/中國水利水電科學(xué)研究院機(jī)電所 唐 澍 潘羅平/

三峽工程促進(jìn)原型水輪機(jī)運(yùn)行測試技術(shù)的進(jìn)步

/中國水利水電科學(xué)研究院機(jī)電所 唐 澍 潘羅平/

本文概述了原型水輪機(jī)運(yùn)行測試的目的意義、主要內(nèi)容及其技術(shù)發(fā)展，回顧和總結(jié)了三峽原型水輪機(jī)運(yùn)行測試歷次試驗(yàn)所開展的試驗(yàn)項(xiàng)目和試驗(yàn)內(nèi)容，以及主要試驗(yàn)結(jié)果，最后總結(jié)了三峽原型水輪機(jī)運(yùn)行測試的成果應(yīng)用和推廣價(jià)值。

三峽工程；原型水輪機(jī)；運(yùn)行測試；技術(shù)進(jìn)步

0　引言

原型水輪機(jī)運(yùn)行測試技術(shù)研究是現(xiàn)代水輪機(jī)技術(shù)研究的三大方法之一。目前，水輪機(jī)數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)這兩種研究方法還不足以準(zhǔn)確預(yù)測或由模型推斷原型的各種運(yùn)行表象。原型水輪機(jī)運(yùn)行測試是指通過各種現(xiàn)場試驗(yàn)，了解和掌握水輪機(jī)運(yùn)行性能和特點(diǎn)，為機(jī)組安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供可靠依據(jù)，有效指導(dǎo)電站機(jī)組運(yùn)行生產(chǎn)。原型水輪機(jī)運(yùn)行條件真實(shí)，水的各種特性包括水中泥沙特性，不同運(yùn)行工況的各種異?，F(xiàn)象如空化、磨損，以及電網(wǎng)對(duì)水電機(jī)組的運(yùn)行要求等，與電力生產(chǎn)關(guān)系更加密切，其研究成果可直接應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐［1］。

通過開展水輪機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)準(zhǔn)確了解和掌握水輪機(jī)水力和機(jī)械等方面的工作特性，合理整定各種工作參數(shù)，為安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供最可靠的資料，有效地指導(dǎo)電站生產(chǎn)。同時(shí)也是檢驗(yàn)水輪機(jī)理論、計(jì)算方法、原模型相似規(guī)律，鑒定制造質(zhì)量和安裝質(zhì)量的最好手段和可靠依據(jù)。

規(guī)?？涨暗娜龒{原型水輪機(jī)試驗(yàn)研究，很好地回答了行業(yè)各方所密切關(guān)注的主要問題，試驗(yàn)結(jié)果客觀反映了機(jī)組的真實(shí)特性，有效應(yīng)用于指導(dǎo)電廠、電網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度，較好地解決了機(jī)組安全穩(wěn)定與高效運(yùn)行之間的矛盾，為行業(yè)其他工程開展現(xiàn)場測試提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)，極大地推動(dòng)了行業(yè)測試技術(shù)的進(jìn)步。

1　原型水輪機(jī)運(yùn)行測試綜述

原型水輪機(jī)運(yùn)行測試的內(nèi)容較多，概括起來大致可分為四類：能量特性試驗(yàn)、運(yùn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)、關(guān)鍵部件的力特性試驗(yàn)，以及過流部件的空蝕磨損檢測。

原型水輪機(jī)運(yùn)行測試早期主要以百分表監(jiān)測振動(dòng)，彈簧式壓力表監(jiān)測各種壓力的目測系統(tǒng)為主，測試精度較差，人工數(shù)據(jù)分析工作量，測試項(xiàng)目和內(nèi)容單一。20世紀(jì)90年代后，電測技術(shù)得到了較為廣泛地應(yīng)用，為原型水輪機(jī)運(yùn)行測試提供了更多更有效的測試和分析手段，但同時(shí)也對(duì)測試單位和人員提出了更高要求。測試單位和人員是否合格，是否具有相關(guān)的測試設(shè)備和測試經(jīng)驗(yàn)，是否具備測試結(jié)果的分析能力都將影響測試結(jié)果的真實(shí)性、可靠性和可應(yīng)用性。三峽試驗(yàn)以前，國內(nèi)某些測試單位在傳感器選用和標(biāo)定，測點(diǎn)布置和傳感器安裝，信號(hào)處理和結(jié)果分析等方面還存在某些不足，致使一些測試結(jié)果不能完全反應(yīng)機(jī)組的真實(shí)運(yùn)行特性。

2　三峽原型水輪機(jī)運(yùn)行測試的主要內(nèi)容

三峽工程及其水電機(jī)組是國內(nèi)外水電行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)，三峽水輪機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定性，始終是各方重點(diǎn)關(guān)注的課題。水輪機(jī)能否在正常運(yùn)行范圍內(nèi)安全穩(wěn)定運(yùn)行，各廠家的安全保證值是否可信等疑問，都需要通過現(xiàn)場試驗(yàn)才能得到具有說服力的答案。因此，三峽電站原型水輪機(jī)運(yùn)行測試內(nèi)容，在考慮一般水電機(jī)組現(xiàn)場試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)三峽工程的特點(diǎn)，提出了試驗(yàn)機(jī)組更多、試驗(yàn)項(xiàng)目更全面、測點(diǎn)布置更完備的試驗(yàn)要求。

三峽原型水輪機(jī)試驗(yàn)研究內(nèi)容主要包括：出力和效率試驗(yàn)、壓力脈動(dòng)試驗(yàn)、振動(dòng)擺度試驗(yàn)、機(jī)架撓度和軸向水推力測定、噪聲測試、機(jī)組過速試驗(yàn)、甩負(fù)荷試驗(yàn)、自然補(bǔ)氣和強(qiáng)迫補(bǔ)氣試驗(yàn)、廠房振動(dòng)試驗(yàn)、主軸扭矩試驗(yàn)、固定導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片固有頻率測試及動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)，以及一些特殊性能改進(jìn)試驗(yàn)，如機(jī)組過速停機(jī)過程異常振動(dòng)原因分析及改進(jìn)措施驗(yàn)證試驗(yàn)、導(dǎo)流板撕裂原因分析及加固修復(fù)前后比對(duì)試驗(yàn)、卡門渦共振原因分析及葉片修型前后比對(duì)試驗(yàn)等。

2.1機(jī)組啟動(dòng)調(diào)試試驗(yàn)

在每臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)調(diào)試階段，完成了三峽電站每臺(tái)機(jī)組啟動(dòng)調(diào)試過程的穩(wěn)定性和能量特性試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括點(diǎn)動(dòng)開機(jī)、手動(dòng)開機(jī)、自動(dòng)開機(jī)、變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、升勵(lì)磁試驗(yàn)、變負(fù)荷試驗(yàn)、過速試驗(yàn)、甩負(fù)荷試驗(yàn)、低油壓停機(jī)試驗(yàn)等。通過試驗(yàn)掌握了每臺(tái)新機(jī)組的啟動(dòng)運(yùn)行特性，獲得了機(jī)組啟動(dòng)運(yùn)行的第一手資料，包括新機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域和機(jī)組振動(dòng)區(qū)范圍、振動(dòng)特性等，為分析機(jī)組的穩(wěn)定性狀況及合理劃分機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)域提供了依據(jù)。同時(shí)，在啟動(dòng)試運(yùn)行階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組可能存在的問題，為提出相應(yīng)的解決措施提供科學(xué)的決策依據(jù)，縮短處理問題的時(shí)間和新機(jī)組啟動(dòng)調(diào)試工期。

2.2不同機(jī)型的運(yùn)行穩(wěn)定性和能量特性試驗(yàn)

三峽電站共32臺(tái)機(jī)組，分別由VGS、ALSTOM、東電、天阿、哈電5家制造廠設(shè)計(jì)制造。自2003年首臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)以來，三峽工程共經(jīng)歷了2003年圍堰發(fā)電期139m蓄水、2006年和2007年汛末156m蓄水、2008年汛末的172m試驗(yàn)性蓄水、2010年汛末的175m試驗(yàn)性蓄水、2011年和2012年汛末的175m蓄水共5次蓄水過程，歷時(shí)10年，共完成了三峽左右岸電站5種不同機(jī)型、地下電站3種不同機(jī)型在不同運(yùn)行水頭下的機(jī)組穩(wěn)定性和能量性能試驗(yàn)，包括水輪機(jī)出力和效率試驗(yàn)、機(jī)組振動(dòng)、擺度和壓力脈動(dòng)試驗(yàn)、噪聲試驗(yàn)、補(bǔ)氣試驗(yàn)、頂蓋和下機(jī)架撓度和軸向水推力試驗(yàn)，以及148m水位下的主軸扭矩試驗(yàn)等。為掌握三峽電站機(jī)組在不同水位下的特性和運(yùn)行規(guī)律、確定機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行范圍，三峽集團(tuán)公司在5次蓄水過程中均精心編制預(yù)案和試驗(yàn)方案、科學(xué)合理安排和周密組織實(shí)施，確保了機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，確保了試驗(yàn)的圓滿成功。

左岸電站6F（左岸ALSTOM/KE）和8F（左岸VGS）兩種機(jī)型的各項(xiàng)試驗(yàn)從水庫水位135m開始，每上升約1m（部分水位上升0.5m）進(jìn)行一次測試，至最高水位175m，共完成46個(gè)水位的試驗(yàn)，試驗(yàn)毛水頭為69.7～110m。右岸電站16F（右岸東電）、21F（右岸ALSTOM）、26F（右岸哈電）三種機(jī)型的各項(xiàng)試驗(yàn)從水庫水位145m開始，每上升約1m（部分水位上升0.5m）進(jìn)行一次測試，至最高水位175m，共完成35個(gè)水位的試驗(yàn)，試驗(yàn)毛水頭為77.8～110m。在隨后的2011年和2012年的兩次175m蓄水過程中，完成了地下電站28F（東電）、30F（ALSTOM）、31F（哈電）三種機(jī)型，水庫水位145～175m的各項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)毛水頭為78～110m。

2.3首批機(jī)組投運(yùn)初期能量性能、穩(wěn)定性及轉(zhuǎn)輪動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)

三峽電站水輪發(fā)電機(jī)組是目前世界上最大的水電機(jī)組之一，其運(yùn)行穩(wěn)定性一直是業(yè)主、設(shè)計(jì)、科研及制造單位極為關(guān)注的焦點(diǎn)問題。三峽左岸電站首批水輪發(fā)電機(jī)組于2003年8月投入電網(wǎng)運(yùn)行，為了全面了解和掌握三峽左岸水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行性能和穩(wěn)定性狀況，2003年9月～2003年10月，對(duì)三峽左岸電站首批水輪發(fā)電機(jī)組中3F（VGS）和6F（ALSTOM/KE）進(jìn)行了全面的機(jī)組穩(wěn)定性、水輪機(jī)能量性能和轉(zhuǎn)輪動(dòng)應(yīng)力現(xiàn)場試驗(yàn)。3F各項(xiàng)試驗(yàn)于2003年10月24日進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)水庫上游水位約為135.6m，下游水位約為66m，試驗(yàn)平均凈水頭為69.31m，相應(yīng)水輪機(jī)吸出高度Hs為-9m。6F各項(xiàng)試驗(yàn)于2003年10月4進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)水庫上游水位約為135m，下游水位約為66m，試驗(yàn)平均凈水頭為68.63m，相應(yīng)水輪機(jī)吸出高度Hs為-9m。

試驗(yàn)工況包括自然補(bǔ)氣條件下機(jī)組開、停機(jī)試驗(yàn)、變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、變勵(lì)磁試驗(yàn)、變負(fù)荷試驗(yàn)、機(jī)組甩負(fù)荷試驗(yàn)、強(qiáng)迫補(bǔ)氣試驗(yàn)等。機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)測點(diǎn)包括上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)擺度；上機(jī)架、推力機(jī)架、頂蓋、定子鐵心水平和垂直振動(dòng)；發(fā)電機(jī)樓板垂直振動(dòng)、風(fēng)洞外墻、廠房上游、下游墻水平振動(dòng)；蝸殼進(jìn)口、無葉區(qū)、頂蓋和尾水管壓力脈動(dòng)；水車室、蝸殼進(jìn)人門、尾水進(jìn)人門發(fā)電機(jī)層處的噪聲；頂蓋、下機(jī)架撓度（以此計(jì)算軸向水推力）；主軸扭矩等測點(diǎn)。水輪機(jī)能量性能試驗(yàn)測點(diǎn)包括水輪機(jī)靜水頭、蝸殼差壓（計(jì)算流量）、機(jī)組有功功率（計(jì)算水輪機(jī)出力）、機(jī)組無功功率、轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉接力器行程、蝸殼進(jìn)口壓力（計(jì)算引水管路損失）等。轉(zhuǎn)輪葉片應(yīng)力試驗(yàn)共測試了3個(gè)葉片，其中1#和3#每一葉片布置單軸應(yīng)變10個(gè)，其中1個(gè)為半導(dǎo)體應(yīng)變片，45。應(yīng)變花4個(gè)，正背面各布置2個(gè)。2#葉片布置單軸應(yīng)變14個(gè)，正背面各布置7個(gè)，其中1個(gè)為半導(dǎo)體應(yīng)變片。

2.4空蝕磨損及過機(jī)泥沙觀測

三峽電站自投運(yùn)以來，每臺(tái)機(jī)組水輪機(jī)過流部件都進(jìn)行了定期檢查，及時(shí)了解過流部件運(yùn)行中發(fā)生的空蝕磨損問題。同時(shí)，選取1號(hào)、4號(hào)、14號(hào)、15號(hào)、24號(hào)和26號(hào)共6臺(tái)機(jī)組進(jìn)行了水輪機(jī)過機(jī)泥沙監(jiān)測。每臺(tái)機(jī)組選擇壩前（YZL01斷面三峽大壩上游約130m處）、渦殼進(jìn)人門和尾水錐管進(jìn)人門處3個(gè)取樣點(diǎn)。監(jiān)測項(xiàng)目包括懸移質(zhì)含沙量、懸移質(zhì)顆粒級(jí)配（中值粒徑、平均粒徑、最大粒徑）、溶解氧、電導(dǎo)率、pH值、濁度、水溫、總硬度、總堿度、懸浮物及礦化度［2］。分別選擇在30000、40000、 50000m3/s流量級(jí)（洪峰后2～4d或相應(yīng)沙峰附近）時(shí)連續(xù)取樣3d，每天取樣1次。

3　三峽原型水輪機(jī)運(yùn)行測試的主要成果

3.1出力和效率

試驗(yàn)結(jié)果表明，5種機(jī)型水輪機(jī)實(shí)測出力均超過了合同保證值，且有一定裕量。從5種機(jī)型水輪機(jī)相對(duì)效率試驗(yàn)曲線看：

1）原型機(jī)實(shí)測效率曲線與模型機(jī)換算效率曲線變化趨勢(shì)基本一致，原型最優(yōu)效率點(diǎn)的位置與模型換算基本吻合。

2）水輪機(jī)出力隨著導(dǎo)葉開度增大而增加，至試驗(yàn)最大導(dǎo)葉開度，出力均未下降。

3）70%預(yù)想出力至試驗(yàn)最大出力，5種機(jī)型水輪機(jī)均有較高的水輪機(jī)效率，5種機(jī)型的水輪機(jī)效率均達(dá)到了現(xiàn)代水輪機(jī)技術(shù)的最高水平。

3.2運(yùn)行穩(wěn)定性

（1）實(shí)測壓力脈動(dòng)與模型試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

原型機(jī)實(shí)測壓力脈動(dòng)曲線與模型試驗(yàn)曲線變化趨勢(shì)基本一致，小負(fù)荷區(qū)真機(jī)實(shí)測壓力脈動(dòng)幅值比模型試驗(yàn)結(jié)果略大，在大負(fù)荷區(qū)真機(jī)實(shí)測壓力脈動(dòng)與模型試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，如圖1所示。在模型驗(yàn)收階段，曾發(fā)現(xiàn)左岸2種水力模型在高部分負(fù)荷區(qū)出現(xiàn)壓力脈動(dòng)突然陡升的現(xiàn)象，在原型水輪機(jī)試驗(yàn)過程中，對(duì)此予以特別的關(guān)注，通過現(xiàn)場試驗(yàn)分析和直觀感覺，均未發(fā)現(xiàn)高部分負(fù)荷區(qū)壓力脈動(dòng)突然升高的突變現(xiàn)象，模型中出現(xiàn)的所謂“特殊壓力脈動(dòng)帶”在原型機(jī)試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)。其原因可能是真機(jī)運(yùn)行的下游水位（65～68m）要高于模型試驗(yàn)時(shí)給定的下游水位62m，并且真機(jī)運(yùn)行時(shí)主軸中心孔處于自然補(bǔ)氣狀態(tài)。

（2）5種機(jī)型壓力脈動(dòng)對(duì)比

5種機(jī)型的壓力脈動(dòng)隨負(fù)荷變化趨勢(shì)基本一致，壓力脈動(dòng)幅值在小負(fù)荷區(qū)和渦帶區(qū)相對(duì)較大，大負(fù)荷區(qū)相對(duì)較小。總體上看，5種機(jī)型壓力脈動(dòng)水平基本相當(dāng)，在70%～100%出力范圍，未發(fā)現(xiàn)水力共振、卡門渦共振和異常壓力脈動(dòng)，壓力脈動(dòng)相對(duì)混頻幅值基本滿足合同保證值。在70%～100%出力范圍，右岸電站水輪機(jī)總體上略優(yōu)于左岸電站水輪機(jī)。

（3）5種機(jī)型振動(dòng)和擺度對(duì)比

5種機(jī)型的振動(dòng)和擺度隨負(fù)荷變化趨勢(shì)基本一致?？傮w上看，5種機(jī)型的主軸擺度和機(jī)組振動(dòng)水平基本相當(dāng)，在70%～100%出力范圍，未發(fā)現(xiàn)異常振動(dòng)現(xiàn)象，主軸擺度和機(jī)組振動(dòng)基本滿足合同保證值或有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)允許值的要求。

圖1　=145.5m 和175m 26F尾水壓力脈動(dòng)原型機(jī)與模型機(jī)對(duì)比曲線

（4）5種機(jī)型穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)

根據(jù)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的允許值和蓄水過程中機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)，綜合考慮壓力脈動(dòng)、振動(dòng)、擺度和水輪機(jī)效率等試驗(yàn)結(jié)果，建議機(jī)組在全水頭、全負(fù)荷范圍內(nèi)劃分成以下四個(gè)運(yùn)行區(qū)：空載運(yùn)行區(qū)（僅限機(jī)組調(diào)試運(yùn)行）、穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)（可以連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行）、限制運(yùn)行區(qū)（允許限時(shí)運(yùn)行）、禁止運(yùn)行區(qū)（不宜運(yùn)行）。

3.3轉(zhuǎn)輪動(dòng)應(yīng)力

3F（左岸VGS）實(shí)測葉片最大靜態(tài)拉應(yīng)力為115MPa，發(fā)生在機(jī)組空載工況，靠近上冠葉片出水邊處的背面。實(shí)測葉片最大靜態(tài)壓應(yīng)力為89MPa，發(fā)生在機(jī)組滿負(fù)荷工況，靠近上冠葉片出水邊處的背面。

實(shí)測葉片動(dòng)應(yīng)力總體趨勢(shì)是隨負(fù)荷的升高而降低，在小負(fù)荷區(qū)和部分負(fù)荷區(qū)（空載～350MW）相對(duì)較大，實(shí)測葉片最大動(dòng)應(yīng)力為38MPa，發(fā)生在機(jī)組空載工況，靠近上冠葉片出水邊處的背面。在70%～100%預(yù)想出力負(fù)荷范圍內(nèi)，實(shí)測葉片最大動(dòng)應(yīng)力為13MPa，發(fā)生在滿負(fù)荷工況，上冠及下環(huán)與葉片交接處的背面。在小負(fù)荷區(qū)（空載～250MW），脈動(dòng)頻率主要集中在轉(zhuǎn)頻附近及20～30Hz之間，脈動(dòng)頻率較雜。在部分負(fù)荷區(qū)（250～400MW）脈動(dòng)頻率主要以渦帶頻率（約0.9Hz）和導(dǎo)葉過流頻率（24fn=30Hz）為主，在70%～100%預(yù)想出力負(fù)荷范圍內(nèi)，脈動(dòng)頻率主要包括導(dǎo)葉過流頻率（24fn=30Hz）及轉(zhuǎn)頻（1.25Hz）。

6F（左岸ALSTOM/KE）的試驗(yàn)結(jié)果與3F基本相當(dāng)。實(shí)測葉片最大靜態(tài)拉應(yīng)力為92MPa，發(fā)生在機(jī)組滿負(fù)荷工況，靠近上冠處葉片出水邊附近的正面。實(shí)測葉片最大靜態(tài)壓應(yīng)力為113MPa，發(fā)生在機(jī)組負(fù)荷54.7MW工況，靠近下環(huán)葉片出水邊處的正面。動(dòng)應(yīng)力變化趨勢(shì)與3F基本一致，在小負(fù)荷區(qū)和部分負(fù)荷區(qū)（空載～350MW）相對(duì)較大，實(shí)測葉片最大動(dòng)應(yīng)力為31.5MPa，發(fā)生在機(jī)組100～150MW負(fù)荷范圍內(nèi)，靠近上冠葉片出水邊處的背面。在70%～100%預(yù)想出力負(fù)荷范圍內(nèi)，實(shí)測葉片最大動(dòng)應(yīng)力為9MPa，發(fā)生在滿負(fù)荷工況，下環(huán)與葉片交接處的背面。動(dòng)應(yīng)力脈動(dòng)頻率與3F一致，主頻為轉(zhuǎn)頻、尾水管渦帶頻率和導(dǎo)葉過流頻率。圖2為6F（左岸ALSTOM/KE）實(shí)測轉(zhuǎn)輪葉片動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果。

3.4過速停機(jī)過程中異常振動(dòng)測試分析

三峽電站左岸ALSTOM機(jī)組、右岸哈電機(jī)組在啟動(dòng)調(diào)試過程的過速停機(jī)中，當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉到接近4%開度和轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速附近時(shí)，機(jī)組頂蓋、控制環(huán)、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)拐臂等部件產(chǎn)生較劇烈的機(jī)械振動(dòng)，并且噪聲較大。針對(duì)上述情況，開展了異常振動(dòng)專項(xiàng)試驗(yàn)研究，通過優(yōu)化導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，避免了上述情況下的異常振動(dòng)，見圖3和圖4。

圖 2 葉片與上冠連接部位葉片背面動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果

圖3　導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化前異常振動(dòng)測試結(jié)果

圖4　導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化后異常振動(dòng)測試結(jié)果

3.5轉(zhuǎn)輪葉片修型前后（卡門渦共振）測試分析

三峽22號(hào)、26號(hào)機(jī)在啟動(dòng)調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)，機(jī)組在300～550MW負(fù)荷范圍內(nèi)出現(xiàn)頻率330Hz左右的高頻嘯叫聲，在650～700MW負(fù)荷范圍出現(xiàn)頻率445Hz左右的高頻嘯叫聲。 對(duì)此開展了專項(xiàng)試驗(yàn)研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析確定為轉(zhuǎn)輪葉片卡門渦共振引起高頻振動(dòng)和噪聲，提出了轉(zhuǎn)輪葉片修型方案，經(jīng)現(xiàn)場處理后，高頻振動(dòng)和噪聲消失。

4　試驗(yàn)成果的應(yīng)用和推廣價(jià)值

4.1試驗(yàn)成果的可靠性

三峽原型水輪機(jī)現(xiàn)場試驗(yàn)委托中國水利水電科學(xué)研究院水力機(jī)電研究所和華中科技大學(xué)能源學(xué)院兩個(gè)具有較強(qiáng)測試能力和良好信譽(yù)的試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)開展現(xiàn)場測試工作，每臺(tái)機(jī)組均采用相同的測試手段和儀器裝備進(jìn)行試驗(yàn)。兩個(gè)不同的試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)程規(guī)范進(jìn)行，包括試驗(yàn)測點(diǎn)的位置、試驗(yàn)儀器設(shè)備的要求，以及數(shù)據(jù)分析方法等。比如，壓力脈動(dòng)測點(diǎn)采用現(xiàn)場打孔安裝傳感器，確保原模型的一致性，避免因引出水管引起的壓力脈動(dòng)衰減等問題，便于原模型對(duì)比分析，確保試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)、可信。在現(xiàn)場測試期間，在不同的試驗(yàn)過程中（啟動(dòng)試驗(yàn)、升水位試驗(yàn)、性能驗(yàn)收試驗(yàn)），得出的試驗(yàn)結(jié)果比較吻合，證實(shí)試驗(yàn)方法正確，試驗(yàn)結(jié)果公正、客觀、可信。

4.2試驗(yàn)成果的應(yīng)用價(jià)值

（1）試驗(yàn)結(jié)果客觀反映機(jī)組真實(shí)特性快速準(zhǔn)確掌握機(jī)組運(yùn)行狀況

三峽原型水輪機(jī)試驗(yàn)內(nèi)容全面，試驗(yàn)規(guī)?？涨?，是有史以來測點(diǎn)數(shù)目最多，試驗(yàn)項(xiàng)目和測試工況最全面的原型水輪機(jī)試驗(yàn)研究。投入試驗(yàn)的儀器設(shè)備先進(jìn)，水下測試技術(shù)、無線傳輸技術(shù)等多項(xiàng)現(xiàn)代化測試技術(shù)得到應(yīng)用。實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)分析技術(shù)，在三峽原型水輪機(jī)試驗(yàn)中得到應(yīng)用，可實(shí)時(shí)地為現(xiàn)場安裝調(diào)試提供可靠、準(zhǔn)確的機(jī)組運(yùn)行狀況，確保機(jī)組安裝調(diào)試順利進(jìn)行。

規(guī)模空前的三峽原型水輪機(jī)試驗(yàn)研究，很好地回答了行業(yè)各方所密切關(guān)注的主要問題，試驗(yàn)結(jié)果客觀反映了機(jī)組的真實(shí)特性，有效應(yīng)用于指導(dǎo)電廠、電網(wǎng)的運(yùn)行調(diào)度，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（2）有效縮短處理問題的時(shí)間和新機(jī)組啟動(dòng)調(diào)試工期

1）三峽電站在每臺(tái)機(jī)組調(diào)試階段，通過有效的動(dòng)平衡配重試驗(yàn)，很好地解決了因機(jī)械不平衡引起的機(jī)組振動(dòng)問題。

2）原型水輪機(jī)試驗(yàn)研究，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)組可能存在的問題，并為提出相應(yīng)的解決措施提供科學(xué)的決策依據(jù)，有效縮短處理問題的時(shí)間和新機(jī)組啟動(dòng)調(diào)試工期。

（3）規(guī)范運(yùn)行分區(qū)確保運(yùn)行安全穩(wěn)定

基于現(xiàn)場真實(shí)可信的試驗(yàn)結(jié)果，綜合現(xiàn)行的運(yùn)行規(guī)程規(guī)范以及現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行反饋，制定了三峽機(jī)組運(yùn)行分區(qū)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，首次提出了三峽機(jī)組分區(qū)運(yùn)行，確保了機(jī)組高效、穩(wěn)定運(yùn)行。

1）穩(wěn)定運(yùn)行區(qū)（綠色區(qū)域）

本區(qū)是機(jī)組在全部負(fù)荷范圍內(nèi)壓力脈動(dòng)和振動(dòng)最小的區(qū)域。從真機(jī)試驗(yàn)看機(jī)組在此區(qū)內(nèi)運(yùn)行時(shí)最為平穩(wěn)，沒有水力共振、卡門渦共振和異常振動(dòng)現(xiàn)象，壓力脈動(dòng)小于4%，機(jī)組振動(dòng)幅值滿足運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的允許值。該區(qū)內(nèi)水輪機(jī)的水力條件最為良好，機(jī)組在此區(qū)內(nèi)運(yùn)行時(shí)，不僅能滿足安全穩(wěn)定運(yùn)行，而且能獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

2）限制運(yùn)行區(qū)（黃色區(qū)域）

該區(qū)域沒有水力共振、卡門渦共振和異常振動(dòng)現(xiàn)象，壓力脈動(dòng)在4%～6%之間，部分測點(diǎn)的機(jī)組振動(dòng)幅值略超過運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的允許值。由于該區(qū)域的脈動(dòng)和振動(dòng)主頻為頻率較低的尾水管渦帶頻率。從材料疲勞角度看，低頻較高頻較有利于延緩疲勞裂紋的產(chǎn)生。因此建議將該區(qū)列為限制運(yùn)行區(qū)，允許機(jī)組短時(shí)間內(nèi)運(yùn)行。

3）禁止運(yùn)行區(qū)（紅色區(qū)域）

該區(qū)是水輪機(jī)效率最低、轉(zhuǎn)輪水力條件最差的區(qū)域。該區(qū)域壓力脈動(dòng)基本都超過了6%，多數(shù)測點(diǎn)的振動(dòng)幅值也超過了運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的允許值，而且頻率較為復(fù)雜，主頻不突出，大部分頻率高于轉(zhuǎn)頻。在轉(zhuǎn)輪區(qū)，將發(fā)生各種進(jìn)口水流的撞擊、脫流與產(chǎn)生葉道渦等各種不良水力現(xiàn)象。由于壓力脈動(dòng)和振動(dòng)大，動(dòng)應(yīng)力也必然較大，機(jī)組長期在此區(qū)域內(nèi)運(yùn)行，將易于引起疲勞而縮短壽命，故建議將其列為不宜運(yùn)行區(qū)。

4.3試驗(yàn)成果的推廣價(jià)值

三峽原型水輪機(jī)試驗(yàn)內(nèi)容全面，一些現(xiàn)代化測試手段得到了應(yīng)用。試驗(yàn)過程中嚴(yán)格按照規(guī)程規(guī)范進(jìn)行，測試方法和數(shù)據(jù)分析方法進(jìn)一步規(guī)范。試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可信，評(píng)價(jià)方法更加科學(xué)，有效指導(dǎo)電廠運(yùn)行。

（1）三峽試驗(yàn)進(jìn)一步規(guī)范了測試方法和數(shù)據(jù)分析方法

三峽試驗(yàn)之前，由于現(xiàn)場條件等原因，各測試單位在測點(diǎn)布置、傳感器安裝位置等方面均存在一定的隨意性，另外各測試單位的數(shù)據(jù)處理分析方法也各不相同，使得測試結(jié)果存在一定的差異，不具備可比性。三峽試驗(yàn)兩個(gè)不同的試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)，嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)程規(guī)范進(jìn)行，規(guī)范了測點(diǎn)位置、傳感器選用原則、數(shù)據(jù)處理分析方法。三峽試驗(yàn)之后，水電行業(yè)現(xiàn)場測試方法和數(shù)據(jù)分析方法已基本統(tǒng)一，并已在新修訂的相關(guān)測試規(guī)程中得到反映。

（2）水電機(jī)組分區(qū)運(yùn)行的概念已被行業(yè)普遍接受

三峽機(jī)組根據(jù)大量的現(xiàn)場試驗(yàn)研究，以及現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行反饋，制定了三峽機(jī)組運(yùn)行分區(qū)評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，首次提出了三峽機(jī)組分區(qū)運(yùn)行，確保了機(jī)組高效、穩(wěn)定運(yùn)行。目前，水電機(jī)組分區(qū)運(yùn)行的概念已被行業(yè)普遍接受，對(duì)推動(dòng)行業(yè)技術(shù)進(jìn)步發(fā)揮了重要作用。

（3）三峽機(jī)組調(diào)試和運(yùn)行中的異常處理為其他工程積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)

三峽機(jī)組在啟動(dòng)調(diào)試和運(yùn)行中，曾出現(xiàn)過的異常狀況，都開展了專項(xiàng)試驗(yàn)研究，經(jīng)分析判斷找準(zhǔn)了原因，提出了相應(yīng)的處理方法，并經(jīng)過了現(xiàn)場驗(yàn)證，取得了寶貴的現(xiàn)場分析和處理經(jīng)驗(yàn)。

4.4極大推動(dòng)了行業(yè)測試技術(shù)的進(jìn)步

（1）測試技術(shù)的進(jìn)步

原型水輪機(jī)原有的某些測試技術(shù)來源于高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械，對(duì)于低速旋轉(zhuǎn)的水電機(jī)組并不適合。三峽試驗(yàn)開展了不同類型傳感器、不同安裝位置以及數(shù)據(jù)分析處理方法的比對(duì)試驗(yàn)，對(duì)不同類型傳感器的性能，不同安裝位置的表現(xiàn)，以及不同數(shù)據(jù)處理方法對(duì)結(jié)果的影響等均有較深入的了解。目前，國內(nèi)水電行業(yè)現(xiàn)場測試方法和數(shù)據(jù)分析方法已基本統(tǒng)一，并在新修訂的相關(guān)測試規(guī)程中得到了反映。

（2）新測試技術(shù)的應(yīng)用

無線遙測技術(shù)、激光測試技術(shù)、光纖測試技術(shù)、超聲波測試技術(shù)等得到了應(yīng)用，為水輪機(jī)旋轉(zhuǎn)部件、空化空蝕等的測試方法找到了新的發(fā)展方向。水輪機(jī)流量測定是水輪機(jī)現(xiàn)場效率測試中最重要的環(huán)節(jié)，是測試中難度最大、工作量最多的一項(xiàng)工作，對(duì)整個(gè)測試精度起著主要的影響。近幾年，超聲波測流技術(shù)得到了較快的發(fā)展，采用專門的聲路布置和積分技術(shù)，提高了超聲波流量計(jì)在復(fù)雜的水流條件下的測量精度和穩(wěn)定性。三峽集團(tuán)公司聯(lián)合中國計(jì)量院等單位，開展了三峽水電站超聲波流量計(jì)現(xiàn)場校準(zhǔn)研究，在此基礎(chǔ)上形成了國家校準(zhǔn)規(guī)范JJF1358—2012《非實(shí)流法校準(zhǔn)DN1000～DN15000液體超聲流量計(jì)校準(zhǔn)規(guī)范》，提供了一套可操作性的大口徑超聲流量計(jì)非實(shí)流現(xiàn)場校準(zhǔn)的技術(shù)方案［3］。

（3）行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)步

三峽試驗(yàn)基本統(tǒng)一了原型水輪機(jī)現(xiàn)場測試方法和數(shù)據(jù)分析方法，為編制《水力機(jī)械振動(dòng)與脈動(dòng)現(xiàn)場測試規(guī)程》、《水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組機(jī)械振動(dòng)的評(píng)定》、《超聲波流量測試規(guī)程》提供了重要依據(jù)，為推動(dòng)行業(yè)測試技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)行業(yè)內(nèi)機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。同時(shí)，三峽試驗(yàn)成果為IEC/TC4/JWG1振動(dòng)工作組提供了重要的現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，為三峽經(jīng)驗(yàn)走向世界，為中國水電走向世界做出了貢獻(xiàn)。

［1］黃源芳，劉光寧，樊世英． 原型水輪機(jī)運(yùn)行研究［M］． 北京：中國電力出版社，2010．

［2］馬琳，高千紅，廖正香． 三峽水電站過機(jī)泥沙量初步監(jiān)測與分析［J］．人民長江，2012（2）：96-100．

［3］王池，孟濤，胡鶴鳴． 三峽工程超聲流量計(jì)的測量準(zhǔn)確度評(píng)估［J］． 中國計(jì)量，2012（3）：75-78．