鄒斌

【摘要】本文以一水電站的水力機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)、噪音的故障現(xiàn)象為依據(jù)，根據(jù) 專業(yè)人員在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)該水電站的試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)，分析機(jī)組的振動(dòng)原因和問題，并提出解決問題的建議。

【關(guān)鍵詞】水電站；試驗(yàn)；原因分析

1、概述

喀臘塑克電站位于新疆省阿勒泰地區(qū)的額爾齊斯河流域，屬于壩后式電站?？εD塑克水庫調(diào)節(jié)特性為不完全多年調(diào)節(jié)，水庫總庫容24.19億m3，調(diào)節(jié)庫容19.18億m3，壩高121.5m，水庫特征水位：正常蓄水位739m，死水位680m，校核洪水位（P=0.02%）743.60m，設(shè)計(jì)洪水位（P=0.1%）741.70m。電站總裝機(jī)4×40MW=160MW，年利用小時(shí)數(shù)3707h，多年平均設(shè)備發(fā)電量5.19億kw.h，保證出力14.4MW。水輪機(jī)型號(hào)HLX100-LJ-246，額定轉(zhuǎn)n=300r/min，工作最大水頭96m，最小水頭32m，額定水頭79.5m，額定流量51.75m3/s。多年平均含沙量0.994kg/m3，多年平均輸沙量330.57萬t。水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)是以水輪機(jī)為原動(dòng)力，從振動(dòng)發(fā)生的情況看，有的是水輪機(jī)本身的水力特性所決定的，有的是由一些偶然因素作用產(chǎn)生的。發(fā)電機(jī)是將水輪機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，在轉(zhuǎn)換過程中，由于某些方面如設(shè)計(jì)、加工，安裝或參數(shù)配合不當(dāng)也會(huì)引起發(fā)電機(jī)的磁振動(dòng)。從結(jié)構(gòu)上講，水輪發(fā)電機(jī)組可以分成兩大部分；轉(zhuǎn)動(dòng)部分和固定、支持部分。它們中任何一個(gè)部件存在機(jī)械缺陷時(shí)都可能引起機(jī)組的振動(dòng)，而這些缺陷可能是由設(shè)計(jì)、加工，安裝等任何一個(gè)環(huán)節(jié)所引起。因此，一般來說水輪發(fā)電機(jī)組有四大振動(dòng)部件；上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋、轉(zhuǎn)動(dòng)部分，異常情況下還有其他振動(dòng)部件，如定子鐵心等。水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng) 的危害。振動(dòng)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械不可避免的現(xiàn)象，若能將其振幅限制在允許范圍內(nèi)，就能確保機(jī)組安全正常運(yùn)行。但較大振動(dòng)對(duì)機(jī)組安全是不利的，會(huì)造成如下危害。1；使機(jī)組各連接部件松動(dòng)，使各轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件之間產(chǎn)生摩擦甚至掃膛而損壞。2；引起零部件或焊縫的疲勞，形成并擴(kuò)大裂縫 甚至斷裂。3；尾水管低頻壓力脈動(dòng)可使尾水管產(chǎn)生裂縫，當(dāng)其頻率與發(fā)電機(jī)或電力系統(tǒng)的自振頻率接近時(shí)，將發(fā)生共振，引起機(jī)組出力大幅度波動(dòng)，可能會(huì)造成機(jī)組從電力系統(tǒng) 中解列，甚至危及廠房及水工建筑物。

2、問題的原因

近期，喀臘塑克電站1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組噪音突然增大，運(yùn)行人員對(duì)其振動(dòng)、擺度進(jìn)行了測(cè)試，其數(shù)值上與次測(cè)量值相比變化不大，只有水導(dǎo)+X方向水平振動(dòng)和-Y方向的垂直振動(dòng)超出正常范圍，水電公司領(lǐng)導(dǎo)與匯通安裝公司領(lǐng)導(dǎo)研究決定對(duì)1號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行水下部件進(jìn)行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常狀況。喀臘塑克水電站機(jī)組在投入運(yùn)行以后，一直受到機(jī)組振動(dòng)、噪音的困擾。通常在水電站中水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生振動(dòng)和噪音的原因主要有三個(gè)方面，一是水力因素，即水力振動(dòng)；二是機(jī)械因素，即機(jī)械振動(dòng)；三是電磁因素，即電磁振動(dòng)。但是，電站建成以來，1、2、3、4號(hào)水輪發(fā)電機(jī)均有不同程度的振動(dòng)和噪音，為分析振動(dòng)的具體原因，新疆額河建管局水電公司工作人員與匯通安裝公司技術(shù)人員及新疆電力科學(xué)院專家一起進(jìn)行了專題試驗(yàn)，以便提出解決辦法。

3、機(jī)組試驗(yàn)結(jié)果及振動(dòng)、噪音原因分析

3.1 廠家試驗(yàn)成果分析

在廠家做的一次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，①當(dāng)機(jī)組在槳葉開度45.2%，導(dǎo)葉開度63.4%處開始出現(xiàn)異常響聲；至槳葉開度92.7%，導(dǎo)葉開度76.9%時(shí)異常響聲消失。當(dāng)機(jī)組處于手動(dòng)狀態(tài)，將槳葉角度固定在87.2%附近時(shí)，隨著導(dǎo)葉開度的增大，機(jī)組出力增加，至導(dǎo)葉開度為75%時(shí)達(dá)最大值35000kw，隨后機(jī)組的出力隨導(dǎo)葉開度的增大而呈下降趨勢(shì)，且機(jī)組水導(dǎo)處擺度值隨出力下降呈上升趨勢(shì)。從上述的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，機(jī)組的出力隨導(dǎo)葉開度的增大而呈下降趨勢(shì)，且機(jī)組水導(dǎo)處擺度值隨出力下降呈上升趨勢(shì)。②在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，將機(jī)組轉(zhuǎn)速提高到額定轉(zhuǎn)速的120%，此時(shí)振動(dòng)消失。生產(chǎn)廠家試驗(yàn)的結(jié)果認(rèn)為：機(jī)組振動(dòng)是機(jī)組在安裝過程中，整套水輪發(fā)電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)中心不是同心的，即主軸的軸心線與實(shí)際旋轉(zhuǎn)中心之間存在有一定的偏差而造成的。但是在生產(chǎn)廠家的試驗(yàn)報(bào)告表示“在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中，廠家還將機(jī)組轉(zhuǎn)速提高到額定轉(zhuǎn)速的120%，此時(shí)振動(dòng)消失”；從該現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得出的結(jié)論，可以知道該水輪機(jī)的轉(zhuǎn)速若按照60.0HZ來運(yùn)轉(zhuǎn)可大大減輕運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)。轉(zhuǎn)速與相應(yīng)的水流流態(tài)有關(guān)，所以該水輪機(jī)水力振動(dòng)的因素是否還需進(jìn)行更專業(yè)的試驗(yàn)。

3.2 新疆電力科學(xué)研究院的試驗(yàn)成果分析

電力科學(xué)研究院做的試驗(yàn)包括第1、2次變負(fù)荷試驗(yàn)、升降負(fù)荷和定槳變導(dǎo)葉試驗(yàn)、1次補(bǔ)氣試驗(yàn)、動(dòng)平衡試驗(yàn)和配重后變負(fù)荷試驗(yàn)、第2次定槳和補(bǔ)氣試驗(yàn)。電力科學(xué)研究院對(duì)試驗(yàn)的成果進(jìn)行綜合分析的結(jié)論是：①運(yùn)行實(shí)踐證明，當(dāng)水輪機(jī)導(dǎo)葉開度達(dá)到和超過40%以下及85%以上，即功率10.0MW以下及35.0MW以上時(shí)，轉(zhuǎn)輪室就出現(xiàn)異常聲響。而從振動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，喀臘舒克電站發(fā)電機(jī)組存在兩個(gè)振動(dòng)區(qū)域，一個(gè)低負(fù)荷振動(dòng)區(qū)和一個(gè)高負(fù)荷振動(dòng)區(qū)，1號(hào)機(jī)組在5.0MW-18.0MW附近和35.0MW以上工況振動(dòng)、擺動(dòng)和水壓脈動(dòng)值比較大，而且35.0MW以上工況振動(dòng)、擺動(dòng)和水壓脈動(dòng)值隨開度的增大顯著增大，轉(zhuǎn)輪室里也出現(xiàn)了異常聲響。從轉(zhuǎn)輪前壓力值變化與異常聲響的關(guān)系看，這種聲響與空化空蝕有關(guān)。②“轉(zhuǎn)輪室的異常聲響出現(xiàn)后機(jī)組構(gòu)件4倍轉(zhuǎn)頻的振動(dòng)也明顯增大，這說明轉(zhuǎn)輪室的異常聲響極有可能是水力引起的空蝕振動(dòng)噪聲?？梢钥隙ǖ氖悄壳暗漠惓Ｂ曧懖皇寝D(zhuǎn)輪葉片與轉(zhuǎn)輪室碰磨的聲音”。而且，初步判斷機(jī)組的的振動(dòng)應(yīng)該是與水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片開口不均勻而引起轉(zhuǎn)輪圓周水力不平衡也有關(guān)系。

3.3 喀臘塑克電站方面的分析

喀臘舒克電站提出了振動(dòng)噪音的原因，一是水輪機(jī)過流部件（尤其是漿葉的實(shí)際葉型型線與設(shè)計(jì)的葉型型線之間）的加工工藝有偏差，導(dǎo)致水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪圓周的水力不平衡；二是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的安裝中心與實(shí)際的要求有偏差；三是沒有根據(jù)中國(guó)的電網(wǎng)頻率（50HZ）對(duì)國(guó)外的電網(wǎng)頻率（60HZ）制造的機(jī)組進(jìn)行模型試驗(yàn)，造成引進(jìn)機(jī)組與實(shí)際機(jī)組在運(yùn)行方面工況的差異。其中水力振動(dòng)的振動(dòng)幅度是隨著水流量的增大而增大，其原因是因?yàn)樗啓C(jī)過流部件中的水力不平衡引起的；機(jī)械振動(dòng)的振動(dòng)幅度是隨著機(jī)組轉(zhuǎn)速的增大而增大，其原因是因?yàn)闄C(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的質(zhì)量不平衡引起的；電磁振動(dòng)的振動(dòng)幅度是隨著勵(lì)磁電流的增大而增大，其原因是由三相勵(lì)磁電流不平衡引起的。

4、分析結(jié)果

在上述兩家的試驗(yàn)結(jié)論中，廠家的試驗(yàn)結(jié)論著重強(qiáng)調(diào)機(jī)組安裝的原因引起機(jī)組的振動(dòng)，但是在試驗(yàn)的成果中，有明顯的水力振動(dòng)的因素存在；電力科學(xué)研究院的試驗(yàn)結(jié)論則著重強(qiáng)調(diào)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪過流部件的因素是引起機(jī)組振動(dòng)的主要因素，基本否定了機(jī)組安裝的原因引起機(jī)組的振動(dòng)。根據(jù)兩家的試驗(yàn)過程中所體現(xiàn)的現(xiàn)象，我們初步判定，造成該水電站振動(dòng)和噪音，主要的原因應(yīng)該有以下幾個(gè)方面：一是水輪機(jī)的過流部件，主要是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片的實(shí)際加工型線與設(shè)計(jì)的型線之間可能存在誤差；二是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪圓周的間隙引起的間隙空蝕引起水力不平衡而引起的振動(dòng)現(xiàn)象，這是典型的水力振動(dòng)頻率與葉片和機(jī)組的轉(zhuǎn)速有關(guān)；三是水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的開口不均勻，使得導(dǎo)葉的水流與轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)出口的水流流動(dòng)產(chǎn)生較大影響；四是機(jī)組在安裝過程中，整套水輪發(fā)電機(jī)組的旋轉(zhuǎn)中心不是同心的，即主軸的軸心線與實(shí)際旋轉(zhuǎn)中心之間存在有一定的偏差（此種幾率較小）。其中轉(zhuǎn)輪葉片的葉型型線的加工誤差應(yīng)該是主要原因。該水電站機(jī)組在投入運(yùn)行后一直產(chǎn)生振動(dòng)也能夠說明這些原因。

5、解決問題的建議

綜合上述的分析結(jié)果，針對(duì)這些問題，作者提出以下建議：

5.1 如果電廠在建成之前，購買電廠在簽訂購買設(shè)備合同時(shí)，應(yīng)該要求生產(chǎn)廠家說明該設(shè)備是從那里引進(jìn)？如果是引進(jìn)的，則要求生產(chǎn)廠家說明是否經(jīng)過模型試驗(yàn)；如果經(jīng)過模型試驗(yàn)，應(yīng)該提供模型試驗(yàn)的參數(shù)。

5.2 機(jī)組在運(yùn)行期間，應(yīng)該注意起運(yùn)行工況在額定范圍內(nèi)，定期對(duì)其進(jìn)行檢查，如果有異常聲響或出現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)、噪音突然增大，應(yīng)及時(shí)處理，必要時(shí)應(yīng)停機(jī)對(duì)其水下部件進(jìn)行檢查處理，避免轉(zhuǎn)輪中有雜物而影響機(jī)組運(yùn)行工況及性能。

5.3 盡量避免發(fā)電機(jī)組機(jī)組在低負(fù)荷振動(dòng)區(qū)域5.0MW至18.0MW以下附近工況和高負(fù)荷振動(dòng)區(qū)域35.0MW以上工況運(yùn)行。

6、結(jié)束語

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析我更加充分的認(rèn)識(shí)了水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組振動(dòng)原因，并提出了解決問題的建議，為解決同行業(yè)類似問題提供了借鑒，從而為水輪發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行提供保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]方友林.水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)過大的原因分析及處理方法研究[J].現(xiàn)代制造，2015（9）：51

[2] 張晉境，謝斐，黃霄，王蕓.曬谷坪電站臥式水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)問題分析與處理[J].水電與新能源，2015（10）：40-41

[3]孫文.水電站水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組振動(dòng)問題分析處理措施[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2016（10）