抽水蓄能机组运行稳定性分析

水电姑机电技术

Mechanical & Electrical Technique of Hydropower Station

V〇1.40N〇.S1Jan.2017

1

抽水蓄能机组运行稳定性分析

刘英军

(国网新源控股有限公司潘家口蓄能电厂，河北唐山064309)

摘要:抽蓄机组作为电力系统理想的调峰电源，其安全稳定性关乎电网的可靠运行。本文以抽蓄机组的振动特性 为依据，对机组稳定性进行分析和评价。针对潘家口抽水蓄能电厂运行中上导摆度和定子水平振动过大等问题，分 别进行了变负荷、变转速和励磁振动试验分析，为今后的机组改造及大修提供技术依据，同时也可为其它电站处理 类似问题提供参考。

关键词:抽蓄机组；稳定性；振动特性；机组改造

中图分类号:TV737

文献标识码:A

文章编号：1672-5387(2017)Sl-0001-04

DOI：10.13599/j.cnki.ll-5130.2017.S1.001

0引言

抽水蓄能电站具有调峰填谷双重作用，是电力 系统理想的调峰电源，在电网中承担着调频调相、事 故备用、黑启动等作用，其安全稳定性关乎电网的可 靠运行。但是目前很多抽蓄电站存在着机组振动的 问题，机组振动、摆度的大小反映了机组性能的好 坏，同时也决定了机组和设备的寿命。剧烈的振动不 但能导致机组结构破坏,降低使用寿命，而且大大降 低运行效率和机组出力，严重时还可能引起厂房的 剧烈振动，对电站的经济和安全运行构成了威胁。

在实际运行的机组上，大部分故障均能在其振 动信号中有所反应，同时，由水力不平衡和电力不平 衡引起的机组异常振动也是导致机组不稳定的重要 原因。因此，为确保机组稳定运行，了解机组的运行 状态,预测和消除事故隐患，进行机组稳定性试验具 有重要的实际意义。本文以潘家口抽水蓄能电厂为 例，对机组的稳定性进行了分析研究。

等标准接合各电厂设备情况制定评价标准值。1.2振摆评级术语定义

优秀:振摆允许值的0.7倍以下,机组在此状态 下可长期运行；

良好:0.7倍振摆允雜~振摆允许值，机组在 此状态下可长期运行；

及格:振摆允许值~1.2倍振摆允许值,表示机 组有某些问题，但是可以继续运行，建议尽快查明问 题(即超标)；

不及格:1_2倍振摆允许值~1.5倍振摆允许值, 表示机组问题比较严重，不可以长期运行(B卩预警)；

危险:1.5倍振摆允许值以上，表示机组振摆严 重超标，必须立即停机检修(即停机)。

2机组运行稳定性试验

稳定性试验包括变负荷试验、变转速试验、电磁 振动试验等。

变负荷试验在机组并网的条件下，调整机组功 率，在不同功率下测量机组各部位振摆值，分析机组 在不同电磁力及水动力的作用下机组运行的稳定性 特性。机组并网之后，各负荷工况的振动一般由水 力、电磁、机械等多因素决定,利用振动幅值随有功 变化关系，可以分析机组振动原因。

变转速试验是在机组不加励磁的状态下，调整

收稿日期= 2016-09-26

作者简介:刘英军(1971-)，男，工程师，从事运维管理工作。

1机组运行稳定性评价

1.1机组振摆评价技术依据

机组的振动、摆度各电厂可以依据:《GB/T6075. 5-200非旋转部件上测量和评价机器的机械振动》 第五部分：水力发电厂和泵站机组（机架振动）、 《GBmi348.5-2002旋转机械转轴径向振动的测量 和评定》第五部分:水力发电厂和泵站机组(大轴摆 度)、《GBT 8564_2003水轮发电机组安装技术规范》

2水电姑机电技求第40卷

机组转速，测量机组各部位振摆值，分析机组的质量 平衡状态。理论上机组在变转速试验过程中,如果承 重机架的水平振动的转频振幅随转速的增加而增 大，且与转速平方成线性关系，则转子存在质量不平衡。

电磁振动试验是机组在额定转速条件下，通过 加发电机励磁电流，测量机组在加励磁前后各部位 振摆，主要分析质量力和电磁力的综合作用下机组 的动平衡状态。在机组从启动到投人励磁之前，此阶 段的振动现象与电磁因素有关。但在投人励磁至并 网之前，这一阶段的振摆变化主要由电磁因素弓丨起。

3分析实例

3.1潘家口抽水蓄能电厂概况

潘家口抽水蓄能电厂位于滦河流域，属坝后式 水电站，电厂主要由拦水大坝、有压引水系统、发电 厂房组成。该电厂装有3台单机90 MW混流可逆式 水泵/水轮发电机组，总装机容量270 MW, 1993年 3台机组全部并网发电。4号机组经过20多年的运 行后存在着较为严重的运行稳定性问题，定子机架 水平振动和上导轴承摆度较大。

4号机组主要参数见表1。

表1潘家口抽水蓄能电厂机组主要参数

泵水轮机

发电电动机

型号HLN80-U-553型号

MV840/240142-48额定出力

90 MW发电机额定容量

98.0 MVA平均水头 69.0 m 最高水头85.7 m电动机额定功率

48 极：59.5MW

42 极：90.0MW

最低水头43.0 m出口电压

13.8 kV水轮机流量147 m3/s发电机定子电流

4 100 A水泵流量

48 极：103.9m3/s 42 极：119.5m3/s电动机定子电流

48 极：2 542 A

42 极：4 088 A48 极：54.00 m额定频率50 Hz42 极：70.11m发电机0.9额定转速48 极：125 r/min功率因素电动机142 119.5 r/min

飞逸转速

245 r/min吸出高度

—9 m

传动惯量

3 100

3.2潘家口电厂振摆评价标准

试验前确定测点，并根据相关标准为潘家口电 厂制定振摆评价标准，见表2。3.3稳定性试验分析 3_3_1变负荷试验

在试验水头60 m下，机组各工况下振摆随负荷 变化趋势见图1和图2。

从图1和图2可知，机组在0~42MW区间，机 组上导X向摆度和定子机座振动度数值超标，为危

表2潘家口抽水蓄能电厂振摆评价标准

测点名称稳定负荷区分级/Jim

优秀良好 及格不及格危险

上导X向摆度

< 150150-210210-330330-495>495上导Y向摆度< 150150-210210-330330-495>495下导X向摆度< 150150-210210-330330-495>495下导Y向摆度< 150150-210210-330330-495>495水导X向摆度< 150150-210210-330330-495>495水导Y

向摆度

< 150150-210210-330330-495>495上机架X向水平振动<6060-8585-130130-210>210上机架Y向水平振动<6060-8585-13013Q-210>210下机架X向水平振动<6060-8585-130130-210>210下机架Y向水平振动<6060-8585-130130-210>210下机架Z向垂直振动<2525-3030-4040-160>160顶盖X向水平振动<6060-8585-130130-210>210顶盖Y向水平振动

<6060-8585-130130-210>210 顶盖Z向垂直振动

<5050-7575-9090-135>1351 2 定子机架X向水平振动

<4040-5555-8585-130>130 3 4定子机架Z向垂直振动

<25

25-30

30-40

40-160

下

>160

5上 67ooooo上

oo二

oo♦——导导oo导

Xooo

YI

XII

—/

«导 导

戰

YXlI

有功功率/MW

图1摆度随有功变化曲线

上机架Y向水平

350

上机架垂直 300下机架X向水平 E n

250下机架Y向水平 下机架垂直 200 顶盖X向水平 150-顶盖Y向水平 -顶盖垂直 100 〇 -定子机架X向水平 5

-定子机架垂直

有功功率/MW

图2振动随有功变化曲线

险级别。在机组整个运行过程中，机组上导X摆度 与上导Y摆度数值偏差较大，最大时达到了约 260 |x m,且上导X摆度在整个运行过程中数值变化 也非常大，达到了约SOOjJLm，造成这种现象的主要 原因在于机组上导瓦间隙太大，对大轴的摆度没有 达到约束的作用。机组上导瓦间隙太大从机组运行 的上导瓦温的数值也可以看出，在机组带负荷运行 热稳定后，机组上导瓦温整体偏低，只有25 t左右, 说明在整个运行过程中机组上导瓦都没有受力，建 议机组在检修时能够合理调整上导瓦间隙数值。

聪

标

/增刊1刘英军:抽水蓄能机组运行稳定性分析3

低频涡带振摆分量随负荷变化趋势见图3 和图4。

-上机架X向水平 -上机架Y向水平 -上机架垂直 -下机架X向水平 -下机架Y向水平 -下机架垂直 -顶盖X向水平 -顶盖Y向水平 -顶盖垂直 -定子机架X向水平 -定子机架垂直

有功功率/MW

图3低频涡带摆度分量随有功变化曲线

-上导X向 -上导Y向 -下导X向 ■下导Y向 -水导X向

-水导Y向

有功功率/MW

图4低频涡带振动分量随有功变化曲线

从图3和图4可知机组在42 MW以下处于振 动区，低频涡带对机组水导摆度影响偏大。

3_3_2变转速试验

质量不平衡评价标准:在机组停机过程中，以高 转速(95 %Nr以上)和低转速(机组投入电气和机械 制动前最低转速)工况下计算。质量不平衡弓丨起的摆 度不超过振摆允许值的50 %。质量不平衡故障辨识 参数见表3,摆度1倍频幅值随转速变化曲线见 图5。

表3质量不平衡故障辨识参数表

测点（1倍频幅值）50.0% 册 90.0%Nr 相关最大相位 幅值/ jx m幅值/pm

幂次变似。

上机架X向水平振动IX

11.726.3

1.4

—上机架Y向水平振动IX8.920.41.4—下机架X向水平振动IX7.422.81.6

-下机架Y向水平振动IX6.221.81.6-

上导X向摆度IX87.2215.41.259.4上导Y向摆度IX149.0190.51.142.1下导X向摆度IX41.1634.521.048.3下导Y向摆度IX

63.14

72.56

1.0

52.2

在机组变转速过程中，机组上机架振动IX幅 值和下机架IX幅值与转速关系小于平方关系，不 支持机组存在动平衡。在机组变转速过程中，机组振 摆IX幅值变化不大（上导摆度大是因为上导瓦间

上导X向 上导Y向

-下导X向 ■下导Y向 -水导X向

-水导Y向隙过大）,上机架振动IX变化约25 pm，下机架振 动IX的幅值变化约15卜m，机组无需配重。3.3.3电磁振动试验

磁拉力不平衡评价标准：磁拉力不平衡引起变 化不超过振摆允许值的50 %。投人励磁前后各振因 对比见表4。

表4投入励磁前后各振因对比表

总电磁振转子偏心引 转子不圆引定子不圆引

测点

动变化起的IX振起的振动变起的轴线偏

/um 动变化/um移/um上导X向摆度

129.01

t 313.64

—20.50

上导Y向摆度1 112.97

1109.36-164.80下导X向摆度t 10.18

1168.02

-6.95下导Y向摆度1 32.42

t 137.19

-

123.83

上机架X向水平振动t 5.20|5.5t2.24—上机架Y向水平振动i3.76

| 14.09T5.34-上机架垂直振动个 1.99125.82t〇.56

-下机架X向水平振动t5.29T 41.04

|1.84

-下机架Y向水平振动t 6.73t 27.78t 8.11-下机架垂直振动|8.58

T 2.6

t6.96

-定子机架X向水平振动t6.35

1353.8138.03-

定子嫌垂直振动

t〇.51

112.76

卞 0.46

-

从表4可知：（1)磁拉力不平衡对机组上导X 摆度影响偏大，影响倍频主要是IX,约313 pm,但 同时发现磁拉力不平衡对上导Y摆度影响非常小， 这种现象主要是由于机组上导瓦间隙较大造成的； (2)由转子偏心产生的磁拉力不平衡对机组振动有 明显影响，该磁拉力导致机组定子机架X向水平振 动增大约353 pm，但该力对机组上机架和下机架 振动影响并不明显，这种现象主要是由于机组定子 机座整体刚度不足造成的，如此大的振动数值容易 对定子的绝缘造成损害，已定期观察机组绝缘的变 化趋势，防止由于绝缘破坏对机组造成的损害;(3) 由于定子不圆而产生的磁拉力不平衡对机组轴线偏 移有一定影响，该磁拉力导致上导Y向轴线偏移164

(jl m，下导Y向轴线偏移123 |jl m。

(下转第57页）

增刊1毕旭，等:抽水蓄能电站励磁系统通讯模块改硬接线情况分析57

接线完成后，进行反复确认接线正确，核对设备 编号，对机组进行一次空载试验，空载试验机组励磁 系统退出正常。2.3处理完成后结果

按照最初设计对设备进行改造，实现最初目的， 经过多年励磁系统运行，未出现因通讯故障造成机 组励磁系统无法退出情况产生，该厂认真总结经验, 分析时间情况，圆满的完成了本次技改工作。

(上接第3页）

3结语

本文从实际出发，分析励磁系统内部采用通讯模块及硬接线方式的优缺点，通过实际改造情况可

以看出，硬接线比采用以太网通讯板卡LCOM，同

TM1 703模块之间的通讯要可靠很多，加之现今继电器及光隔运行可靠性非常高，设备维护量也会相对降低，总体而言笔者认为硬接线模式优于通讯模块运行方式,不当之处还请指正。

4结论

如果长期不稳定运行，将对机组的安全稳定造 成极大威胁。通过稳定性试验，深入研究机组的振动 规律和特点，可以了解机组的运行状态，为机组的振 源分析、故障识别和处理等提供理论指导。通过对潘 家口蓄能电厂4号机组的稳定性试验分析，确定了 该机组的稳定运行区域以及目前存在问题，为今后 的机组改造及大修提供技术依据，同时也可为其它 电站处理类似问题提供参考。参考文献：

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