楊庚

摘要：電力是我國主要的能源之一，因此維護(hù)發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常重要。文章通過對發(fā)電機(jī)組中的水輪發(fā)電機(jī)組的振動超標(biāo)原因進(jìn)行分析，并以其為基礎(chǔ)，對水輪發(fā)電機(jī)組振動超標(biāo)的處理策略進(jìn)行了探究。

關(guān)鍵詞：發(fā)電機(jī)組；水輪；振動超標(biāo)；處理策略；電力工業(yè) 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM34 文章編號：1009-2374（2016）22-0068-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.22.033

電已經(jīng)成為我們生活中必不可少的元素。發(fā)電機(jī)組是電力工業(yè)中最為關(guān)鍵的設(shè)備之一，如今社會中技術(shù)較為成熟、應(yīng)用較為廣泛的是水輪發(fā)電機(jī)組。水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行工作過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)振動超標(biāo)的現(xiàn)象，這給發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)用帶來了極大的安全隱患。因此為了保證發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，對發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)振動超標(biāo)的原因及其處理策略進(jìn)行研究和探討是保證發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。

1 水輪發(fā)電機(jī)組振動超標(biāo)的原因

水輪發(fā)電機(jī)組設(shè)備在結(jié)構(gòu)上較為復(fù)雜，這也使得整個機(jī)組對運(yùn)行的環(huán)境有很高的要求，只有在特定環(huán)境下水輪機(jī)組才能正常運(yùn)行，因此，水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生故障的幾率很高。而且水輪發(fā)電機(jī)組振動超標(biāo)，對發(fā)電機(jī)組和人都會產(chǎn)生不好的影響。例如引起發(fā)電機(jī)組的部件松動，增大部件之間的摩擦，加快部件的損壞；不利于發(fā)電站的正常、安全運(yùn)行；振動超標(biāo)產(chǎn)生的噪音不利于工作人員及周圍居民的身心健康等。

水輪發(fā)電機(jī)組的振源有很多，其中主要的有三個，即機(jī)械振動、水力振動以及電磁振動。對這些振動，若把握得不好，就會使水輪發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)振動超標(biāo)的情況。下面對水輪發(fā)電機(jī)組的三個振源分別進(jìn)行分析：

1.1 機(jī)械振動

使水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生機(jī)械振動的原因有機(jī)組轉(zhuǎn)子的振擺、弓狀回旋、轉(zhuǎn)子“抖動”以及一些其他的機(jī)械

原因。

第一，機(jī)組轉(zhuǎn)子的振擺。作為引起水輪發(fā)電機(jī)機(jī)械振動的原因之一，機(jī)組轉(zhuǎn)子的振擺產(chǎn)生的振動頻率是以轉(zhuǎn)頻為主頻，與倍轉(zhuǎn)頻混合的頻率。機(jī)組轉(zhuǎn)子的振擺是指軸承在機(jī)組轉(zhuǎn)子的總軸向力偏離了軸承的中心時，因為其受力不均勻產(chǎn)生的軸向變形，從而使得機(jī)組轉(zhuǎn)子發(fā)生振擺。特別是出現(xiàn)軸承的大軸中心位置不正、軸線不直或不平、導(dǎo)軸承的中心與轉(zhuǎn)子中心不在同一點(diǎn)、水輪機(jī)不在最好的工作環(huán)境等情況時，轉(zhuǎn)子振擺的頻率會尤其高。

第二，因機(jī)組轉(zhuǎn)動件之間不平衡引起的弓狀回旋。這里的弓狀回旋主要是由水輪發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動件的質(zhì)量不平衡、質(zhì)量偏心所引起的，此時振擺頻率和轉(zhuǎn)速頻率達(dá)到一致。機(jī)組轉(zhuǎn)動部件的質(zhì)量不平衡、質(zhì)量偏心等問題，很容易導(dǎo)致轉(zhuǎn)動部件在轉(zhuǎn)動過程中，產(chǎn)生離心力，從而引起弓狀回旋，造成水輪發(fā)電機(jī)的振動。當(dāng)轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)速近似等于臨界轉(zhuǎn)速的時候，甚至?xí)a(chǎn)生共振，對水輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生非常不好的影響。機(jī)組轉(zhuǎn)動部件出現(xiàn)質(zhì)量不平衡，大多數(shù)都是因為其在制造、安裝或者是檢修的時候出現(xiàn)了紕漏。

第三，轉(zhuǎn)子“抖動”。轉(zhuǎn)子“抖動”是一種橫向振動，該振動的方向剛好是軸回轉(zhuǎn)的反方向，振動的頻率與軸產(chǎn)生振動的頻率相同。轉(zhuǎn)子“抖動”是指水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中，導(dǎo)軸承出現(xiàn)松動或者間隙不合適、剛性沒達(dá)到要求，并且機(jī)組的運(yùn)行不穩(wěn)定、潤滑工作沒做到位的時候，導(dǎo)軸承與轉(zhuǎn)軸發(fā)生干摩擦，使得軸承出現(xiàn)反方向的旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生的橫向振動。

第四，其他機(jī)械原因引起的振動。除了上述原因，還有一些機(jī)械原因會引起機(jī)械振動。例如因為導(dǎo)軸承的質(zhì)量太差、導(dǎo)軸承間隙過大或過小、水輪機(jī)徑向盤的盤根密封調(diào)整得不恰當(dāng)、潤滑沒達(dá)到要求等。

1.2 水力振動

水力振動大致可以分為由尾水管渦帶引起的振動、卡爾門渦列引起的振動、狹鋒射流引發(fā)的振動、協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引發(fā)的振動等。

第一，尾水管渦帶引起的振動。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組的工作的實際負(fù)荷與設(shè)計負(fù)荷相一致的時候，轉(zhuǎn)輪流出的水流方向才會與軸承的轉(zhuǎn)向相同。實際負(fù)荷大于或者小于設(shè)計負(fù)荷都有可能引起尾水管里面壓力脈動，這個脈動的頻率f等于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速n除以經(jīng)驗值Z，再除以60。其中的經(jīng)驗值Z一般為3～4，偶爾取到1～5。頻率的值以及其幅度會根據(jù)發(fā)電機(jī)組的工作狀況而做出相應(yīng)的改變。當(dāng)尾水管內(nèi)的壓力脈動頻率值與過水系統(tǒng)水壓脈動頻率值相似時，水輪發(fā)電機(jī)組整個過流系統(tǒng)的水壓脈動就會不斷地變強(qiáng)，發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生振動；假如水輪發(fā)電機(jī)組在“飛逸”泄水的工作狀態(tài)下，水輪發(fā)電機(jī)的尾水管進(jìn)水的地方，就會因為水流的沖擊而產(chǎn)生更大的壓力脈動，從而導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)組的振動超出標(biāo)準(zhǔn)。

第二，卡爾門渦列引起的振動?？栭T渦列即當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)輪葉片和導(dǎo)葉在大沖角或者在尾部不平滑的出水邊上時，在水流繞流葉片的上表面和下表面，邊界層因為脫流而在繞流物后面出現(xiàn)的漩渦。假如水輪發(fā)電機(jī)組的葉片、導(dǎo)葉以及固定導(dǎo)葉出現(xiàn)振動，其原因很有可能就是卡門渦列的形成?？栭T渦列引起的振動的振動頻率f等于斯特勞哈系數(shù)Sr乘以繞流流速V，再除以板厚或者圓柱體直徑d。其中斯特勞哈系數(shù)Sr一般的取值范圍為0.20～0.27。

第三，狹鋒射流引發(fā)的振動。狹鋒射流即在軸流式水輪發(fā)電機(jī)組中，轉(zhuǎn)輪葉片的外邊緣與內(nèi)壁之間，會由于轉(zhuǎn)輪葉片的工作面與背面之間的流體壓力差，而出現(xiàn)一股射流，這股射流具有高速、低壓的特點(diǎn)。轉(zhuǎn)輪在轉(zhuǎn)動過程中，隨著轉(zhuǎn)輪葉片的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)室的內(nèi)壁受到的流體壓力會變化，一會兒高，一會兒低，就容易使水輪機(jī)組發(fā)生振動。并且狹鋒射流引發(fā)的振動的振動頻率f等于水輪機(jī)葉片數(shù)Z1與水輪機(jī)轉(zhuǎn)速n的乘積除以60。其中水輪機(jī)葉片數(shù)一般為6片。

第四，協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引發(fā)的振動。在軸流式的水輪發(fā)電機(jī)組中，水輪機(jī)的葉片與導(dǎo)葉之間的協(xié)聯(lián)關(guān)系很重要，如果水輪機(jī)的葉片與導(dǎo)葉之間的協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確，水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速會因為調(diào)速器系統(tǒng)的振蕩過程的邊長而發(fā)生改變，水流不斷的沖擊著葉片，出現(xiàn)振動。當(dāng)葉片因為水流的進(jìn)入出現(xiàn)干擾，這個協(xié)聯(lián)關(guān)系就容易遭受破壞，葉片的表面出現(xiàn)脫流或者空化的現(xiàn)象，進(jìn)而使得葉片發(fā)生振動。

第五，其他原因引發(fā)的振動。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重汽蝕的時候，水輪發(fā)電機(jī)組會因為運(yùn)作不順利，產(chǎn)生不同程度的振動和不同強(qiáng)度的噪聲。特別是在低負(fù)荷的時候，轉(zhuǎn)輪葉片的沖角變化不同往常，變化比較大，轉(zhuǎn)輪葉片表面出現(xiàn)的脫流漩渦，會使得發(fā)電機(jī)組的汽蝕情況惡化，與此同時，還極有可能引發(fā)轉(zhuǎn)動部件以及尾水管振動，使發(fā)電機(jī)組的振動出現(xiàn)嚴(yán)重超標(biāo)的情形。除了汽蝕，在水輪發(fā)電機(jī)組準(zhǔn)備停機(jī)或者甩負(fù)荷的過程中，導(dǎo)葉在即將關(guān)閉的時候出現(xiàn)的反水錘也會誘發(fā)水輪發(fā)電機(jī)組振動。除了上述的兩種情況，過渡過程中的地勢不平、導(dǎo)葉與葉片之間的耦合、部件形狀的不對稱等原因，也會引發(fā)水輪發(fā)電機(jī)組振動。

1.3 電磁振動

水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生電磁振動，大多是因為在其設(shè)計、制造或安裝過程中出現(xiàn)電磁力不平衡、參數(shù)匹配不恰當(dāng)?shù)取Ｆ渲兄饕脑蚩梢愿爬橐韵挛妩c(diǎn)：

第一，轉(zhuǎn)子圓度不符合要求或者轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)中心不到位。

第二，因為受力不平衡，而導(dǎo)致的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動部分振動，并且該振動的振動幅度會隨著勵磁電流的增大而不斷增大。

第三，在電路出現(xiàn)短路的情況時，很有可能會使得某些磁極的磁動勢減小，但是與其相對應(yīng)的磁極的磁動勢并沒有隨之發(fā)生變化，那么就會出現(xiàn)一個跟轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的輻向不平衡的電磁力，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子振動。并且該振動幅度會隨著定子電流的變大而不斷增大，電流越強(qiáng)，振動級別隨之變強(qiáng)。

第四，定子鐵芯松動或者定子鐵芯組合之間的縫隙大小發(fā)生改變，而誘發(fā)的振動會因為機(jī)組轉(zhuǎn)速的變化而相應(yīng)的發(fā)生變化，這時的振動頻率幾乎電流頻率成倍數(shù)關(guān)系。

第五，假如定子繞組固定得不夠牢固，機(jī)組和繞組在電磁負(fù)荷比較高的時候，將出現(xiàn)不同頻率的振動，并且該振動頻率會因為機(jī)組轉(zhuǎn)速和電磁負(fù)荷的變化而不斷變化。

2 水輪發(fā)電機(jī)組振動超標(biāo)的處理策略

通過以上對水輪發(fā)電機(jī)組振源的分析，可以了解到發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)振動超標(biāo)的原因有很多，每一個振源發(fā)生振動頻率過高的問題，都有可能導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)組的振動不符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。然而發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)振動超標(biāo)會帶來的危害頗多，因此必須采取預(yù)防措施，提高制造和安裝質(zhì)量，減小產(chǎn)品誤差，減少振源。其主要措施有：

第一，盡量在發(fā)電機(jī)組的設(shè)計、制造、安裝與使用上做到嚴(yán)格根據(jù)要求進(jìn)行。利用科學(xué)技術(shù)，盡可能地提高發(fā)電機(jī)組的各部件的質(zhì)量，合理的設(shè)計、配置，以減少出現(xiàn)部件的質(zhì)量不平衡的情形。仔細(xì)檢查對每一個部件，在水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計過程中，對可能引起質(zhì)量不平衡、質(zhì)量偏心的部件，都必須采取配重措施。

第二，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的安裝過程中，要格外注意轉(zhuǎn)子的位置、中心、潤滑等，提高轉(zhuǎn)子安裝質(zhì)量，盡可能避免轉(zhuǎn)子出現(xiàn)質(zhì)量不平衡的情況。必要時還可以使用先進(jìn)儀器和平衡配重等軟件，對現(xiàn)場的平衡進(jìn)行精確的是試驗，力求將機(jī)組轉(zhuǎn)動部件出現(xiàn)質(zhì)量不平衡的幾率降到最小，甚至為零。

第三，在水輪發(fā)電機(jī)組的設(shè)計過程中，采取必要的措施，防止出現(xiàn)因磁軛不均勻而產(chǎn)生的徑向位移。

第四，對水輪發(fā)電機(jī)組的支承結(jié)構(gòu)，要確保其有足夠的動、靜剛度。

第五，制造、安裝過程中注意定子、轉(zhuǎn)子圓度和同心度，即水輪發(fā)電機(jī)組的定子、轉(zhuǎn)子圓度以及同心度的制造和安裝，要嚴(yán)格地遵循其要求。

第六，發(fā)電機(jī)定子采用分?jǐn)?shù)組繞組時，進(jìn)行次諧波振動、噪聲分析及核算。

第七，尋找最好的有關(guān)于分?jǐn)?shù)槽定子的接線方式，以達(dá)到減小次諧波的量級的目的。

第八，調(diào)整定子機(jī)架的固有頻率，讓它盡量與二倍極頻不同。

第九，零部件的固有頻率應(yīng)主動避開現(xiàn)場振源頻率，即水輪發(fā)電機(jī)組的零部件的固有頻率應(yīng)該與現(xiàn)場振源頻率不同或者不在同一個時間使用相同頻率的部件，以避免發(fā)生共振。

第十，做好水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)的實時監(jiān)測、故障診斷以及故障排查與解決。對發(fā)電站的工作人員進(jìn)行技術(shù)的培訓(xùn)，讓他們都清楚發(fā)電機(jī)組的振源以及其相應(yīng)的特性，能夠在現(xiàn)場進(jìn)行機(jī)組振動的測試，并且能夠分析測試結(jié)果，解決振動問題。

3 結(jié)語

通過水輪發(fā)電機(jī)組振動超標(biāo)原因的分析，可以大致對發(fā)電機(jī)組振動超標(biāo)的原因有一個粗略的了解，針對這些原因，提出了相應(yīng)的預(yù)防和處理措施，并希望通過這些總結(jié)提升發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的質(zhì)量，為系統(tǒng)的正常運(yùn)行打下基礎(chǔ)。

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（責(zé)任編輯：蔣建華）