羅有德，查榮瑞

（云南聯(lián)合電力開發(fā)有限公司，云南 瑞麗 678600）

水輪發(fā)電機組在運行中的振動是一種普遍存在的不可能完全避免的現(xiàn)象,有設(shè)計、制造、安裝、檢修、運行等多方面的原因。水輪發(fā)電機組的振動加劇后可能導(dǎo)致水力機組結(jié)構(gòu)破壞、降低運行效率和機組出力。因此異常的振動一旦發(fā)生，小則產(chǎn)生噪音，大則危及安全，造成事故，給電廠帶來巨大的損失。所以，在設(shè)備運行生產(chǎn)管理工作中，應(yīng)注意加強對機組振動現(xiàn)象及其危害性的分析與預(yù)防。

1 瑞麗江一級電站的振動現(xiàn)象

瑞麗江一級電站為引水式水電站，壩高47 m，引水隧道長5 km，共有6臺水輪發(fā)電機組，總裝機600 MW，水輪機型式為立軸混流式，型號為：HLA351-LJ-280,轉(zhuǎn)輪進口公稱直徑為2.8 m，安裝高程389.5 m，最大水頭330.1 m，額定水頭為299 m，額定流量為37.6 m3/s，單機額定出力100.2 MW，機組吸出高度-8.5 m，額定轉(zhuǎn)速為428.6 r/min，飛逸轉(zhuǎn)速為680 r/min。

瑞麗江一級電站機組的振動是由多種因素引發(fā)機組振蕩的綜合效應(yīng)。1～6號機組在試運行初期都存在振動過大現(xiàn)象，上機架最大振動峰值達3.5 mm以上，1號機組第一次過速至135%以上時，發(fā)電機組上機架整體振蕩，整個廠房出現(xiàn)了共振。從表1 1號機組實驗參數(shù)中可以看出各導(dǎo)軸承，上、下機架擺度振動值都很大：

2008年8月26 日～27日機組甩負荷試驗數(shù)據(jù)表見表1。

表1 甩負荷試驗數(shù)據(jù)

后來經(jīng)電站業(yè)主方、主機制造廠家、施工單位、試驗所及各水電專家的分析研究，結(jié)論機組過速至135%ne以上時機架存在共振現(xiàn)象。因此決定采取以下處理辦法：調(diào)整機組軸系；調(diào)整軸瓦間隙；調(diào)整千斤頂壓縮量；對上機架進行橫向加筋加固、增加6個千斤頂加強橫向支撐；加固下機架和加固定子機座的剛強度；限制機組過速超過135%ne等措施。對機組進行加固處理后，改變其固有頻率，使機組在過速過程中機架、導(dǎo)軸承能起到較好的支撐作用，避免振動大幅度升高，保證了各導(dǎo)軸承及頂蓋的振動在標準范圍內(nèi)。但其它振源未消除，當機組運行到某個工況時在尾水管錐管段就會產(chǎn)生較大的水流敲擊管壁的噪聲，在相應(yīng)機組段尾水渠內(nèi)產(chǎn)生如放鞭炮似的爆炸聲，站在尾水平臺位置，爆炸聲會更加明顯，同時腳下可以感覺到有很強烈的振感，此現(xiàn)象屬于水力引起的卡門渦列和尾水壓力脈動現(xiàn)象。

1.1 機組振動原因的分析

水輪發(fā)電機組由于受各種干擾力對水輪機的作用是使水輪機產(chǎn)生振動的主要原因。瑞麗江一級電站1、3、6號機組送緬甸電網(wǎng)，電站是緬方的主要供電電廠，因緬方電網(wǎng)頻率波動較大，頻繁的負荷變化使機組的運行工況無法保證在穩(wěn)定的機組最優(yōu)工況下運行，從而使機組的水力振動變得更加復(fù)雜；2、4、5號機組送中方電網(wǎng)，頻率、負荷較穩(wěn)定，所以機組的運行工況較好。

水輪機組的振動主要可分為水力振動、機械振動和電磁振動3類。

（1）水力振動：引起水力振動的原因有流道中水流的不均勻，卡門渦列誘發(fā)轉(zhuǎn)輪葉片振動、迷宮間隙不均產(chǎn)生的振動、尾水管中渦帶引起的低頻振動等。

（2）機械振動：機械振動主要是由于水輪機和發(fā)電機的結(jié)構(gòu)不良或制造、安裝質(zhì)量較差造成的，如軸線曲折、傾斜，推力軸承安裝不良以及導(dǎo)軸承間隙過大等。均能引起機械振動。

（3）電磁振動：電磁振動主要是由于水輪發(fā)電機設(shè)計不合理或制造、安裝質(zhì)量不良以及轉(zhuǎn)子匝間短路等所產(chǎn)生的不平衡電磁力造成的。

瑞麗江一級電站機組在機械振動方面普遍存在結(jié)構(gòu)性共振問題，采取了一些加固等措施后，共振區(qū)域基本避開。目前機組在某些負荷工況下反映出來的振動現(xiàn)象，主要的振動原因是水力振動和機械振動方面，當然也不排除電磁振動的原因，但不是主要的振源。

1.2 減振的方法

水輪發(fā)電機組減少振動的方法一般有這樣幾種：①消振：即消除或減弱振源，這是治本的方法。②隔振：在振源與受控對象之間加1個子系統(tǒng)稱之為隔振器，用它減小受控對象對振源激勵的響應(yīng)。③吸振：又稱動力吸振。在受控對象上附加1個子系統(tǒng)，用它產(chǎn)生吸振力以減小受控對象對振源激勵的響應(yīng)。④阻振：又稱阻尼減振。在受控對象上附加阻尼器或阻尼元件，通過消耗能量而使響應(yīng)減小。⑤結(jié)構(gòu)修改：通過修改受控對象的某些參數(shù)使振動滿足預(yù)定的要求。

2 減小卡門渦列振動的措施

瑞麗江一級電站的在對機組振動問題的處理上，目前已采取了消振和結(jié)構(gòu)修改方法，從實際運行上看基本達到處理要求，但在水力振動方面的處理，目前仍未采取措施，因此下面就對此問題進行論述。

卡門渦列主要出現(xiàn)在導(dǎo)葉和葉片的出水邊，它的頻率是以比較單純的噪聲形式表現(xiàn)出來，其頻率計算式為f＝sv／d（s為斯特努哈數(shù)；d為葉片尾部脫流厚度；v為流速）。故在設(shè)計轉(zhuǎn)輪、葉片或?qū)~時，要求機組及零部件的固有頻率避開卡門渦頻率，或選用在生產(chǎn)實踐和試驗證明較好的葉型，而對于已投產(chǎn)運行的機組，則只能采取下列措施；a．避開共振流速運行；b．修改葉片的形狀；c．改變?nèi)~片的剛度。

瑞麗江一級電站轉(zhuǎn)輪葉片分長、短葉片，葉片數(shù)量15+15，從設(shè)計理念和實驗證明看，應(yīng)該是目前較好的葉型型式。從目前運行一年多的轉(zhuǎn)輪葉片檢查情況看，未發(fā)現(xiàn)有裂紋損傷現(xiàn)象，證明卡門渦列影響不大。

3 消除尾水管渦帶引起的振動

水輪機在部分負荷（一般為滿負荷的40%～75%）運行時，尾水管內(nèi)由于復(fù)雜的渦旋運動，而出現(xiàn)渦帶的大幅度振擺，從而引起尾水管壁及轉(zhuǎn)輪的劇烈振動，嚴重時甚至可能造成引水管和廠房的共振。要減少已存在的脈動，可以采取以下幾種措施：

（1）正確選擇尾水管內(nèi)的流速分布，并使水流進入肘管和喉部以前，降低錐管段的流速，機組尾水管喉部的流速不得超過3.5 m／s。轉(zhuǎn)輪出口流速在進入尾水管錐段時急劇降低，從而導(dǎo)致尾水管中心部分壓力增加，同時也就減小渦旋強度和轉(zhuǎn)輪葉片下面所造成的渦帶大小，減小了尾水管中的壓力脈動。

（2）改變泄水錐或尾水管的結(jié)構(gòu)。

（3）裝設(shè)導(dǎo)流裝置

（4）補氣

依據(jù)國內(nèi)外有關(guān)水壓脈動及補氣資料分析，在中、高水頭的水輪機中，當轉(zhuǎn)輪直徑D1＞4m，相對振幅大于3%～5%，水壓脈動絕對值大于50 kPa時，應(yīng)進行補氣以消除水壓脈動。獨聯(lián)體在許多水電站上進行了最小補氣研究。研究證明，為了保證混流式水輪機在低負荷工況（15%～40%負荷）下穩(wěn)定運行，必要的補氣量為額定出力下水流量的0.8%～1.2%；在中負荷工況（50%～70%負荷）下為0.1%～0.3%。

當轉(zhuǎn)輪相對下游水位的埋入深度不超過6～7 m時（瑞麗江電站已經(jīng)超過達8.5 m），則可通過轉(zhuǎn)輪中心孔和轉(zhuǎn)輪泄水錐實現(xiàn)自然補氣，這已在很多個中、低水頭混流式水輪機上采用。

根據(jù)瑞麗江一級電站的實際情況，轉(zhuǎn)輪下腔的補氣原設(shè)計是通過從尾水平臺補氣閥自然補氣到頂蓋，因補氣閥進氣孔太小(5×Φ2 mm),要達到所需的補氣量Q=0.112 8 m3/s（按中負荷水流量0.3%計算），補氣速度必須滿足v=1 796.2 m/s,這顯然是不實際的，為了進一步驗證，考慮在頂蓋補氣管（DN50）上接入壓縮空氣進行強迫補氣試驗，經(jīng)過實際論證對尾水錐管噪聲和尾水壓力脈動振動有較明顯的改善，因此決定采取加大進氣口增加補氣量措施進行處理。

4 機械原因引起的振動

在水電站的建設(shè)和生產(chǎn)運營管理工作中，減小機械原因引起的振動一般要注意以下3點：

（1）機組設(shè)計合理，應(yīng)采用較成熟的結(jié)構(gòu)型式；

（2）提高主機設(shè)備的制造和安裝精度；

（3）防止推力頭松動。推力頭是推力軸承關(guān)鍵而重要的零件之一，要求它與軸頸配合后不允許有任何的松動產(chǎn)生。推力頭松動后將嚴重威脅機組運行的穩(wěn)定性。

5 減小電氣原因產(chǎn)生的振動

（1）設(shè)計時應(yīng)考慮避免超／次諧波引起的共振

水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速在大多情況下均高于其工作轉(zhuǎn)速，當臨界轉(zhuǎn)速接近于2倍或3倍工作轉(zhuǎn)速時，會出現(xiàn)超諧波共振；對于特殊要求的水輪機組，若設(shè)計臨界轉(zhuǎn)速低于其工作轉(zhuǎn)速，則當臨界轉(zhuǎn)速接近于1／2倍或1／3倍工作轉(zhuǎn)速時，會出現(xiàn)次諧波共振。

（2）定子鐵芯組合縫的松動引發(fā)振動。

機組經(jīng)長期運行后，由于定子鐵芯各部件溫度變化差異引起內(nèi)應(yīng)力的變化不同，引起定子鐵芯組合縫松緊度產(chǎn)生不均勻變化，從而造成組合縫的墊片損壞和松動。

（3）定子鐵芯松動引起的振動。

定子鐵芯松動是指定子鐵芯迭片松動，片與片之間產(chǎn)生間隙。運行中常見的鐵芯松動發(fā)生在鐵芯根部、齒壓板壓指、邊段鐵芯以及合縫鐵芯處。

6 典型事件

（1）2008年9月5日，1號機組甩100%ne負荷試驗后檢查，發(fā)現(xiàn)下機架定位銷斷裂一顆，基礎(chǔ)螺栓普遍有位移現(xiàn)象，對基礎(chǔ)螺栓全部進行了更換和加固處理，后來因機組運行中振動擺度較大機組只能限負荷在75 MW內(nèi)運行。

（2）2009年10月22日～23日，3號機組145%ne過速試驗時，振動過大并伴有不正常的撞擊聲機組緊急停機。檢查發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁軛螺母點焊焊縫開裂，下機架定位銷、基礎(chǔ)螺栓擋塊有位移，下機架整體順時針方向位移，調(diào)整后打緊螺栓和定位銷。

（3）2009年4月21日,6號機組在145%ne過速試驗結(jié)束后,檢查發(fā)現(xiàn)上、下機架基礎(chǔ)螺栓振松，二期混凝土有開裂現(xiàn)象；上機架千斤頂松動,上機架振動最大蜂值達4 000 μm,下機架振動值達2 727 μm,下導(dǎo)擺度最大達 3 194 μm(注:電渦流傳感器最大量程為4 000 μm)；開蓋檢查上導(dǎo)瓦和下導(dǎo)瓦，發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)有一顆提瓦螺桿彎曲，下導(dǎo)有3顆提瓦螺桿彎曲，原因是過速時軸承瓦上跳頂彎變形；轉(zhuǎn)子輪軛轂下沉約3 mm（原因為廠內(nèi)轉(zhuǎn)子輪轂熱套裝配時未裝配到位）。

7 結(jié)論

瑞麗江一級電站是目前中國在緬甸投資建設(shè)的最大BOT項目，電站按一廠兩網(wǎng)接線設(shè)計，一條線路（230 kV）送緬甸，另一條線路（220 kV）送中方，機組從2008年9月7日第一臺投入商業(yè)運行至今，6臺機組的振動處理問題一直在關(guān)注和處理中，由于電站特殊的國際背景更需注重主機設(shè)備生產(chǎn)運行管理水平，著實考慮解決威脅安全穩(wěn)定運行的各種不利因素。