何卓知

（湖南省郴州市一中 郴州市 423000）

1 概 述

竹洞電站水頭200m，流量0.3m3/s，機組容量400kW，為沖擊式機組，型號為CJ26—W—70/1X8，發(fā)電機型號為SF400—8/990，2012年安裝，同年12月進行試運行。該機組一開機，就感覺機組的振蕩比較大，用百分表測得振動幅度大于1mm，用手摸上去振感強烈。

2 原因分析

按常規(guī)分析，造成這種振動過大的原因肯定是機組的同心度有問題，偏心太嚴重，但經(jīng)檢查，機組的同心度小于0.25mm，滿足廠家標準及國家標準要求，為了慎重，在裕度內(nèi)，將同心度盡量調(diào)小到0.2 mm以內(nèi)；并重新檢查機組前后軸的徑瓦間隙，在滿足瓦溫的情況下，盡量調(diào)小。機組重新開機運行。開機試驗表明，這種處理仍不行，振動依舊，而且運行2個月后，水輪機的6個地腳螺絲都出現(xiàn)了松動。因為水輪機的下面有一個下水室，分析考慮是混凝土的強度不夠，沒有達到混凝土的強度要求，因此將水機室的所有地腳螺栓挫掉，重新灌注高標號混凝土，達到養(yǎng)護期后又開機，運行2個月后，機組運行狀況與沒有處理一樣，還是振動很大，而且水機室的尾水也從下面往上冒，隨著時間越長，情況越嚴重。

通過上面的處理，我們只能將機組的振動原因往機組的制造上面考慮，因為機組安裝方面的所有原因都已經(jīng)排除。按照機組的制造程序，水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子與水輪機轉(zhuǎn)輪在制造過程中，應校驗它的靜平衡與動平衡，目的也是為了防止機組在轉(zhuǎn)動過程中，產(chǎn)生不平衡的轉(zhuǎn)動慣量，但機組因為容量小，廠家是整體組裝到貨，因此廠家的制造過程我們無法知道，但憑外觀，目測飛輪，沒有發(fā)現(xiàn)有校過平衡的痕跡。因此我們大膽推測，該機組的轉(zhuǎn)動部分沒有做過平衡試驗，最起碼其動、靜平衡有問題。

3 處理過程

因為條件限制，電站現(xiàn)場沒有辦法做動、靜平衡試驗，因此，我們大膽設(shè)想，能不能減小機組轉(zhuǎn)動部分的飛輪力矩呢？

機組的轉(zhuǎn)動部分由發(fā)電機轉(zhuǎn)子、水輪機轉(zhuǎn)輪、主軸、飛輪組成。其中發(fā)電機轉(zhuǎn)子、水輪機轉(zhuǎn)輪、主軸等三部分是沒辦法減小的，唯一能做的文章是能否將飛輪取下。

我們知道，運行當中水輪發(fā)電機組的轉(zhuǎn)動部分有一個飛輪力矩，用GD2表示，簡單地說，飛輪力矩是表示電力系統(tǒng)出現(xiàn)大干擾時，機組轉(zhuǎn)動部分保持原來運行狀態(tài)的能力，它直接影響到發(fā)電機在甩負荷時的速度上升率和系統(tǒng)負荷突變時發(fā)電機運行的穩(wěn)定性，對電力系統(tǒng)的暫態(tài)過程和動態(tài)穩(wěn)定有很大的影響，還與機組的造價密切相關(guān)。通常GD2是由水輪機的調(diào)節(jié)保證計算確定的，調(diào)節(jié)保證計算是解決水力慣性、機組慣性、和調(diào)整性能三者的矛盾，以期達到水工建筑物和機組造價最節(jié)省的目的，其選定數(shù)值應能滿足電力系統(tǒng)動穩(wěn)定的要求。飛輪力矩大，機組甩負荷后的轉(zhuǎn)速上升率就慢，則可允許較大的管道壓力上升率，從而可以減小引水鋼管直徑或減小鋼管壁厚，可以不設(shè)調(diào)壓井。

當水輪發(fā)電機基本尺寸確定后，GD2值可按下列經(jīng)驗公式估算：GD2=KD3.48L

式中 D——定子鐵芯內(nèi)徑（m）；

L——定子鐵芯長度（m）；

K——經(jīng)驗系數(shù)。

當要求的GD2值小于按上式估算的發(fā)電機本身能提供的GD2值時，則需增加發(fā)電機重量和造價，也延長了機組的啟動時間，增加了機組的空載開度，故需要綜合考慮，在滿足調(diào)節(jié)保證計算及電力系統(tǒng)穩(wěn)定要求的前提下，其值以接近機組結(jié)構(gòu)設(shè)計固有的飛輪力矩為宜。對于竹洞電站這樣的小機組，要增加飛輪力矩，最好的辦法就是加裝飛輪。

飛輪力矩對于給定的鋼體和轉(zhuǎn)軸，它是一個常數(shù)。GD2不能簡單地看成是轉(zhuǎn)子重量乘以某一直徑的平方，只有在均質(zhì)圓環(huán)的特殊情況下，才可以近似是這種關(guān)系，繞定軸轉(zhuǎn)動的物體都具有一定的轉(zhuǎn)動慣量，轉(zhuǎn)動慣量是物體在轉(zhuǎn)動過程中的慣性大小的量度，即反映物體維持原有運動狀態(tài)的能力。轉(zhuǎn)動慣量是指剛體內(nèi)各質(zhì)點的質(zhì)量與其轉(zhuǎn)軸距離平方的乘積，由轉(zhuǎn)動慣量的定義可以看出，在質(zhì)量相同的情況下，轉(zhuǎn)動慣量與質(zhì)量的分布有關(guān)。

在工程上往往用飛輪力矩GD2來代替轉(zhuǎn)動慣量，而飛輪力矩并不等于轉(zhuǎn)動慣量，它們之間的關(guān)系近似為GD2=4gj

在一定大小的力矩作用下，轉(zhuǎn)動慣量越大，角加速度越小，也就是角加速度越不容易改變。利用轉(zhuǎn)動物體的這種性質(zhì)，可以減少機組轉(zhuǎn)速的周期性波動。并且在機組發(fā)生甩負荷時，機組的轉(zhuǎn)速不至于急劇上升。經(jīng)過計算，竹洞電站發(fā)電機的飛輪力矩為：

式中 D——定子鐵芯內(nèi)徑為0.93m；

K——經(jīng)驗系數(shù)取5.5（查表所得）；

L——定子鐵芯長度0.99m。

求得：GD2=5.5×0.99X0.933.48=4.57972

飛輪的飛輪力矩為：0.358

水輪機轉(zhuǎn)輪的飛輪力矩為：0.02448

飛輪的與水輪機轉(zhuǎn)輪的飛輪力矩之和為：0.38248

可以看出：飛輪與水輪機轉(zhuǎn)輪的飛輪力矩不到發(fā)電機飛輪力矩的10%，所以我們認為將飛輪拆除不會對機組的穩(wěn)定造成很大的影響。同時，飛輪為鑄鋼件，沒有做動、靜平衡試驗，加工精度不高，不是一個均質(zhì)的圓環(huán)，很可能會產(chǎn)生一個不平衡的旋轉(zhuǎn)力，對機組產(chǎn)生了一個破壞性的振動源。

從電力系統(tǒng)方面來講，飛輪力矩除影響到發(fā)電機在甩負荷時的速度上升率外，還會影響系統(tǒng)負荷突變時發(fā)電機的穩(wěn)定性，當水輪發(fā)電機的負荷切除時，水輪機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩與發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩一時失去平衡，機組的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，對電力系統(tǒng)也會形成擾動。這臺機組雖然是并網(wǎng)運行，但對電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定不會有能感覺到的影響，因為容量相對于國家電網(wǎng)這個平臺實在是太小了。不像20世紀60、70年代，很多地方是小機組單機運行，需要單機進行調(diào)頻、調(diào)壓運行。目前像這樣的小機組并入電網(wǎng)，基本上是參與大電網(wǎng)的帶基荷運行。

從機組調(diào)節(jié)保證計算的角度分析，取消飛輪會使機組轉(zhuǎn)速上升率較快，但水輪發(fā)電機組本身的結(jié)構(gòu)設(shè)計又有比較好的避免方案，因為機組設(shè)計了全偏流裝置與水輪機逆向噴水裝置，但全是手動操作機構(gòu)，所以經(jīng)過分析后我們決定將偏流裝置與逆向噴水裝置都改為電動裝置，與并網(wǎng)開關(guān)的輔助觸點相連，這樣機組一跳閘，偏流裝置與逆向噴水裝置同時動作，這樣既控制了機組的轉(zhuǎn)速上升率又能保證管道壓力上升值在安全范圍內(nèi)。

4 處理結(jié)果

經(jīng)過上述分析，我們將飛輪拆除，重新加工一個均質(zhì)的聯(lián)軸器，將機組安裝后又開機，測得所有振動數(shù)據(jù)均符合要求，而且經(jīng)過甩負荷試驗，機組的振動、瓦溫、管道壓力上升值都達到了理想的效果，到目前為止，安全運行良好。