黃 健，梅 勇，王 朋，張樹峰，盧 娜

（1.河南省信陽市鲇魚山水庫管理局，河南 商城465300；2.河南鄭大水利科技有限公司，河南 鄭州 450001；3.新華水力發(fā)電有限公司，河南 洛寧471700；4.鄭州大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州450001）

0 引言

對(duì)于小型水電站，在其運(yùn)行過程中會(huì)受到電磁、機(jī)械、水力等多方面因素的影響[1]，從而出現(xiàn)不同形式的振動(dòng)、擺度等現(xiàn)象。水輪機(jī)振動(dòng)所造成的危害很大，不僅會(huì)造成自身結(jié)構(gòu)的損壞，還會(huì)影響到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定，甚至對(duì)運(yùn)行人員的生命安全造成威脅[2]。

水輪機(jī)振動(dòng)、擺度是反應(yīng)機(jī)組運(yùn)行狀況好壞的一個(gè)重要參數(shù)，它取決于機(jī)組設(shè)計(jì)、制造水平和安裝質(zhì)量[3]。通過監(jiān)測大軸擺度，可以判斷機(jī)組的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性能。通常機(jī)組在不同工況下的大軸擺度是保持在一定范圍內(nèi)的，如果擺度超標(biāo)，機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定，便存在安全隱患，因此，當(dāng)發(fā)現(xiàn)機(jī)組擺度超標(biāo)時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)擺度超標(biāo)的原因進(jìn)行綜合分析，選取合適的措施及時(shí)進(jìn)行處理。

1 電站概況

位于黃河一級(jí)支流洛河干流上的某渠道引水式水電站，于2014年完成了增效擴(kuò)容技術(shù)改造，目前電站裝機(jī)3臺(tái)，總?cè)萘繛?6500kW（6500kW+2×5000kW）。該電站機(jī)組為立軸懸吊式混流機(jī)組，其推力軸承主要承擔(dān)軸向力，上下導(dǎo)軸承承擔(dān)徑向力，水輪機(jī)導(dǎo)軸承為鎢金分塊瓦可調(diào)式結(jié)構(gòu)，主要采用稀油潤滑，設(shè)計(jì)雙邊瓦間隙和為0.25～0.35mm。

水輪發(fā)電機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 水輪發(fā)電機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)表

2 機(jī)組擺度問題描述

該電站自1993年建成投產(chǎn)以來，在多次檢修時(shí)均發(fā)現(xiàn)機(jī)組緊固部件并無松動(dòng)，但上導(dǎo)瓦間隙變大。在3臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組中，3號(hào)機(jī)組的情況尤為嚴(yán)重。自1998年大修后3號(hào)機(jī)組上導(dǎo)軸承處擺度值在各機(jī)組同工況下最大，期間多次匯同專家查找原因、配重以及盤車處理，均未能有效解決問題。

通過對(duì)3號(hào)機(jī)組進(jìn)行技術(shù)改造，對(duì)大軸進(jìn)行加工處理，改造后各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均正常，其中上導(dǎo)擺度-X方向不大于0.20mm，-Y方向不大于0.19mm。改造完成后3號(hào)機(jī)組長時(shí)間保持正常運(yùn)行。但是在近期監(jiān)測到3號(hào)機(jī)組的上導(dǎo)擺度值突然變大，最大值達(dá)到了0.40mm，超過了設(shè)計(jì)要求的雙邊瓦間隙和值（0.25～0.35mm）；同時(shí)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)值有增大的趨勢(shì)，嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。基于此，對(duì)機(jī)組推力機(jī)架和頂蓋的振動(dòng)值進(jìn)行全面測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 3號(hào)機(jī)組試驗(yàn)各測點(diǎn)振動(dòng)速度均方根值 單位：mm/s

運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測是提高機(jī)組運(yùn)行安全性、可靠性，降低維護(hù)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益的重要途徑[4]。通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：當(dāng)3號(hào)機(jī)組的有功處于3.6MW至空載區(qū)間時(shí)，各導(dǎo)瓦瓦溫正常，且水導(dǎo)擺度值滿足設(shè)計(jì)要求的不大于0.40mm，但是其上導(dǎo)擺度值偏大大（設(shè)計(jì)要求不應(yīng)超過0.36mm），同時(shí)在-X和-Y方向的最大擺度值分別達(dá)到了0.35mm和0.60mm。機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)表明，除上導(dǎo)擺度以外，機(jī)組其他各部位監(jiān)測數(shù)據(jù)均滿足相關(guān)要求，對(duì)機(jī)組進(jìn)行加勵(lì)磁試驗(yàn)，加勵(lì)后機(jī)組上導(dǎo)在-Y方向上的擺度值由原來的0.46mm增大至0.59mm。

3 機(jī)組擺度超標(biāo)原因分析

3.1 發(fā)電機(jī)機(jī)械部分檢查

發(fā)電機(jī)機(jī)械部分連接松動(dòng)是造成機(jī)組擺度超標(biāo)常見的原因之一。實(shí)際情況是，發(fā)電機(jī)有時(shí)候會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)異常，固定部分組合連接螺栓松動(dòng)或者結(jié)構(gòu)性變形，破壞了機(jī)組的原有平衡和正常約束力，導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定，結(jié)果擺動(dòng)幅度加大。在這種情況下，我們對(duì)發(fā)電機(jī)多個(gè)部位（包括定轉(zhuǎn)子組合螺栓、磁極鍵、大軸連接螺栓、磁軛鍵、推力頭切向鍵、上機(jī)架構(gòu)架及千斤頂?shù)龋┻M(jìn)行盤查，均未發(fā)現(xiàn)松動(dòng)、開焊、變形、斷裂等異?，F(xiàn)象。

3.2 上導(dǎo)軸承分解檢查

排除發(fā)電機(jī)機(jī)械部分連接松動(dòng)后，對(duì)上導(dǎo)軸承進(jìn)行分解和檢查。經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，上導(dǎo)瓦間隙值與檢修前原始間隙值存在較大差異，且各上導(dǎo)瓦間隙均有明顯增大的現(xiàn)象。通過對(duì)比檢修前后上導(dǎo)瓦間隙（如圖1所示，圖中1～6為上導(dǎo)瓦瓦號(hào)，○外部數(shù)字為各上導(dǎo)瓦間隙值，單位0.01mm）：雙邊最大間隙出現(xiàn)在2號(hào)、5號(hào)瓦處，已由上次大修給定設(shè)計(jì)間隙和的0.25mm增值0.65mm。

圖1 檢修前后上導(dǎo)瓦間隙對(duì)比示意圖（左：檢修前，右：檢修后）

通過修改抗重螺栓給進(jìn)量，間接確保了上導(dǎo)瓦間隙及其與軸領(lǐng)相隔的長度，為了保證間隙值不變，修改之后使用限位鎖定機(jī)構(gòu)把抗重螺栓鎖死，最后對(duì)抗重螺栓鎖緊程度和上導(dǎo)軸承機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行查驗(yàn)，并未出現(xiàn)不正常松動(dòng)的情況。

3.3 動(dòng)平衡試驗(yàn)

水電站機(jī)組受制造、安裝等影響，可能會(huì)造成機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分重量不完全對(duì)稱，從而造成機(jī)組大軸擺度或者機(jī)架振動(dòng)增大，使機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)惡化，各項(xiàng)大軸擺度、機(jī)架振動(dòng)超標(biāo)。水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)大多由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起，進(jìn)行轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)是水輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)的重要內(nèi)容[5]。針對(duì)3號(hào)機(jī)組存在的動(dòng)平衡問題，最有效的解決方法就是對(duì)機(jī)組進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，同時(shí)通過對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分配重加以解決。

（1）測試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合機(jī)組具體參數(shù)，率定機(jī)組運(yùn)行限值如下頁表3所示。

（2）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

成立試驗(yàn)組織機(jī)構(gòu)，明確各方責(zé)任；準(zhǔn)備機(jī)組試驗(yàn)所需資料及方案，確定試驗(yàn)中的聯(lián)絡(luò)方式，落實(shí)試驗(yàn)日期和時(shí)間；參與試驗(yàn)的有關(guān)各方聯(lián)系妥當(dāng)，試驗(yàn)人員到場；試驗(yàn)設(shè)備及儀器運(yùn)至現(xiàn)場，開箱檢查、設(shè)備完好無損、精度滿足試驗(yàn)要求；被測試機(jī)組的機(jī)、電、水三部分均正常，具備開機(jī)試驗(yàn)條件，做好異常情況的保護(hù)措施。

表3 機(jī)組測試參數(shù)穩(wěn)定性限值表

選定的試驗(yàn)主要儀器設(shè)備有：TTS332水機(jī)綜合測試分析儀，測量精度0.5%；ZA211100電渦流位移傳感器；MLS-9W型振動(dòng)位移傳感器。

（3）試驗(yàn)測點(diǎn)布置

測點(diǎn)的選擇和布置是有效獲取機(jī)組振動(dòng)信息的重要環(huán)節(jié)，將直接影響振動(dòng)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性[6]。本次試驗(yàn)測點(diǎn)的布置主要包括大軸擺度測點(diǎn)、振動(dòng)測點(diǎn)和勵(lì)磁、負(fù)荷電壓測點(diǎn)。

大軸擺度測點(diǎn)的布置：上導(dǎo)擺度測點(diǎn)（+X、+Y方向各1個(gè)）：傳感器支架固定在上導(dǎo)上部法蘭上；下導(dǎo)（法蘭）擺度測點(diǎn)（+X、+Y方向各1個(gè)）：傳感器支架固定在下導(dǎo)油槽蓋板上；水導(dǎo)擺度測點(diǎn)（+X、+Y方向各1個(gè)）：傳感器支架固定在水導(dǎo)油槽蓋板上；大軸擺度鍵相測點(diǎn)：傳感器支架固定在水導(dǎo)油槽蓋板上（與水導(dǎo)+Y擺度測點(diǎn)共用1個(gè)支架，兩點(diǎn)垂直距離15mm）。

振動(dòng)測點(diǎn)的布置：上機(jī)架水平方向（+X、+Y方向各1個(gè)）：傳感器直接安裝在上機(jī)架支臂上；定子基座水平方向（+X、+Y方向各1個(gè)）：傳感器直接安裝定子基座外壁上；定子機(jī)座垂直方向（+Y方向）：傳感器直接安裝定子基座外壁上。

勵(lì)磁、負(fù)荷電壓測點(diǎn)：勵(lì)磁電壓、負(fù)荷信號(hào)采用人工記錄。

（4）試驗(yàn)步驟

Step1，試驗(yàn)準(zhǔn)備：試驗(yàn)電源及工作臺(tái)就位，傳感器及定位鍵相片安裝調(diào)校完畢，申請(qǐng)開機(jī)試驗(yàn)。

Step2，空轉(zhuǎn)運(yùn)行：空轉(zhuǎn)運(yùn)行30min，測試并記錄開機(jī)過程及運(yùn)行穩(wěn)定后的機(jī)組各測點(diǎn)信號(hào)。

Step3，變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)：以60%ne→80%ne→100%ne為工況順序，并保持各工況穩(wěn)定運(yùn)行。首先保持電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁不變，機(jī)組以不同轉(zhuǎn)速運(yùn)行穩(wěn)定5min后，測量機(jī)組各部位的振動(dòng)和大軸擺度。變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)可以查清機(jī)械因素（動(dòng)不平衡）對(duì)機(jī)組的影響。

Step4，變勵(lì)磁試驗(yàn)：保持機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速工況下運(yùn)行，對(duì)勵(lì)磁電流進(jìn)行調(diào)整，穩(wěn)定運(yùn)行5min，測量對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電壓，勵(lì)磁電流可以取發(fā)電機(jī)空載額定電壓對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁電流的0～100%。變勵(lì)磁試驗(yàn)可以查明電磁因素（電磁不平衡）對(duì)機(jī)組的影響。

Step5，變負(fù)荷試驗(yàn)：機(jī)組從并網(wǎng)后0MW運(yùn)行開始，負(fù)荷每增加1MW為一測次，逐步增至測試水頭下最大負(fù)荷。每工況穩(wěn)定運(yùn)行5min。變負(fù)荷試驗(yàn)通過保持機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速或者是額定勵(lì)磁工況下穩(wěn)定運(yùn)行，以便于分析水力因素對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性能的影響。

3.4 動(dòng)平衡試驗(yàn)結(jié)果分析

3.4.1 試驗(yàn)結(jié)果

3號(hào)機(jī)組完成動(dòng)平衡試驗(yàn)后，在機(jī)組配重處理前分別對(duì)3號(hào)機(jī)組進(jìn)行了變轉(zhuǎn)速、變勵(lì)磁、變負(fù)荷測試，3號(hào)機(jī)組各工況下測點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果如表4和表5所示。

表4 3號(hào)機(jī)組大軸擺度值測試結(jié)果 單位：μm

表5 3號(hào)機(jī)組振動(dòng)值測試結(jié)果 單位：μm

3.4.2 機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性分析

（1）機(jī)組在空載、額定勵(lì)磁以及帶負(fù)荷運(yùn)行工況下機(jī)組大軸擺度較大，上導(dǎo)、下導(dǎo)以及水導(dǎo)擺度均超標(biāo)，特別是Y方向擺度較大；上機(jī)架在水平方向的振動(dòng)值小于在70μm；當(dāng)負(fù)荷小于4MW時(shí)，機(jī)組上機(jī)架在垂直方向的振動(dòng)值，以及定子機(jī)座在水平和垂直方向的振動(dòng)值均小于20μm。

（2）根據(jù)變轉(zhuǎn)速測試結(jié)果，機(jī)組基本不存在動(dòng)平衡問題。為了進(jìn)一步驗(yàn)證動(dòng)平衡問題，在計(jì)算出可能存在動(dòng)平衡的方位（圖2）試加一個(gè)較小（0.5kg）配重塊，在轉(zhuǎn)子上部距離旋轉(zhuǎn)中心0.7m風(fēng)扇葉輪內(nèi)沿，根據(jù)加上配重塊后額定轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)各測點(diǎn)振動(dòng)、擺度測試結(jié)果（表6），引起機(jī)組擺度、振動(dòng)增加，因此該機(jī)組不存在動(dòng)平衡問題，將該配重塊取消。

圖2 3號(hào)機(jī)組試重位置示意圖

表6 3號(hào)機(jī)組試重0.5kg振動(dòng)、擺度測試結(jié)果 單位：μm

（3）根據(jù)變勵(lì)磁試驗(yàn)結(jié)果，機(jī)組不存在明顯的磁拉力，加上勵(lì)磁后對(duì)機(jī)組有約束力，運(yùn)行穩(wěn)定性有好轉(zhuǎn)，大軸擺度、機(jī)架振動(dòng)有所改善。

（4）機(jī)組負(fù)荷從0～4.0MW機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性基本無明顯變化，只有在4.3MW擺度、振動(dòng)約有增加，帶負(fù)荷后對(duì)機(jī)組穩(wěn)定性影響不大。

（5）機(jī)組在轉(zhuǎn)速較低工況下大軸擺度也較大，并且X、Y向2個(gè)方向上的擺度值相差較多，軸心軌跡不規(guī)則。分析認(rèn)為是目前大軸旋轉(zhuǎn)中心有偏移，不在旋轉(zhuǎn)中心，上、下、水導(dǎo)軸承不同心。根據(jù)機(jī)組的的情況，水導(dǎo)軸承有偏磨，存在與大軸間隙不均勻，軸瓦間隙較大，對(duì)大軸徑向約束作用不夠。

3.5 動(dòng)平衡試驗(yàn)分析結(jié)果

動(dòng)平衡試驗(yàn)中分別完成了3號(hào)機(jī)組變轉(zhuǎn)速、帶勵(lì)磁、變負(fù)荷的擺度和振動(dòng)測試，依據(jù)相關(guān)國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)所測試點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，分析了機(jī)組動(dòng)平衡問題，3號(hào)機(jī)組不存在明顯的動(dòng)平衡問題和磁拉力不平衡問題。

分析認(rèn)為3號(hào)機(jī)組目前主要是由于機(jī)組旋轉(zhuǎn)中心偏移、上下水導(dǎo)不同心造成運(yùn)行中大軸有傾斜，大軸擺度較大，建議對(duì)3號(hào)機(jī)組水導(dǎo)瓦進(jìn)行檢查處理，重新調(diào)整上下水導(dǎo)瓦間隙，檢查同心度，確保機(jī)組旋轉(zhuǎn)中心同心、大軸不傾斜。

4 擺度超標(biāo)缺陷的處理及修后試驗(yàn)

根據(jù)上述理論分析和試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)水導(dǎo)軸瓦進(jìn)行復(fù)核，在處理擺度超標(biāo)缺陷過程中，更換新的水導(dǎo)軸瓦重新研磨，將上導(dǎo)瓦放置于運(yùn)行瓦位，重新調(diào)整間隙，如圖3所示。

圖3 檢修前水導(dǎo)瓦間隙與更換水導(dǎo)瓦后間隙示意圖

水導(dǎo)瓦檢修后對(duì)機(jī)組進(jìn)行穩(wěn)定性測試試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7：

表7 3號(hào)機(jī)組檢修后擺度測定結(jié)果

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：在不同工況下機(jī)組在-X和-Y方向的擺度值均小于設(shè)計(jì)規(guī)范要求的0.15mm，機(jī)組運(yùn)行正常，驗(yàn)證了上述處理措施是合適的，達(dá)到了良好的處理效果。

5 結(jié)語

根據(jù)上述技術(shù)措施對(duì)機(jī)組擺度超標(biāo)問題進(jìn)行處理后，機(jī)組至今保持穩(wěn)定運(yùn)行，未發(fā)生擺度超標(biāo)現(xiàn)象。由此證明，針對(duì)3號(hào)機(jī)組擺度超標(biāo)的原因分析準(zhǔn)確到位，處理措施合理有效，解決了機(jī)組擺度超標(biāo)的問題。3號(hào)水輪機(jī)水導(dǎo)軸承經(jīng)過長期運(yùn)行磨損接近標(biāo)準(zhǔn)最大限值時(shí)，會(huì)造成機(jī)組擺度逐漸增大現(xiàn)象，因水導(dǎo)軸承是原動(dòng)機(jī)控制第一道環(huán)節(jié)，與盤車時(shí)控制點(diǎn)相反，在調(diào)整間隙時(shí)一定要引起重視。建議對(duì)于同類小型混流式機(jī)組在運(yùn)行過程中出現(xiàn)擺度超標(biāo)現(xiàn)象時(shí)，可以參照本文提出的原因分析思路進(jìn)行系統(tǒng)分析，尤其機(jī)組經(jīng)過長期運(yùn)行，存在磨損、變形等問題，在檢修中應(yīng)嚴(yán)格按照國家、行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，盡力控制指標(biāo)下線，確保機(jī)組檢修質(zhì)量。