。

图5为哈尔滨大电机研究所给出的模型全特性曲线,为了显示方便,图中仅给出了一部分模型导叶开度下的特性曲线。图中q11表示单位流量,n11表示单位转速,am表示模型开度。图5中(∀)、(#)和(∃)分别表示第一

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第6期彭玉成等:三峡左岸电厂6F机组小开度工况异常振动原因分析

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次、第二次和第三次关机过程的水轮机工况变化的轨迹,其中的箭头表示关机的时间方向。关机轨迹的绘制方法为:%计算真机在关机过程中每一时刻的的单位转速和导叶开度;&将真机导叶开度换算为模型开度,然后根据模型特性曲线的数据插值求得单位流量;∋将单位转速和单位流量所对应的工况点标注在特性曲线图上,连接工况点,就得到了关机过程中水轮机工况变化的轨迹。

图4󰀁第三次过速试验中测量值随时间的变化过程Fig.4󰀁Operationparametercurvesforthethirdover󰀂speedtest

图5󰀁模型全特性曲线和关机轨迹Fig.5󰀁Characteristiccurvesandtheclosingtraces

2󰀁振动原因分析

2󰀁1󰀁负流量

从图2至图4中可以看出,在三次试验中,都出现了负流量,但第一次和第二次振动开始的时候流量已经变为正值,不再是负流量。而第三次试验中也出现了负流量,却没有发生振动。因此,本文作者认为负流量不是引起振动的必要原因。本观点与文献[1,3]是一致的,但结合模型试验,更具说服力。2󰀁2󰀁水锤

本文作者认为水锤也不是振动发生的原因,理由有三点:

%反水泵工况是指,水轮发电机组在运行过程中出现负流量,但转轮的旋转方向仍然与水轮机工况一致。因此,根据真机试验数据来看,上述三次关机过程都出现了反水泵工况,也都有流量由负进入到零流量的过程,但是前两次发生了振动而第三次没有。因此水锤导致振动的说法不可信。

&如果是水锤引发的振动,则振动幅度应该和水击的强度相关。表征水击强度可由水击引起的压力变化󰀂H来衡量,由物理定理可知,管道中由水击产生的压力变化值与流量对时间的变化率成正比,即󰀂H(dQ󰀁dt。根据图2至图4中的流量曲线可以计算出dQ󰀁dt,表1给出三次试验中导叶开始关闭时以及流量由负变正时的流量变化率。

由表1中数据可见,由于在开始时导叶关闭速度较块(见图2~图4中的导叶开度曲线),此时的流量变化率大大高于流量由负变正时的流量变化率,从而水锤引起的压力变化也是开始的时候大于流量由负变正的时候。同时还应该注意到,在表1中,在流量由负变正的时刻,没有发生振动的第三次关机过程中,流量变化率也大于前两次。但是前两次发生了振动,而第三次没有。即使不具体计算流量变化律,从图2~图4中蜗壳压力曲线也可以看出,在导叶开时关闭的时候,蜗壳压力由于水击而明显升高,而在流量由负变正的时刻,蜗壳压力却很平稳。

因此,如果是水锤引发的振动,那么导叶开始关闭时或者第三次试验中流量由负变正时更应该发生振动,然而事实并非如此。

)图2和图3中给出的蜗壳压力变化的波形也不支持水击的观点。如果振动是由水锤引起的,则由于水锤是一个突然的冲击,其引起的振动必然是突然发生的,然后振幅逐渐衰减。其波形图应该如图6(a)所示。这是一个有阻尼的自由振动过程。而实际上,实测的蜗壳水压的波形(参见图2和图3)却如图6(c)中所示,其振幅先是逐渐增大,然后逐渐减小。

开始关闭流量变正

表1󰀁流量变化率dQ󰀁dtTable1󰀁Dischargechangerate

第一次77󰀁5828󰀁485

第二次58󰀁51115󰀁84

第三次96󰀁36417󰀁40

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水󰀁力󰀁发󰀁电󰀁学󰀁报2008年

图6󰀁不同的振动波形

Fig.6󰀁Differentkindsofoscillationwaves

图7󰀁机组构成示意图

Fig.7󰀁Schematicviewofthehydro󰀂generatorunit

2󰀁3󰀁水体共振

综合各种测量数据和观察现象,本文作者认为引发小开度剧烈振动的根本原因,以水体共振的可能性最大。因为振动发生时导叶开度非常小,活动导叶前后的水体的连系是相当微弱的。所以可以认为活动导叶将系统分成两个部分,引水管路和蜗壳中的水体是一个对象,转轮和尾水管中的水体是另一个对象,见图7。试验中

测得蜗壳压力与转轮室的压力波动规律完全不同,说明这样的划分是合理的。因为压力波动发生在蜗壳里,所以活动导叶之前的水体是振动体。与此相对,活动导叶之后的水体是激振源。振动体与激振源相互作用,如果激振力的频率与振动体的某一阶固有频率相等,则会产生共振现象。

振动体由压力钢管和蜗壳内的水体组成,其末端为导叶的开口。显然,导叶开口不同,振动体的固有频率也会有所不同。激振源的频率与工况有关,也就是说与导叶开度和转速有关。在关机过程中,导叶开度和转速都是不断变化的,因此振动体的固有频率和激振源的干扰频率也都是变化的。如果某种导叶关闭规律使得二者的频率在某一时刻达到相等或非常接近,就可能引起共振现象。异常振动现象只是发生在特定的开度与转速下,是因为只有在这个特定的条件下二者的频率才正好相等。

有两个现象直接支持水体共振的观点。

%振动发生时,蜗壳水压波动非常剧烈,其1󰀁359Hz的低频振动的幅值达37m水柱,超过工作水头的一半。这个现象,只能用引水系统水体的强烈振动来解释,也只有共振现象才能够使水体产生如此强烈的振动。

&当一个物体在一个频率与其固有频率相同的激振力的作用下发生振动时,其波形应该如图6(b)所示,振幅是随时间逐渐增大的。文献[4]正是基于这一点而否认了水体共振。但是正如前文所述,导叶在关闭过程中,振动体的固有频率和激振源的干扰频率是变化的,在一定的工况范围或者说某一时间段内,它们的频率相近或相等,从而引发共振,但在这之前和之后,它们的频率并不相等,因此就不会发生共振,其振动波形应该如图6(c)所示。显然,图2和图3所示蜗壳水压的振幅首先逐渐增大然后减小正好与该特征相吻合。

为了证明6F振动的原因就是水体共振,需要证明两点:其一,存在着一个频率与1󰀁359Hz相等的激振力;其二,振动体的固有频率为1󰀁359Hz。本期刊出的作者撰写的∗三峡左岸电厂6F机组小开度工况异常振动动态数值解析+一文采用STAR󰀂CD解算器对包括蜗壳、固定导叶、活动导叶、转轮和尾水管在内的计算域进行了动态CFD分析。其中,没有考虑水锤因素,计算域也不包括引水管路,工作介质是不可压缩的,流量取正值。基于这种计算设置,得到的结论是,在所计算的小开度工况下,计算域内部确实存在明显的频率为1󰀁359Hz的压力脉动。该结论从CFD理论计算的角度说明负流量和水锤不是6F振动的原因,但证明了水体共振的第一个条件。本文作者认为,第一个条件的成立,恰好从逻辑上说明第二个条件也应该是成立的。

3󰀁结论

本文基于现场试验数据和哈尔滨大电机研究所的模型试验,分析了三峡左岸电站6F机组在三次过速试验的关机过程中水轮机运行参数的变化,并得到了三次试验的关机轨迹。根据关机过程中运行参数的变化,排除了负

(下转至第31页)

第6期唐子田等:动态规划和粒子群算法在水电站厂内经济运行中的应用比较研究

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在厂内经济运行方面显示出巨大优越性,研究PSO算法显得非常有必要。

3󰀁总结

(1)考虑到动态规划经过很长的发展历史,是一种经典、成熟的优化方法,在水电站厂内经济运行的实现中通过合理的选取出力步长及在当前计算机强大计算性能的支持下,动态规划仍不失为一种较好的选择;但是当电站装机较多,机组容量、电厂容量较大的情况下,计算工作量将相当大,一定条件下甚至达到难以实用的程度,利用动态规划求解水电站厂内经济运行将面临∗维数灾+和计算实时性问题,迫切需要研究更加有效的计算方法与模型。

(2)粒子群算法作为一种新型的基于群体智能计算技术的优化方法,在解决经典优化算法难以求解的非线性病态优化问题和组合优化问题时显示出强大的优势,在水电站厂内经济运行的应用中,能够弥补动态规划的诸多不足。实际应用情况表明,粒子群算法合理、高效,能够代替动态规划,是求解装机规模庞大的巨型水电站厂内经济运行问题的有效方法。参考文献:

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(上接第156页)

流量导致6F振动的原因,同时详细论述了水锤也不是异常振动的原因。作者认为最有可能的原因是水体共振,并结合现场试验数据和动态CFD数值计算结果进行了讨论。参考文献:

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