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        長甸電站4號機組異常振動原因分析及處理

        2019-09-02 02:26:48史恩澤
        水電站機電技術(shù) 2019年8期
        關(guān)鍵詞:振動

        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建工程,與水豐電站共用一個水庫。廠區(qū)由A站和B站兩座引水式廠房組成,其中A站于1986年開工建設(shè),廠房內(nèi)安裝1號和2號水輪發(fā)電機組,1989年10月2臺機組相繼投產(chǎn)發(fā)電;B站于2011年6月開工建設(shè),廠房內(nèi)安裝3號和4號水輪發(fā)電機組,2014年9月2臺機組相繼投產(chǎn)發(fā)電。

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

        1 問題的提出

        1.1 投產(chǎn)發(fā)電以來機組的運行情況

        長甸電站4號機組自投產(chǎn)發(fā)電以來,一直存在著上機架徑向振動和上導(dǎo)主軸處擺度超標(biāo)問題,在2014年8月機組調(diào)試階段進行穩(wěn)定性試驗時,測量數(shù)據(jù)顯示在空載無勵狀態(tài)下上導(dǎo)擺度X向355μm、Y向349μm、上機架徑向振動342μm;空載加勵時,上導(dǎo)擺度X向342μm、Y向356μm、上機架徑向振動342μm,隨著負荷的增加,上導(dǎo)擺度呈減少趨勢,帶84MW負荷時(當(dāng)時上游水位93.96m,已是最大負荷),上導(dǎo)擺度X向290μm、Y向280μm。負荷15MW工況下,上機架徑振動最大為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,上機架徑向振動≤90μm),其他各部位振動、擺度均符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[1-2]。

        2015年5 月以后,由于上游庫區(qū)水位較低,機組幾乎未進行發(fā)電,僅處于備用狀態(tài),2015年10月中旬進行了一次B級檢修,期間運行小時數(shù)約為560h。2016年1月檢修完成,在連續(xù)進行12h試運行后,機組又進入停機備用狀態(tài)。

        2016年5月28 日,當(dāng)上游水位上漲至98.6m時,機組開始頻繁調(diào)度,發(fā)電機有功功率最大可達到93MW,此負荷下測量:上導(dǎo)X向擺度為281μm、Y向擺度為392μm,上機架徑向振動X向為185.6μm、Y向為188.9μm,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 月中旬進行的B級檢修時檢查,發(fā)現(xiàn)靠近Y向的1號和6號上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂;

        2016年6月3 日,臨時檢修過程檢查發(fā)現(xiàn)靠近Y向的6號和12號上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂;

        2016年6月27 日,動平衡試驗后檢查時,發(fā)現(xiàn)靠+Y向的1號上導(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,見圖1。

        圖1 上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂的位置

        對于4號機組上機架徑向振動和上導(dǎo)擺度嚴(yán)重超標(biāo)問題,及其所導(dǎo)致的上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂事件,已嚴(yán)重影響了機組的安全運行。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,進行動平衡試驗,試驗結(jié)果表明4號機組存在轉(zhuǎn)動部件質(zhì)量不平衡問題。試驗完畢后,召開專題分析會,邀請制造廠、安裝單位、試驗單位和業(yè)務(wù)主管部門代表組成的技術(shù)專家組,從設(shè)計、制造、安裝和運行維護等方面對4號機組存在異常振動原因進行全面分析和探討,提出了處理方案。

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

        2.1 動平衡試驗測試過程及質(zhì)量不平衡的原因分析

        (1)動平衡試驗測試過程

        試驗時在對應(yīng)轉(zhuǎn)子引出線1號磁極位置的大軸上,粘貼一片鍵相塊作為測速及標(biāo)記相位位置,空載狀態(tài)下,在80%,90%、100%額定轉(zhuǎn)速情況下,測量上機架徑向振動及上導(dǎo)擺度,計算振幅與轉(zhuǎn)速平方的關(guān)系,見圖2。

        數(shù)據(jù)顯示,上機架徑向振動與上導(dǎo)擺度幅值與轉(zhuǎn)數(shù)平方成線性關(guān)系,說明4號機組轉(zhuǎn)動部件存在質(zhì)量不平衡問題,試驗進一步計算,缺重方位在23號磁極所在方位。

        試驗共進行5次配重,配重塊安裝位置在23號磁極所在方位轉(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,上機架徑向振動和上導(dǎo)擺度逐漸變小,當(dāng)配重增加到120kg時,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度不夠,試驗暫停。雖然此次配重試驗沒有完成任務(wù),但試驗測量的數(shù)據(jù),為查找4號機組上導(dǎo)擺度和上機架徑向振動超標(biāo)原因提供了依據(jù)。試驗測量結(jié)果見表1[3]。

        圖2 機組轉(zhuǎn)速與上機架徑向振動和上導(dǎo)擺度關(guān)系

        表1 長甸電站4號機動平衡配重試驗記錄

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

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

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

        上機架為“井字梁”結(jié)構(gòu)形式,由鋼板焊接而成,機架通過4個連接板與埋設(shè)在機坑內(nèi)壁的基礎(chǔ)板相連接,此種結(jié)構(gòu)可以把機組通過上機架傳向基礎(chǔ)的徑向力轉(zhuǎn)化為對基礎(chǔ)的切向力,改善了基礎(chǔ)的受力情況。上機架與基礎(chǔ)的連接方式,見下頁圖3。為了確保將上機架傳向基礎(chǔ)的徑向力轉(zhuǎn)化為切向力,在設(shè)計時,要求每個連接點兩側(cè)在周方向用楔子板打緊,并用螺栓固定,并要求機架與基礎(chǔ)板和兩側(cè)楔子板在安裝時徑向預(yù)留12±1.5mm的間隙[6]。

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

        圖3 上機架與基礎(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號機上導(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,整個機構(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)有一個鉻鋼墊,鉻鋼墊與瓦背之間有墊片,安裝時通過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。通過升降上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓控制楔子板的高度,進而確定上導(dǎo)瓦與主軸間隙。由于機組振動的原因,上導(dǎo)擺度產(chǎn)生的徑向力傳遞給楔子板,楔子板振動傳遞給卡板和調(diào)節(jié)螺栓,這樣就對調(diào)節(jié)螺栓產(chǎn)生一個杠桿的力矩效應(yīng),根部是最簿弱的部位,長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

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

        2.4 分析得出的結(jié)論

        除從轉(zhuǎn)子設(shè)計、上機架與基礎(chǔ)板連接方式和上導(dǎo)瓦固定方式3個方面分析缺陷產(chǎn)生原因外,還通過分析機組安裝和檢修記錄、機組啟動試運轉(zhuǎn)和機組B級檢修后試驗數(shù)據(jù)等資料,排除了水力因素、電磁因素對機組振動的影響。得出結(jié)論如下:

        圖5 上導(dǎo)固定方式存在的問題

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

        1)轉(zhuǎn)動部分存在質(zhì)量不平衡;

        2)機組安裝時上機架與基礎(chǔ)板和兩側(cè)楔子板預(yù)留的徑向間隙不滿足設(shè)計要求。

        (2)上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂原因

        除上機架徑向振動和上導(dǎo)擺度過大的原因外,卡板距調(diào)節(jié)螺栓根部的距離過長和卡板與卡槽未設(shè)計軸向間隙,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)對卡板進入卡槽的部分進行打磨處理,安裝后保證卡板與卡槽之間不小于0.5mm的軸向間隙,這樣在機組運行時,楔子板在軸向和徑向都有足夠的串動量,產(chǎn)生的振動力就不會全部傳遞到上導(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個卡板高度一致,由處理前的90mm降為30mm,見下頁圖6。

        經(jīng)過以上處理后,力矩效應(yīng)大大的降低。

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

        重新進行動平衡試驗,將首次動平衡試驗安裝的配重塊拆除,在原安裝位置,重新加裝配重塊,配重過程共分5次,累計共加裝配重塊270kg。試驗后空載運行,上導(dǎo)擺度X向為227μm、Y向擺度為212μm、上機架徑向振動值為55μm。數(shù)據(jù)顯示上導(dǎo)擺度和上機架徑向振動均符合標(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

        機組臨時檢修及動平衡試驗完畢,對多種負荷工況和部位的振動及擺度值進行檢查測量,測量數(shù)據(jù)見表2。

        表2 長甸電站4號機組不同負荷工況下振動和擺度測量記錄

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

        通過2016年8月至2017年12月,1年多時間的觀察,這期間機組經(jīng)歷了全負荷和汛期大發(fā)電的考驗,機組各部振動、擺度、瓦溫正常,在各工況下能夠長期穩(wěn)定運行,說明4號機組上機架振動和上導(dǎo)擺度超標(biāo)問題處理是成功的。

        4 結(jié)語

        針對長甸電站4號機組存在的上導(dǎo)擺度、上機架徑向振動超標(biāo)問題,通過原因查找、分析以及提出的問題處理方案,是在機組設(shè)計制造、安裝和運行維護等方面累積經(jīng)驗的過程。同時通過同類型的水輪發(fā)電機組類似問題的處理、探討和交流,對于設(shè)備制造廠優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計和提高電廠技術(shù)人員處理問題的能力,提供了借鑒經(jīng)驗。

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