史恩澤

（太平灣發(fā)電廠，遼寧 丹東118000）

0 概述

太平灣發(fā)電廠長(zhǎng)甸電站位于遼寧省寬甸滿族自治縣境內(nèi)，是中朝界河鴨綠江中下游水豐電站的擴(kuò)建工程，與水豐電站共用一個(gè)水庫(kù)。廠區(qū)由A站和B站兩座引水式廠房組成，其中A站于1986年開(kāi)工建設(shè)，廠房?jī)?nèi)安裝1號(hào)和2號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組，1989年10月2臺(tái)機(jī)組相繼投產(chǎn)發(fā)電；B站于2011年6月開(kāi)工建設(shè)，廠房?jī)?nèi)安裝3號(hào)和4號(hào)水輪發(fā)電機(jī)組，2014年9月2臺(tái)機(jī)組相繼投產(chǎn)發(fā)電。

長(zhǎng)甸電站4號(hào)機(jī)組主設(shè)備由哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司制造、中國(guó)水電第六工程局安裝，水輪機(jī)結(jié)構(gòu)型式為立軸混流式，型號(hào)為HL883A-LJ-442；發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)型式為傘式，型號(hào)為SF100-40/9200，推力軸承安裝在轉(zhuǎn)子下方的下機(jī)架上，上機(jī)架為井字梁結(jié)構(gòu)型式，中心體內(nèi)裝置楔子板式上導(dǎo)軸承，下導(dǎo)軸承位于下機(jī)架中心體內(nèi)。當(dāng)上游庫(kù)區(qū)水位在80～123.3m范圍的條件下，該機(jī)組具備發(fā)電運(yùn)行的條件。

1 問(wèn)題的提出

1.1 投產(chǎn)發(fā)電以來(lái)機(jī)組的運(yùn)行情況

長(zhǎng)甸電站4號(hào)機(jī)組自投產(chǎn)發(fā)電以來(lái)，一直存在著上機(jī)架徑向振動(dòng)和上導(dǎo)主軸處擺度超標(biāo)問(wèn)題，在2014年8月機(jī)組調(diào)試階段進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn)時(shí)，測(cè)量數(shù)據(jù)顯示在空載無(wú)勵(lì)狀態(tài)下上導(dǎo)擺度X向355μm、Y向349μm、上機(jī)架徑向振動(dòng)342μm；空載加勵(lì)時(shí)，上導(dǎo)擺度X向342μm、Y向356μm、上機(jī)架徑向振動(dòng)342μm，隨著負(fù)荷的增加，上導(dǎo)擺度呈減少趨勢(shì)，帶84MW負(fù)荷時(shí)（當(dāng)時(shí)上游水位93.96m，已是最大負(fù)荷），上導(dǎo)擺度X向290μm、Y向280μm。負(fù)荷15MW工況下，上機(jī)架徑振動(dòng)最大為434μm。兩者均出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象（標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定上導(dǎo)擺度≤230μm，上機(jī)架徑向振動(dòng)≤90μm)，其他各部位振動(dòng)、擺度均符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。

2015年5 月以后，由于上游庫(kù)區(qū)水位較低，機(jī)組幾乎未進(jìn)行發(fā)電，僅處于備用狀態(tài)，2015年10月中旬進(jìn)行了一次B級(jí)檢修，期間運(yùn)行小時(shí)數(shù)約為560h。2016年1月檢修完成，在連續(xù)進(jìn)行12h試運(yùn)行后，機(jī)組又進(jìn)入停機(jī)備用狀態(tài)。

2016年5月28 日，當(dāng)上游水位上漲至98.6m時(shí)，機(jī)組開(kāi)始頻繁調(diào)度，發(fā)電機(jī)有功功率最大可達(dá)到93MW，此負(fù)荷下測(cè)量：上導(dǎo)X向擺度為281μm、Y向擺度為392μm，上機(jī)架徑向振動(dòng)X向?yàn)?85.6μm、Y向?yàn)?88.9μm，兩者數(shù)據(jù)仍然嚴(yán)重超標(biāo)。

1.2 歷次檢查曾3次發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂事件

2015年10 月中旬進(jìn)行的B級(jí)檢修時(shí)檢查，發(fā)現(xiàn)靠近Y向的1號(hào)和6號(hào)上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂；

2016年6月3 日，臨時(shí)檢修過(guò)程檢查發(fā)現(xiàn)靠近Y向的6號(hào)和12號(hào)上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂；

2016年6月27 日，動(dòng)平衡試驗(yàn)后檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)靠+Y向的1號(hào)上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂。

三次斷裂位置均發(fā)生調(diào)節(jié)螺栓的根部，見(jiàn)圖1。

圖1 上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂的位置

對(duì)于4號(hào)機(jī)組上機(jī)架徑向振動(dòng)和上導(dǎo)擺度嚴(yán)重超標(biāo)問(wèn)題，及其所導(dǎo)致的上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂事件，已嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全運(yùn)行。為查找原因，消除隱患，2016年6月，電廠委托遼寧東科電力有限公司，進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明4號(hào)機(jī)組存在轉(zhuǎn)動(dòng)部件質(zhì)量不平衡問(wèn)題。試驗(yàn)完畢后，召開(kāi)專題分析會(huì)，邀請(qǐng)制造廠、安裝單位、試驗(yàn)單位和業(yè)務(wù)主管部門代表組成的技術(shù)專家組，從設(shè)計(jì)、制造、安裝和運(yùn)行維護(hù)等方面對(duì)4號(hào)機(jī)組存在異常振動(dòng)原因進(jìn)行全面分析和探討，提出了處理方案。

2 上機(jī)架徑向振動(dòng)、上導(dǎo)擺度超標(biāo)原因分析

2.1 動(dòng)平衡試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程及質(zhì)量不平衡的原因分析

（1）動(dòng)平衡試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程

試驗(yàn)時(shí)在對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子引出線1號(hào)磁極位置的大軸上，粘貼一片鍵相塊作為測(cè)速及標(biāo)記相位位置，空載狀態(tài)下，在80%，90%、100%額定轉(zhuǎn)速情況下，測(cè)量上機(jī)架徑向振動(dòng)及上導(dǎo)擺度，計(jì)算振幅與轉(zhuǎn)速平方的關(guān)系，見(jiàn)圖2。

數(shù)據(jù)顯示，上機(jī)架徑向振動(dòng)與上導(dǎo)擺度幅值與轉(zhuǎn)數(shù)平方成線性關(guān)系，說(shuō)明4號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件存在質(zhì)量不平衡問(wèn)題，試驗(yàn)進(jìn)一步計(jì)算，缺重方位在23號(hào)磁極所在方位。

試驗(yàn)共進(jìn)行5次配重，配重塊安裝位置在23號(hào)磁極所在方位轉(zhuǎn)子磁軛與支臂交界處，距轉(zhuǎn)子中心R=2700mm的位置。隨著配重質(zhì)量的增加，上機(jī)架徑向振動(dòng)和上導(dǎo)擺度逐漸變小，當(dāng)配重增加到120kg時(shí)，由于電廠備用的配重塊數(shù)量不足和固定配重塊的螺栓長(zhǎng)度不夠，試驗(yàn)暫停。雖然此次配重試驗(yàn)沒(méi)有完成任務(wù)，但試驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)，為查找4號(hào)機(jī)組上導(dǎo)擺度和上機(jī)架徑向振動(dòng)超標(biāo)原因提供了依據(jù)。試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1[3]。

圖2 機(jī)組轉(zhuǎn)速與上機(jī)架徑向振動(dòng)和上導(dǎo)擺度關(guān)系

表1 長(zhǎng)甸電站4號(hào)機(jī)動(dòng)平衡配重試驗(yàn)記錄

（2）產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)部件質(zhì)量不平衡的原因

4號(hào)水輪發(fā)電機(jī)軸系分上端軸、轉(zhuǎn)子中心體、下端軸轉(zhuǎn)子3部分，轉(zhuǎn)子中心體設(shè)有檢修進(jìn)人孔、轉(zhuǎn)子引線固定在上端軸中心孔內(nèi)壁上，通過(guò)螺栓固定，在與進(jìn)人孔中心180°角的方向引出，兩個(gè)因素疊加是產(chǎn)生轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均勻，產(chǎn)生機(jī)械不平衡力的主要原因，試驗(yàn)計(jì)算的缺重方位所在23號(hào)磁極位置，正是進(jìn)人孔所處的方位[4-5]。

2.2 上機(jī)架與基礎(chǔ)板連接部位安裝不符合設(shè)計(jì)要求

上機(jī)架為“井字梁”結(jié)構(gòu)形式，由鋼板焊接而成，機(jī)架通過(guò)4個(gè)連接板與埋設(shè)在機(jī)坑內(nèi)壁的基礎(chǔ)板相連接，此種結(jié)構(gòu)可以把機(jī)組通過(guò)上機(jī)架傳向基礎(chǔ)的徑向力轉(zhuǎn)化為對(duì)基礎(chǔ)的切向力，改善了基礎(chǔ)的受力情況。上機(jī)架與基礎(chǔ)的連接方式，見(jiàn)下頁(yè)圖3。為了確保將上機(jī)架傳向基礎(chǔ)的徑向力轉(zhuǎn)化為切向力，在設(shè)計(jì)時(shí)，要求每個(gè)連接點(diǎn)兩側(cè)在周方向用楔子板打緊，并用螺栓固定，并要求機(jī)架與基礎(chǔ)板和兩側(cè)楔子板在安裝時(shí)徑向預(yù)留12±1.5mm的間隙[6]。

安裝后檢查發(fā)現(xiàn)4個(gè)上機(jī)架與基礎(chǔ)板預(yù)留最大間隙僅為0.7mm，與楔子板徑向無(wú)間隙，這樣就限制了上機(jī)架在機(jī)組運(yùn)行中將產(chǎn)生的徑向力轉(zhuǎn)化為切向力的功能，上機(jī)架由于徑向力大而產(chǎn)生彈性變形，

圖3 上機(jī)架與基礎(chǔ)板連接方式示意圖

2.3 上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂原因分析

4號(hào)機(jī)上導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)型式為楔子板式，上導(dǎo)瓦的固定方式，如圖4，整個(gè)機(jī)構(gòu)主要包括上導(dǎo)瓦、楔子板、卡板和調(diào)節(jié)螺栓等部件，上導(dǎo)瓦背面設(shè)有一個(gè)鉻鋼墊，鉻鋼墊與瓦背之間有墊片，安裝時(shí)通過(guò)增減鉻鋼墊與瓦背之間墊片的厚度為楔子板預(yù)留出主軸與上導(dǎo)瓦間隙調(diào)節(jié)余量。通過(guò)升降上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓控制楔子板的高度，進(jìn)而確定上導(dǎo)瓦與主軸間隙。由于機(jī)組振動(dòng)的原因，上導(dǎo)擺度產(chǎn)生的徑向力傳遞給楔子板，楔子板振動(dòng)傳遞給卡板和調(diào)節(jié)螺栓，這樣就對(duì)調(diào)節(jié)螺栓產(chǎn)生一個(gè)杠桿的力矩效應(yīng)，根部是最簿弱的部位，長(zhǎng)期的作用引起金屬疲勞，導(dǎo)致調(diào)節(jié)螺栓在根部剪切斷裂。

圖4 上導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)示意圖

在機(jī)組檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)卡板距調(diào)節(jié)螺栓底部固定部位的距離達(dá)到90mm，距離越長(zhǎng)，力矩效應(yīng)就越大。同時(shí)卡板與楔子板上的卡槽未設(shè)計(jì)軸向間隙，使徑向力全部傳遞到調(diào)節(jié)螺栓上。見(jiàn)圖5。

2.4 分析得出的結(jié)論

除從轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)、上機(jī)架與基礎(chǔ)板連接方式和上導(dǎo)瓦固定方式3個(gè)方面分析缺陷產(chǎn)生原因外，還通過(guò)分析機(jī)組安裝和檢修記錄、機(jī)組啟動(dòng)試運(yùn)轉(zhuǎn)和機(jī)組B級(jí)檢修后試驗(yàn)數(shù)據(jù)等資料，排除了水力因素、電磁因素對(duì)機(jī)組振動(dòng)的影響。得出結(jié)論如下：

圖5 上導(dǎo)固定方式存在的問(wèn)題

（1）上機(jī)架徑向振動(dòng)、上導(dǎo)擺度超標(biāo)的原因

1）轉(zhuǎn)動(dòng)部分存在質(zhì)量不平衡；

2）機(jī)組安裝時(shí)上機(jī)架與基礎(chǔ)板和兩側(cè)楔子板預(yù)留的徑向間隙不滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂原因

除上機(jī)架徑向振動(dòng)和上導(dǎo)擺度過(guò)大的原因外，卡板距調(diào)節(jié)螺栓根部的距離過(guò)長(zhǎng)和卡板與卡槽未設(shè)計(jì)軸向間隙，兩種原因產(chǎn)生的力矩效應(yīng)，造成調(diào)節(jié)螺栓在根部發(fā)生疲勞斷裂。

3 處理措施和效果

3.1 預(yù)防上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂的措施

（1）對(duì)卡板進(jìn)入卡槽的部分進(jìn)行打磨處理，安裝后保證卡板與卡槽之間不小于0.5mm的軸向間隙，這樣在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，楔子板在軸向和徑向都有足夠的串動(dòng)量，產(chǎn)生的振動(dòng)力就不會(huì)全部傳遞到上導(dǎo)軸瓦間隙調(diào)節(jié)螺栓上。

（2）減小鉻鋼墊后面墊片厚度，將楔子板下移，縮短卡板距調(diào)節(jié)螺栓底部的距離，處理后12個(gè)卡板高度一致，由處理前的90mm降為30mm，見(jiàn)下頁(yè)圖6。

經(jīng)過(guò)以上處理后，力矩效應(yīng)大大的降低。

根據(jù)設(shè)備制造廠的建議，將上機(jī)架吊出，對(duì)上機(jī)架與基礎(chǔ)板連接部件進(jìn)行打磨處理，確保上機(jī)架與基礎(chǔ)板和兩側(cè)鍥子板在安裝后有5mm以上的徑向間隙值。

重新進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，將首次動(dòng)平衡試驗(yàn)安裝的配重塊拆除，在原安裝位置，重新加裝配重塊，配重過(guò)程共分5次，累計(jì)共加裝配重塊270kg。試驗(yàn)后空載運(yùn)行，上導(dǎo)擺度X向?yàn)?27μm、Y向擺度為212μm、上機(jī)架徑向振動(dòng)值為55μm。數(shù)據(jù)顯示上導(dǎo)擺度和上機(jī)架徑向振動(dòng)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖6 上導(dǎo)處理后的狀態(tài)

3.2 處理后的效果

機(jī)組臨時(shí)檢修及動(dòng)平衡試驗(yàn)完畢，對(duì)多種負(fù)荷工況和部位的振動(dòng)及擺度值進(jìn)行檢查測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 長(zhǎng)甸電站4號(hào)機(jī)組不同負(fù)荷工況下振動(dòng)和擺度測(cè)量記錄

數(shù)據(jù)表明，檢修及動(dòng)平衡試驗(yàn)取得了較好的效果，機(jī)組在上述負(fù)荷下，上機(jī)架徑向振動(dòng)及上導(dǎo)擺度均符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求。

通過(guò)2016年8月至2017年12月，1年多時(shí)間的觀察，這期間機(jī)組經(jīng)歷了全負(fù)荷和汛期大發(fā)電的考驗(yàn)，機(jī)組各部振動(dòng)、擺度、瓦溫正常，在各工況下能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，說(shuō)明4號(hào)機(jī)組上機(jī)架振動(dòng)和上導(dǎo)擺度超標(biāo)問(wèn)題處理是成功的。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)長(zhǎng)甸電站4號(hào)機(jī)組存在的上導(dǎo)擺度、上機(jī)架徑向振動(dòng)超標(biāo)問(wèn)題，通過(guò)原因查找、分析以及提出的問(wèn)題處理方案，是在機(jī)組設(shè)計(jì)制造、安裝和運(yùn)行維護(hù)等方面累積經(jīng)驗(yàn)的過(guò)程。同時(shí)通過(guò)同類型的水輪發(fā)電機(jī)組類似問(wèn)題的處理、探討和交流，對(duì)于設(shè)備制造廠優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和提高電廠技術(shù)人員處理問(wèn)題的能力，提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。