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        喀臘塑克電站水輪機(jī)組振動(dòng)的原因分析及處理

        2017-10-19 06:14:33鄒斌
        水能經(jīng)濟(jì) 2017年6期

        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):

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