李永祥，曹鐵山

（中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司三峽水力發(fā)電廠，湖北 宜昌 443000）

隨著社會(huì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，以三峽工程的建成為標(biāo)志，我國(guó)水電機(jī)組裝機(jī)進(jìn)入一個(gè)大型化的時(shí)代。三峽電站裝設(shè)32 臺(tái)單機(jī)容量700MVA 的水輪發(fā)電機(jī)組，在金沙江上游，單機(jī)容量1000MVA 的巨型機(jī)組將出現(xiàn)在白鶴灘和烏東德兩個(gè)水電站。單機(jī)容量和結(jié)構(gòu)尺寸的日益增大，意味著機(jī)組運(yùn)行一旦出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，水電企業(yè)對(duì)大型機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行有更加嚴(yán)格的要求。在設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行等機(jī)組的全生命周期中，提出更有效的解決振動(dòng)問(wèn)題的措施，避免振動(dòng)問(wèn)題對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生危害，有著重大的現(xiàn)實(shí)和經(jīng)濟(jì)意義。

1 大型水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)及其危害

大型水輪發(fā)電機(jī)組一般采用立軸混流式水輪機(jī)，半傘式發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)型式。轉(zhuǎn)輪通過(guò)水輪機(jī)軸與發(fā)電機(jī)軸相連，帶有三部導(dǎo)軸承及推力軸承。其他主要設(shè)備還包括定子、上下機(jī)架、冷卻器、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)等。本文主要討論機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)械、電氣和水力因素導(dǎo)致的以上主要設(shè)備的振動(dòng)問(wèn)題。

常規(guī)情況下，大型水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生振動(dòng)的部件主要包括上機(jī)架、下機(jī)架、頂蓋和轉(zhuǎn)動(dòng)部分，在某些特殊情況中，振動(dòng)則可能發(fā)生在定子鐵芯、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)等部件。

機(jī)械部分慣性力、摩擦力及其他力，電氣部分的電磁力，水輪機(jī)水力部分的動(dòng)水壓力，都可以造成水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)。水力因素導(dǎo)致的機(jī)組振動(dòng)具有隨機(jī)性，主要發(fā)生在機(jī)組處于非最優(yōu)工況或者過(guò)渡工況運(yùn)行時(shí)，是導(dǎo)致大型水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的最主要因素。

大型水輪發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)，對(duì)設(shè)備的危害是非常嚴(yán)重的，如果沒(méi)有得到及時(shí)的處理，會(huì)引發(fā)事故，造成嚴(yán)重的損失。包括：（1）造成機(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）導(dǎo)致零部件材料和焊縫出現(xiàn)疲勞損壞，產(chǎn)生裂紋和斷裂；（3）尾水管低頻壓力脈動(dòng)可使尾水管壁產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重時(shí)可使整個(gè)尾水設(shè)施遭到破壞，甚至危及廠房和水工建筑物。

2 大型水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的對(duì)策

大型水輪發(fā)電機(jī)組通常裝設(shè)在水庫(kù)庫(kù)容較大的巨型水電站。而大型水庫(kù)除了蓄水發(fā)電外，還兼有防洪、航運(yùn)等作用。隨著豐枯水季節(jié)的不同，庫(kù)區(qū)水位會(huì)有一個(gè)較大范圍的升降。因此，水輪發(fā)電機(jī)組要在水頭變幅大的條件下運(yùn)行，這對(duì)其運(yùn)行穩(wěn)定性提出了更高的要求。我們需要在設(shè)計(jì)、研究初期就把機(jī)組穩(wěn)定性要求作為主要課題，并在制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行等過(guò)程中嚴(yán)格把關(guān)、精益求精，才能將機(jī)組的振動(dòng)問(wèn)題徹底解決。

2.1 設(shè)計(jì)階段

在設(shè)計(jì)階段，可以針對(duì)大型水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量大、水頭變幅大的特點(diǎn)，進(jìn)行機(jī)組穩(wěn)定性的專題研究。合理選擇機(jī)組額定水頭、轉(zhuǎn)速等參數(shù)，合理匹配發(fā)電機(jī)的最大容量，合理選擇水輪機(jī)的設(shè)計(jì)水頭、優(yōu)化轉(zhuǎn)輪水力設(shè)計(jì)。結(jié)合水輪機(jī)模型試驗(yàn)，觀察其穩(wěn)定性指標(biāo)。在設(shè)計(jì)中采取穩(wěn)定運(yùn)行輔助措施，比如采用大軸補(bǔ)氣裝置，對(duì)轉(zhuǎn)輪室出現(xiàn)的真空進(jìn)行破壞等。

2.2 制造階段

我們知道，有些導(dǎo)致機(jī)組發(fā)生振動(dòng)的因素，是零部件在制造過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷。比如，轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、推力頭不平等。那么采用新材料、新技術(shù)，提高零部件的制造工藝水平，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求加工，就可以在很大程度上杜絕由于制造缺陷導(dǎo)致的機(jī)組振動(dòng)。隨著我國(guó)制造業(yè)水平的提高，零部件的制造缺陷已經(jīng)可以基本消除。

2.3 安裝階段

大型水輪發(fā)電機(jī)組的安裝水平，是保證機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的又一關(guān)鍵因素。這里主要包括大軸法蘭對(duì)中良好、法蘭連接緊固，導(dǎo)軸承間隙嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求調(diào)整，轉(zhuǎn)子與定子間氣隙值均勻，零部件安裝緊固等。技術(shù)工人的經(jīng)驗(yàn)和能力是安裝階段最主要的影響因素，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)值和合同規(guī)定完成機(jī)組各部件的安裝，是保證機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的重中之重。

2.4 調(diào)試階段

大型水輪發(fā)電機(jī)組完成安裝后，必須經(jīng)過(guò)一系列的調(diào)試試驗(yàn)才能投入運(yùn)行。這些試驗(yàn)包括轉(zhuǎn)子動(dòng)平衡試驗(yàn)、過(guò)速停機(jī)試驗(yàn)、甩負(fù)荷試驗(yàn)等。通過(guò)這些試驗(yàn)，可以檢驗(yàn)機(jī)組的制造和安裝水平，獲取機(jī)組各部位的振動(dòng)數(shù)據(jù)，研究機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性。特別是在不同水頭下的過(guò)速停機(jī)和甩負(fù)荷試驗(yàn)，可以監(jiān)測(cè)機(jī)組處于極端工況時(shí)，不同導(dǎo)葉開(kāi)度下機(jī)組的振動(dòng)情況。通過(guò)數(shù)據(jù)分析機(jī)組運(yùn)行的振動(dòng)區(qū)，以及導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律能否滿足機(jī)組的穩(wěn)定性運(yùn)行要求。

2.5 運(yùn)行階段

當(dāng)大型水輪發(fā)電機(jī)組通過(guò)試運(yùn)行，投入正式運(yùn)行后，需要引入機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)機(jī)組上下機(jī)架、頂蓋、定子機(jī)座處的水平和垂直振動(dòng)值；導(dǎo)軸承在X 和Y 方向的擺度值；蝸殼、尾水管上下游側(cè)及頂蓋下方的壓力脈動(dòng)值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及超限報(bào)警。一旦發(fā)現(xiàn)有部位振動(dòng)情況超過(guò)合理范圍，必須馬上對(duì)振動(dòng)產(chǎn)生的原因展開(kāi)調(diào)查，必要時(shí)停機(jī)進(jìn)行處理。

3 大型水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)實(shí)例研究

某巨型水電站裝設(shè)單機(jī)額定容量700MVA 的大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組，額定轉(zhuǎn)速為75r/min，額定水頭80.6m。在其5#機(jī)組安裝調(diào)試期間，進(jìn)行過(guò)速停機(jī)試驗(yàn)，當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉至4%～5%時(shí)，水輪機(jī)發(fā)生劇烈振動(dòng)現(xiàn)象，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)也出現(xiàn)了嚴(yán)重的振動(dòng),8 個(gè)導(dǎo)葉拉斷銷剪斷，機(jī)組通過(guò)快速門(mén)停機(jī)。

3.1 振動(dòng)問(wèn)題分析

5#機(jī)組在進(jìn)行調(diào)試運(yùn)行期間，各部位的振動(dòng)數(shù)值都處于正常水平。而在過(guò)速停機(jī)試驗(yàn)中，只有當(dāng)導(dǎo)葉關(guān)閉至4%～5%的水力過(guò)渡過(guò)程時(shí)，劇烈振動(dòng)現(xiàn)象才出現(xiàn)，說(shuō)明機(jī)械因素和電氣因素不是導(dǎo)致振動(dòng)的主要原因。圖1 記錄了機(jī)組轉(zhuǎn)速、導(dǎo)葉開(kāi)度、蝸殼壓力、尾水管壓力以及活動(dòng)導(dǎo)葉軸頸上測(cè)量導(dǎo)葉所受水力矩的應(yīng)力值。

圖1 5#機(jī)組過(guò)速停機(jī)試驗(yàn)記錄圖

從圖1 錄制的波形來(lái)看,當(dāng)活動(dòng)導(dǎo)葉扭矩關(guān)閉至40s 時(shí)開(kāi)始振動(dòng)，45s 時(shí)出現(xiàn)幅值相當(dāng)大的振動(dòng)，此時(shí)所對(duì)應(yīng)的導(dǎo)葉開(kāi)度為4%～5%,機(jī)組轉(zhuǎn)速為95%額定轉(zhuǎn)速。針對(duì)此問(wèn)題，我們通過(guò)數(shù)值仿真計(jì)算、模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)

（1）在過(guò)速關(guān)機(jī)過(guò)程中,水輪機(jī)從水輪機(jī)制動(dòng)工況進(jìn)入反水泵工況,出現(xiàn)了負(fù)流量現(xiàn)象從而引起振動(dòng)；

（2）關(guān)機(jī)過(guò)程中導(dǎo)葉關(guān)閉速度較快,導(dǎo)葉關(guān)閉至4%～5%時(shí)，通過(guò)導(dǎo)葉的水流由順流變成射流，在導(dǎo)葉末端產(chǎn)生了激烈的水錘現(xiàn)象，激發(fā)了頂蓋等導(dǎo)水部件的異常振動(dòng)。

3.2 振動(dòng)處理措施

上述兩個(gè)因素導(dǎo)致了5#機(jī)組的異常振動(dòng)，不管哪個(gè)是主導(dǎo)因素，都可以通過(guò)改變導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律,延長(zhǎng)導(dǎo)葉分段關(guān)閉最后一段時(shí)間來(lái)改善或避免。在原始設(shè)計(jì)中,導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律被確定為兩段：第一段6.5s，從100%到74%；第二段24 秒，從74%到全關(guān)。通過(guò)試驗(yàn)調(diào)整，最終將導(dǎo)葉確定為三段關(guān)閉，關(guān)閉規(guī)律如圖2。

實(shí)施該關(guān)閉規(guī)律后，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性指標(biāo)均滿足要求，在過(guò)速停機(jī)過(guò)程中沒(méi)有再出現(xiàn)劇烈振動(dòng)現(xiàn)象。

圖2 調(diào)整后的5#機(jī)組導(dǎo)葉三段關(guān)閉時(shí)間

4 結(jié)語(yǔ)

（1）大型水輪發(fā)電機(jī)組在設(shè)計(jì)、制造、安裝、調(diào)試、運(yùn)行等各階段都要將機(jī)組穩(wěn)定性做為首要任務(wù)，在機(jī)組的全生命周期里，研究解決機(jī)組的振動(dòng)問(wèn)題。

（2）隨著我國(guó)水輪發(fā)電機(jī)組制造和安裝水平的提升，機(jī)械和電氣因素導(dǎo)致的機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題顯著減少。隨機(jī)性更強(qiáng)的水力因素是導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)的最主要因素，通過(guò)改變導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律，適當(dāng)延長(zhǎng)導(dǎo)葉第三段關(guān)閉時(shí)間，可以有效地解決水力過(guò)渡過(guò)程中出現(xiàn)的機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題。