吳永智,刀亞娟,呂愛軍,鐘新元
(華能瀾滄江水電開發(fā)有限公司檢修分公司,昆明 650051)
目前,行業(yè)內(nèi)的通常做法是通過穩(wěn)定性試驗(yàn)來確定水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行區(qū)域,也就是對(duì)機(jī)組在不同運(yùn)行工況下的軸承座振動(dòng)、主軸擺度以及壓力脈動(dòng)等穩(wěn)定性技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)量,然后依據(jù)相關(guān)的國(guó)家振動(dòng)擺度標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比較從而劃分機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行范圍。當(dāng)機(jī)組振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)、噪音等超過了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許范圍,認(rèn)為機(jī)組不穩(wěn)定。其局限性主要有兩方面:一是由于國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)均是通過對(duì)已運(yùn)行機(jī)組的振動(dòng)數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析得出,且數(shù)據(jù)絕大部分是在額定工況點(diǎn)附近的大負(fù)荷(70%~100%額定負(fù)荷)區(qū)域或特定的一個(gè)工況點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù),參與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的機(jī)組也主要集中在300 MW以下的中小機(jī)組,這些標(biāo)準(zhǔn)既不適用于0~100%額定負(fù)荷的全負(fù)荷范圍,也不適用于45%~100%額定負(fù)荷的傳統(tǒng)運(yùn)行區(qū)域,500~1 000 MW巨型機(jī)組的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)則更少,也不太適用;二是受試驗(yàn)條件限制,機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)中的變負(fù)荷試驗(yàn)難以覆蓋機(jī)組所有運(yùn)行水頭,導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)不全面,從而影響振動(dòng)區(qū)域劃分的準(zhǔn)確性,通過重復(fù)開展穩(wěn)定試驗(yàn)以獲取完整的試驗(yàn)數(shù)據(jù)耗時(shí)、成本較大。
多個(gè)電站機(jī)組的實(shí)際運(yùn)行情況表明當(dāng)機(jī)組振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)或噪音超過了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的允許值時(shí),其仍然能夠安全穩(wěn)定長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,當(dāng)機(jī)組在空載及低部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí),出現(xiàn)振動(dòng)擺度小于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的允許值時(shí),轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)了裂紋影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。這些現(xiàn)象說明目前對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性的定義及其評(píng)價(jià)指標(biāo)的驗(yàn)收準(zhǔn)則有待進(jìn)一步完善。因此,在進(jìn)行機(jī)組穩(wěn)定性分析之前,有必要先對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性進(jìn)行定義,然后在此基礎(chǔ)上確定合理的機(jī)組穩(wěn)定性指標(biāo)及其驗(yàn)收準(zhǔn)則。本文對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性進(jìn)行定義,結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了分析,分析造成機(jī)組不穩(wěn)定運(yùn)行的主要原因,為機(jī)組運(yùn)行提供借鑒。
根據(jù)IEC/ISO20816-5-2018《水力發(fā)電廠和蓄能泵站機(jī)組機(jī)械振動(dòng)的評(píng)定》的規(guī)定[1]:機(jī)組運(yùn)行工況包括穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況和暫態(tài)運(yùn)行工況。其中,穩(wěn)態(tài)工況是指機(jī)組流量、水頭、轉(zhuǎn)速、凈吸出高度、導(dǎo)葉開度保持在平均數(shù)值的±1.5%以內(nèi)的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)常規(guī)機(jī)組來說,穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況包括水輪機(jī)運(yùn)行工況、低負(fù)荷工況以及過負(fù)荷工況,暫態(tài)運(yùn)行工況包括開機(jī)、停機(jī)、甩負(fù)荷、過速和飛逸?;炝魇綑C(jī)組運(yùn)行工況分類見圖1。
圖1 混流式機(jī)組運(yùn)行工況分類
機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行是指機(jī)組必須能夠并網(wǎng)發(fā)電,首先,需是在穩(wěn)態(tài)工況下運(yùn)行,不是在暫態(tài)工況下運(yùn)行[2];其次,不能出現(xiàn)影響機(jī)組上網(wǎng)發(fā)電或?qū)е聶C(jī)組無(wú)法在穩(wěn)態(tài)工況運(yùn)行的情況,如轉(zhuǎn)速波動(dòng)太大不能穩(wěn)定或機(jī)組出力嚴(yán)重波動(dòng)。目前對(duì)機(jī)組固有的外特征振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)和噪聲進(jìn)行的實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控雖然能夠反映機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的情況,但是無(wú)法直接反映機(jī)組關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)失效問題。因此,機(jī)組穩(wěn)定性還應(yīng)包括結(jié)構(gòu)完整性和可靠性,也就是說機(jī)組關(guān)鍵部件不能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效影響機(jī)組運(yùn)行安全性和可靠性,如常規(guī)混流式機(jī)組在保證期內(nèi)或大修周期內(nèi)轉(zhuǎn)輪出現(xiàn)裂紋、機(jī)械損傷等情況。機(jī)組穩(wěn)定性應(yīng)主要從以下3個(gè)方面來進(jìn)行評(píng)估:一是機(jī)組必須能在穩(wěn)態(tài)工況運(yùn);二是滿足根據(jù)機(jī)組特性定義的振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)和噪音評(píng)價(jià)指標(biāo);三是機(jī)組關(guān)鍵部件不能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效影響機(jī)組運(yùn)行安全性和可靠性。
機(jī)組振動(dòng)是反映機(jī)組性能的綜合性參數(shù),受主機(jī)設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試和運(yùn)行等各方面因素的影響,目前采用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法給出參考值并綜合考慮機(jī)組實(shí)際情況進(jìn)行研究分析[2]。國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)里的振擺數(shù)值都是基于對(duì)收集到的機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)后給出的結(jié)果,宜作為振擺大小進(jìn)行評(píng)估的參考性數(shù)據(jù),必要時(shí)采取檢查和處理措施[2]。
絕大多數(shù)情況下,機(jī)組軸線的擺度問題也即轉(zhuǎn)動(dòng)部件的相對(duì)振動(dòng)屬于無(wú)害振動(dòng)或低風(fēng)險(xiǎn)振動(dòng),擺度較大由多方面因素造成,包括機(jī)組軸系安裝質(zhì)量不高、軸線不直、靜態(tài)盤車擺度較大、軸承間隙偏大以及3個(gè)或2個(gè)軸承的間隙分配和受力不合理。通常導(dǎo)軸承的設(shè)計(jì)瓦溫應(yīng)該在55 ℃~65 ℃,一般50 ℃~60 ℃,但很多工程案例表明,較多機(jī)組的導(dǎo)軸承溫度偏低,實(shí)際運(yùn)行在40 ℃左右,導(dǎo)瓦間隙較大,擺度自然在非設(shè)計(jì)工況就大,但在70%~100%設(shè)計(jì)工況下徑向水力相對(duì)平衡,擺度仍然較低。因此,應(yīng)將振動(dòng)的大小合理區(qū)分出無(wú)害振動(dòng)、低風(fēng)險(xiǎn)振動(dòng)(預(yù)期壽命內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)安全問題)和有害振動(dòng),這里指嚴(yán)重振動(dòng)和或共振,機(jī)組無(wú)法并網(wǎng),或無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行,出力,頻率擺動(dòng)大于2%~3%,或短期之內(nèi)機(jī)械損壞導(dǎo)致故障停機(jī),或未在一個(gè)預(yù)期的大修周期內(nèi)不得不停機(jī)檢修的情形。
工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明振動(dòng)值偏大超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值不會(huì)立刻對(duì)機(jī)組造成損傷,長(zhǎng)期的高頻振動(dòng)(應(yīng)力幅值相對(duì)較小)亦不會(huì)產(chǎn)生疲勞破壞問題。因此,從疲勞分析的角度,這些應(yīng)歸于無(wú)害振動(dòng),或較低危害振動(dòng),是一個(gè)機(jī)組使用壽命長(zhǎng)短的問題,在設(shè)計(jì)的壽命年限內(nèi)不會(huì)造成危害。如某抽水蓄能電站機(jī)組在大負(fù)荷發(fā)電時(shí)頂蓋振動(dòng)速度值為7.7 mm/s,遠(yuǎn)高于ISO/IEC20816-2018標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1.9 mm/s,自投入運(yùn)行20多年來頂蓋從未出現(xiàn)過疲勞破壞或裂紋的情況[3]。由此可以看出此種高頻振動(dòng)引起的動(dòng)應(yīng)力幅值相對(duì)較小,不是造成機(jī)組壽命周期內(nèi)部件疲勞破壞的根本性原因。疲勞破壞是在設(shè)計(jì)壽命周期內(nèi)由高于材料疲勞強(qiáng)度的交變大荷載或高頻低荷載造成的[2]。只有機(jī)組和廠房結(jié)構(gòu)的共振或機(jī)組和廠房結(jié)構(gòu)間極其強(qiáng)烈的結(jié)構(gòu)振動(dòng),才會(huì)影響廠房的安全問題或?qū)е聶C(jī)組結(jié)構(gòu)失效。其它情況下的振動(dòng)可根據(jù)機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行的統(tǒng)計(jì)規(guī)律來進(jìn)行分析評(píng)估。
因此,應(yīng)將振動(dòng)的大小合理區(qū)分出無(wú)害振動(dòng)、低風(fēng)險(xiǎn)振動(dòng)(預(yù)期壽命內(nèi)不會(huì)出現(xiàn)安全問題)和有害振動(dòng),這里指嚴(yán)重振動(dòng)或共振,機(jī)組無(wú)法并網(wǎng),或無(wú)法穩(wěn)定運(yùn)行、出力,頻率擺動(dòng)大于 2%~3%,或短期之內(nèi)機(jī)械損壞導(dǎo)致故障停機(jī),或未在一個(gè)預(yù)期的大修周期內(nèi)不得不停機(jī)檢修的情形。振動(dòng)擺度造成的后果及原因分析見表1。
壓力脈動(dòng)是水力機(jī)械運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的一種自然現(xiàn)象。壓力脈動(dòng)既有周期性的,也有隨機(jī)性的,尤其是由于水力機(jī)械流場(chǎng)中導(dǎo)葉和流道的耦合作用產(chǎn)生的。壓力脈動(dòng)是一種涉及不穩(wěn)定流場(chǎng)壓力和流速分布的水力-聲學(xué)現(xiàn)象,其受到了水力機(jī)械設(shè)計(jì)、運(yùn)行工況、轉(zhuǎn)動(dòng)部件及流道的動(dòng)態(tài)響應(yīng)等因素的影響。其中,最典型的周期性壓力脈動(dòng)是尾水管壓力脈動(dòng)和無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)[8]。
混流式水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)是由于運(yùn)行工況偏離和嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)工況下轉(zhuǎn)輪出口可能產(chǎn)生的強(qiáng)烈漩渦產(chǎn)生的,能夠傳播到整個(gè)流道和機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件,其主頻為0.2~3倍的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)是由于無(wú)葉區(qū)轉(zhuǎn)輪葉片與活動(dòng)導(dǎo)葉/固定導(dǎo)葉/蝸殼之間的動(dòng)靜干涉作用產(chǎn)生的,其主頻是1~2倍的轉(zhuǎn)輪葉片通過頻率。
對(duì)混流式水輪機(jī)來說,通常關(guān)注的是蝸殼進(jìn)口、無(wú)葉區(qū)和尾水錐管進(jìn)口3個(gè)位置的壓力脈動(dòng)[6]。工程經(jīng)驗(yàn)表明機(jī)組振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、主軸力矩脈動(dòng)和導(dǎo)葉水力荷載與壓力脈動(dòng)均有一定的關(guān)系,但目前尚無(wú)相關(guān)的國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)壓力脈動(dòng)限值進(jìn)行直接規(guī)定,主機(jī)合同技術(shù)條款會(huì)有相應(yīng)的保證值要求,其主要經(jīng)過模型驗(yàn)收試驗(yàn)對(duì)合同保證值進(jìn)行驗(yàn)證以確認(rèn)是否滿足合同要求。由于壓力脈動(dòng)是水力機(jī)械的固有特性,水力開發(fā)完成后壓力脈動(dòng)將無(wú)法改變,且其作為動(dòng)荷載的一部分,已經(jīng)反映到了機(jī)組關(guān)鍵部件的動(dòng)應(yīng)力中,因此,不將壓力脈動(dòng)大小作為判斷機(jī)組穩(wěn)定性的核心指標(biāo),僅作為參考性指標(biāo),建議對(duì)真機(jī)壓力脈動(dòng)進(jìn)行測(cè)量,驗(yàn)證機(jī)組的壓力脈動(dòng)特性,作為后期故障分析的參考數(shù)據(jù)。
噪音是水力機(jī)械運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的一種自然現(xiàn)象,既有周期性的,也有隨機(jī)性的。從噪音角度來說,機(jī)組不穩(wěn)定運(yùn)行尤其需要注意的是導(dǎo)葉/葉片出口卡門渦與其固有頻率形成共振導(dǎo)致的異常噪音。如某電站發(fā)生固定導(dǎo)葉卡門渦共振時(shí),水輪機(jī)室內(nèi)伴有強(qiáng)烈的金屬蜂鳴聲,噪聲高到113 dB[9]。只要機(jī)組未出現(xiàn)諸如卡門渦共振或流道異物撞擊等形成的異常噪音,就說明機(jī)組并未發(fā)生故障。
為了解機(jī)組全負(fù)荷運(yùn)行范圍內(nèi)的噪音特性,應(yīng)對(duì)機(jī)組噪音進(jìn)行測(cè)量??紤]到正常的噪音是機(jī)組運(yùn)行時(shí)的固有特性,因此,不能將噪音大小作為判斷機(jī)組穩(wěn)定性的核心指標(biāo),僅作為參考性指標(biāo)。如果噪音超過相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求值,建議采取加裝降噪門等措施適當(dāng)降低噪音的影響,對(duì)于由于機(jī)械碰撞導(dǎo)致的偶發(fā)性噪音應(yīng)進(jìn)行及時(shí)分析。
動(dòng)應(yīng)力是指機(jī)組部件在承受除了靜荷載外的動(dòng)荷載作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力,機(jī)組部件的動(dòng)應(yīng)力是隨時(shí)間變化的應(yīng)力。對(duì)混流式水輪機(jī)來說,尾水錐管區(qū)域的壓力脈動(dòng)和無(wú)葉區(qū)動(dòng)靜干涉產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)是造成動(dòng)荷載的主要原因。目前,行業(yè)內(nèi)通常的做法是通過振動(dòng)、擺度和壓力脈動(dòng)來進(jìn)行機(jī)組穩(wěn)定性的評(píng)估,但從近年來機(jī)組實(shí)際的運(yùn)行情況來看,當(dāng)機(jī)組在低部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)機(jī)組的振動(dòng)擺度并沒有超過相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定,反而出現(xiàn)了轉(zhuǎn)輪葉片裂紋,這已經(jīng)充分說明了僅僅是對(duì)振動(dòng)、擺度來進(jìn)行評(píng)估并不能完全保證機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。因此,本文將從理論仿真計(jì)算和動(dòng)應(yīng)力測(cè)試兩個(gè)方面對(duì)造成影響機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行的轉(zhuǎn)輪裂紋產(chǎn)生的根本性原因。
首先采用有限元法對(duì)某高水頭混流式轉(zhuǎn)輪在最大水頭和出力下的綜合應(yīng)力進(jìn)行仿真分析以了解轉(zhuǎn)輪在最大水頭和出力下的工作應(yīng)力狀態(tài)。最大水頭和出力下整個(gè)葉片靜應(yīng)力、出力下葉片出水邊下環(huán)側(cè)靜應(yīng)力、出力下葉片出水邊上冠側(cè)的靜應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見圖2~4。
圖3 最大水頭和出力下葉片出水邊下環(huán)側(cè)靜應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 單位:MPa
圖4 最大水頭和出力下葉片出水邊上冠側(cè)的靜應(yīng)力計(jì)算結(jié)果 單位:MPa
從圖2~4 可知:最大水頭和出力下葉片最大綜合應(yīng)力計(jì)算值為103 MPa,葉片出水邊下環(huán)側(cè)為87 MPa,葉片出水邊上冠側(cè)為60 MPa,均遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的許用應(yīng)力110 MPa,轉(zhuǎn)輪在各種設(shè)計(jì)工況下的靜態(tài)應(yīng)力相對(duì)較低,滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)許用應(yīng)力的要求。從理論計(jì)算的角度說明靜應(yīng)力大小不是造成轉(zhuǎn)輪裂紋的根本性原因。為了驗(yàn)證轉(zhuǎn)輪有限元分析結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性,并掌握機(jī)組運(yùn)行時(shí)的實(shí)際受力狀態(tài),對(duì)某電站轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)應(yīng)力測(cè)試,并對(duì)動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了分析研究。
根據(jù)圖5和圖6可知,現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果表明轉(zhuǎn)輪葉片上冠側(cè)葉片應(yīng)力隨機(jī)組出力的增加由受拉應(yīng)力逐漸變化為受壓應(yīng)力,而轉(zhuǎn)輪葉片下環(huán)應(yīng)力隨機(jī)組出力的增加,受壓應(yīng)力逐漸變化為受拉應(yīng)力,在空載和低部分負(fù)荷下的靜應(yīng)力相對(duì)較大,其與有限元仿真分析的結(jié)果基本吻合。
圖5 上冠側(cè)葉片應(yīng)力測(cè)試結(jié)果
圖6 下環(huán)側(cè)葉片應(yīng)力測(cè)試結(jié)果
圖7 葉片正壓側(cè)應(yīng)變
圖8 葉片正壓側(cè)應(yīng)變
圖9 葉片正壓側(cè)應(yīng)變
圖10 葉片正壓側(cè)應(yīng)變
從圖7~10可以看出,轉(zhuǎn)輪葉片上冠側(cè)在空載和部分負(fù)荷的動(dòng)應(yīng)力為40 MPa,而在正常運(yùn)行工況大負(fù)荷和額定負(fù)荷下的動(dòng)應(yīng)力約為10 MPa。通過圖11~12的轉(zhuǎn)輪動(dòng)應(yīng)力測(cè)試結(jié)果可以看出,水輪機(jī)在空載和部分負(fù)荷下動(dòng)應(yīng)力主要受部分負(fù)荷渦帶的影響,在大負(fù)荷和額定負(fù)荷下動(dòng)應(yīng)力主要受無(wú)葉區(qū)的動(dòng)靜干涉的影響。
無(wú)論是靜態(tài)應(yīng)力還是動(dòng)態(tài)應(yīng)力,產(chǎn)生裂紋處的應(yīng)力都最大,屬于應(yīng)力集中點(diǎn),特別是在非設(shè)計(jì)工況下(空載和部分負(fù)荷),轉(zhuǎn)輪的動(dòng)態(tài)應(yīng)力更大[10-11]。有限元仿真分析和轉(zhuǎn)輪動(dòng)應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果都表明水輪機(jī)在空載和部分負(fù)荷下的靜態(tài)應(yīng)力和動(dòng)態(tài)應(yīng)力都比正常運(yùn)行工況要大很多,如果長(zhǎng)期在低負(fù)荷和空載運(yùn)行的話,會(huì)進(jìn)一步加劇和影響轉(zhuǎn)輪裂紋萌生的時(shí)間和擴(kuò)展速度。目前,大中型混流式水輪機(jī)為了提高效率通常采用“X”型葉片,特點(diǎn)是葉片出水邊厚度比較薄,在空載和低部分負(fù)荷(45%額定負(fù)荷以下)的機(jī)組振動(dòng)和擺度并不大、但其動(dòng)應(yīng)力很大,如果機(jī)組長(zhǎng)期在低負(fù)荷運(yùn)行則是造成轉(zhuǎn)輪裂紋的致命要素。
本文通過對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性進(jìn)行定義,并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了分析,形成結(jié)論如下:
(1) 除了共振和強(qiáng)震之外,一般振動(dòng)并不是轉(zhuǎn)輪和關(guān)鍵部件產(chǎn)生裂紋的根源,動(dòng)應(yīng)力過高才是造成轉(zhuǎn)輪裂紋和機(jī)組不穩(wěn)定運(yùn)行的根本性原因。
(2) 振動(dòng)、擺度和噪音僅是機(jī)組承受荷載時(shí)所表現(xiàn)出來的外特征,其可以作為機(jī)組穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的參考性指標(biāo),并為故障分析提供參考數(shù)據(jù)。
建議開展轉(zhuǎn)輪的動(dòng)應(yīng)力試驗(yàn)以驗(yàn)證疲勞壽命計(jì)算結(jié)果,為機(jī)組的穩(wěn)定性評(píng)估提供量化的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。