楊周平

(四會(huì)市江谷水庫(kù)管理處，廣東 四會(huì)526200)

振動(dòng)對(duì)于水輪發(fā)電機(jī)組是極其嚴(yán)重的危害，它不但降低機(jī)組的工作效率，影響機(jī)組安全運(yùn)作，還會(huì)加快損壞機(jī)組部件，導(dǎo)致事故的發(fā)生。由于水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象是不可避免的，所以如何解決處理發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障是水電站必須面對(duì)的問(wèn)題，下面通過(guò)對(duì)機(jī)組振動(dòng)現(xiàn)象及其危害性的分析，討論如何處理及預(yù)防水輪機(jī)振動(dòng)。

1 工程概況

某水電站位于廣東肇慶，由一、二級(jí)電站組成。電站工程由大壩、壓力引水隧洞、調(diào)壓井、高壓埋管、發(fā)電廠房、升壓站及附屬建筑物組成。一級(jí)水電站主要配合干渠引水發(fā)電，容量2×1250kW，水輪機(jī)型號(hào)為HL123-LJ-120，額定水頭17.5m，單機(jī)額定流量7.5m3/s。

二級(jí)電站為引水式，容量1×2000kW，水輪機(jī)型號(hào)為HL220-WJ-84，額定水頭46.6m，額定流量5.39m3/s。該機(jī)組在調(diào)試期間出現(xiàn)了不同程度的振動(dòng)問(wèn)題。通過(guò)詳細(xì)析機(jī)組振動(dòng)故障的原因，并制定了調(diào)整處理方案，經(jīng)治理后徹底消除了該機(jī)組的振動(dòng)故障。

2 機(jī)組振動(dòng)分析

2.1 機(jī)組振動(dòng)的危害性

對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組而言，振動(dòng)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械不可避免的現(xiàn)象。振動(dòng)除了使機(jī)組效率降低，還會(huì)帶來(lái)一系列危害，甚至?xí){機(jī)組的正常運(yùn)行和安全，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)機(jī)組振動(dòng)會(huì)造成某些部件的有害彈性變形和塑性變形，使一些零部件材料發(fā)生疲勞、裂紋及斷裂，引起機(jī)組零部件金屬焊縫中疲勞破壞區(qū)的形成和擴(kuò)大，使之發(fā)生裂紋甚至斷裂損壞而報(bào)廢。

2)振動(dòng)使機(jī)組各部位緊固連接部件松動(dòng)，導(dǎo)致這些緊固件本身的斷裂，加劇其連接部分的振動(dòng)，促使它們迅速損壞。

3)振動(dòng)加重機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件之間的相互磨損。

4)尾水管中的水流脈動(dòng)壓力可使尾水管壁產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重的可使整塊鋼板剝落。

5)振動(dòng)導(dǎo)致機(jī)組出力不足，運(yùn)行范圍縮小，壽命縮短。

6)振動(dòng)也可引起機(jī)組基礎(chǔ)廠房構(gòu)件和引水壓力鋼管等的共振，有時(shí)會(huì)釀成嚴(yán)重事故，可能使整個(gè)設(shè)備和廠房毀壞。

7)過(guò)大的振動(dòng)不僅導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的波動(dòng)，影響機(jī)組的負(fù)荷分配及供電質(zhì)量，縮短機(jī)組的使用壽命，危及電站安全運(yùn)行和電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

2.2 機(jī)組振動(dòng)原因

造成水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的原因很多而且復(fù)雜，機(jī)組振動(dòng)除了機(jī)器本身轉(zhuǎn)動(dòng)或固定部分引起的振動(dòng)外，還需考慮發(fā)電機(jī)的電磁力以及作用于水輪機(jī)過(guò)流部分的流動(dòng)壓力對(duì)系統(tǒng)及其部件振動(dòng)的影響。因此，一般將引起水輪機(jī)組振動(dòng)的原因分為電磁、機(jī)械、水力三個(gè)方面。

1）電磁引起的振動(dòng)。主要由發(fā)電機(jī)電磁不平衡引起，常見(jiàn)的有轉(zhuǎn)子磁極線(xiàn)圈層間短路、勵(lì)磁回路兩點(diǎn)接地、空氣間隙不均勻、定子三相不平衡等。切除勵(lì)磁電流，空載運(yùn)行如振動(dòng)消失，證明是電磁方面引起的震動(dòng)。

2）機(jī)械引起的振動(dòng)。主要有轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量不平衡、機(jī)組軸不正、主軸聯(lián)結(jié)不同心、軸承缺陷、推力或?qū)лS承調(diào)整不當(dāng)，以及靜、轉(zhuǎn)部分偏磨等。

3）水力引起的振動(dòng)。如尾水管中渦帶引起振動(dòng)、機(jī)組偏離最佳運(yùn)行工況區(qū)運(yùn)行、止漏環(huán)間隙不均、蝸殼及導(dǎo)葉引水不均的轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流沖擊、卡門(mén)渦列、空腔汽蝕、間隙射流等。將機(jī)組改調(diào)相如振動(dòng)消失就是水力振動(dòng)，如不消失即為機(jī)械振動(dòng)。

3 機(jī)組振動(dòng)防治方法

3.1 避振運(yùn)行

為滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求，應(yīng)避開(kāi)各臺(tái)機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)和空蝕的運(yùn)行范圍。一級(jí)電站主要結(jié)合灌溉引水發(fā)電，水頭、流量變幅大，最高水頭22m，最低水頭12m，灌溉期間為中、低水頭，小流量用水較多。在這種情況下，運(yùn)行主要以減小汽蝕和機(jī)組振動(dòng)為主，降低機(jī)組故障率。對(duì)一級(jí)電站歷史運(yùn)行資料進(jìn)行了整理，找出了不同水頭下機(jī)組單機(jī)運(yùn)行的最小流量及當(dāng)時(shí)運(yùn)行工況。同時(shí)結(jié)合HL123-LJ-120 型水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線(xiàn)，為了確保安全，降低汽蝕，減輕機(jī)組振動(dòng)，單機(jī)運(yùn)行最小流量應(yīng)限制在4.5m3/s 以上。水輪機(jī)導(dǎo)葉開(kāi)度達(dá)到一定程度后，導(dǎo)葉開(kāi)度再繼續(xù)增大，而功率變化量不大，導(dǎo)葉開(kāi)度的增大反而破壞蝸殼中進(jìn)水流態(tài)，加重汽蝕，使機(jī)組振動(dòng)加劇。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行及水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線(xiàn)，導(dǎo)葉開(kāi)度達(dá)到88%時(shí)，不再增加開(kāi)度，以減輕汽蝕和振動(dòng)。

二級(jí)電站主要以水庫(kù)棄水發(fā)電，水頭變幅不大。運(yùn)行記錄表明當(dāng)導(dǎo)葉開(kāi)度低于40%時(shí)，振動(dòng)明顯，噪音增大。同時(shí)導(dǎo)葉開(kāi)度超過(guò)85%時(shí)，再繼續(xù)增大，功率變化量不大，而機(jī)組振動(dòng)加劇。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行及HL220-WJ-84 水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線(xiàn)，導(dǎo)葉開(kāi)度限制在40%～85%之間運(yùn)行，以減輕汽蝕和振動(dòng)。

3.2 尾水管適時(shí)適量補(bǔ)氣

水輪機(jī)在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時(shí)，由于轉(zhuǎn)輪出口處的旋轉(zhuǎn)水流及脫流旋渦和汽蝕等影響，在尾水管內(nèi)常引起水壓脈動(dòng)。尤其是在尾水管內(nèi)出現(xiàn)大渦帶后，渦帶以近于固定的頻率在管內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，引起水流低頻壓力脈動(dòng)。當(dāng)管內(nèi)水流一經(jīng)發(fā)生，壓力脈動(dòng)就會(huì)激起尾水管壁、轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、蝸殼、壓力管道的振動(dòng)。渦帶壓力脈動(dòng)對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響主要在于振動(dòng)、擺度、功率擺動(dòng)及其它附加影響。小水電站一般采用尾水管補(bǔ)氣來(lái)減少尾水管的渦帶壓力脈動(dòng)，補(bǔ)氣效果的關(guān)鍵在于自然補(bǔ)氣的補(bǔ)氣量。水輪機(jī)尾水管真空度數(shù)值大，空蝕影響也大，數(shù)值小，水能得不到充分利用。

水電站機(jī)組偏離最佳運(yùn)行工況（一般是40%～70%的額定工況）時(shí)，運(yùn)行人員定時(shí)監(jiān)測(cè)尾水管真空表數(shù)值，當(dāng)真空度超過(guò)規(guī)定值時(shí)，調(diào)節(jié)補(bǔ)氣短管閥門(mén)開(kāi)度，控制進(jìn)氣量的大小，使真空度維持在一定的數(shù)值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在海拔1000m 以下地區(qū)，尾水管真空度數(shù)值一般以13.33～20kPa 為宜。機(jī)組在高負(fù)荷狀態(tài)下補(bǔ)氣會(huì)導(dǎo)致效率下降，此時(shí)關(guān)閉補(bǔ)氣閥停止補(bǔ)氣，通過(guò)尾水管適量補(bǔ)氣可降低尾水管渦帶脈動(dòng)壓力，減輕機(jī)組振動(dòng)。補(bǔ)氣運(yùn)行中應(yīng)注意真空度不能太低，以免造成水能過(guò)量損失。

3.3 加強(qiáng)軸承維護(hù)

推力軸承存在缺陷，如推力頭與軸配合不嚴(yán)密、卡環(huán)不均勻壓縮、推力頭與鏡板間的墊變形或破壞等都會(huì)使機(jī)組的軸發(fā)生變化，致使運(yùn)行中大軸擺度忽大忽小，呈不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)導(dǎo)軸瓦間隙不均勻、軸瓦及螺栓松動(dòng)、軸承潤(rùn)滑及冷卻不良、軸承與固定止漏環(huán)不同心等都會(huì)發(fā)生干摩擦，引起機(jī)組的橫向振動(dòng)。軸線(xiàn)不符合要求和軸承缺陷引起的振動(dòng)，通常與機(jī)組的轉(zhuǎn)速和出力相關(guān)，轉(zhuǎn)速提高、出力加大時(shí)振動(dòng)更嚴(yán)重。電站在檢修中注意機(jī)組軸線(xiàn)對(duì)正，將主軸旋轉(zhuǎn)中心線(xiàn)調(diào)到機(jī)組中心線(xiàn)上作為主要質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，若軸線(xiàn)與機(jī)組中心線(xiàn)產(chǎn)生較大差值，會(huì)對(duì)機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行十分不利。機(jī)組調(diào)整中心同推力瓦受力調(diào)整配合進(jìn)行。調(diào)整推力瓦受力時(shí)，要使轉(zhuǎn)輪位于轉(zhuǎn)輪室中心，并使各推力瓦受力均勻。調(diào)整導(dǎo)軸承間隙值大小，使電機(jī)軸法蘭、導(dǎo)軸承軸頸、集電環(huán)等各部件擺度符合規(guī)范要求。運(yùn)行中加強(qiáng)軸承監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，防止由于推力軸承和導(dǎo)軸承存在缺陷造成機(jī)組較大的振動(dòng)或故障。

3.4 注重過(guò)流部件修復(fù)

水流通過(guò)蝸殼的作用形成環(huán)流,再通過(guò)分布均勻的固定和活動(dòng)導(dǎo)葉均勻作用于轉(zhuǎn)輪激發(fā)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，如果導(dǎo)水葉葉片、流道的形狀與尺寸差別較大，作用于轉(zhuǎn)輪的水流失去軸對(duì)稱(chēng)時(shí)就產(chǎn)生一個(gè)不平衡橫向力，引起轉(zhuǎn)輪振動(dòng)。其次當(dāng)水流繞流葉片時(shí)的卡門(mén)渦列可造成水輪機(jī)固定導(dǎo)葉、 活動(dòng)導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片的共振，發(fā)生共振時(shí)除噪聲大外，葉片的動(dòng)應(yīng)力也很大，加上其頻率很高，極容易使水輪機(jī)發(fā)生疲勞甚至斷裂。此外水流通過(guò)水輪機(jī)時(shí)的空腔汽蝕、間隙射流等也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)和噪音。

在水電站的檢修中，注重過(guò)流部件的修復(fù)，導(dǎo)葉間隙調(diào)整注意間隙大小均勻及導(dǎo)葉片表面粗糙度，使導(dǎo)葉葉道流速分布均勻，以減輕壓力脈動(dòng)。轉(zhuǎn)輪汽蝕補(bǔ)焊修復(fù)注重葉片出水邊的厚度、葉型曲線(xiàn)及輪葉表粗糙度，以降低空蝕及渦列引起的振動(dòng)。

4 振動(dòng)防治效果

水電站應(yīng)根據(jù)站內(nèi)各臺(tái)機(jī)組振動(dòng)的不同特點(diǎn)，確定各自不同但經(jīng)濟(jì)合理的防治方案。一級(jí)電站振動(dòng)防治方案以避振運(yùn)行、檢修中加強(qiáng)軸瓦維護(hù)為主，其它為輔助方法。二級(jí)電站振動(dòng)防治方案以避振運(yùn)行、機(jī)組偏離最佳運(yùn)行工況時(shí)尾水管適時(shí)適量補(bǔ)氣、檢修中注重過(guò)流部件修復(fù)為主，其它為輔助方法。自電站對(duì)機(jī)組振動(dòng)進(jìn)行綜合防治以來(lái)，機(jī)組振動(dòng)強(qiáng)度降低，大軸擺度符合要求，轉(zhuǎn)輪等過(guò)流部件檢修周期內(nèi)汽蝕程度降低，機(jī)組噪音減弱，運(yùn)行工況良好，延長(zhǎng)了大修周期，降低了運(yùn)行成本，達(dá)到預(yù)期效果。

5 結(jié)語(yǔ)

總之，為做好水輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)的防治工作，就必須根據(jù)水輪機(jī)的實(shí)際振動(dòng)情況，將引起水輪機(jī)組振動(dòng)原因大致分為電力、水力、機(jī)械三方面的因素來(lái)研究,分析振動(dòng)發(fā)生的原因，振動(dòng)的特性，為水電廠生產(chǎn)管理、運(yùn)行、檢修人員提供參考意見(jiàn),從而制定出相應(yīng)的預(yù)防和消振措施。

［1］盛國(guó)林.水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)分析及轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)[J].水利電力機(jī)械，2004（05）.

［2］夏明軍.水輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)判定的探討[J].赤子，2012（13）.