郭曉寧

（湖南涔天河工程建設(shè)投資有限責(zé)任公司，湖南 永州425500）

1 引言

涔天河水庫(kù)擴(kuò)建工程位于湖南省永州市江華瑤族自治縣境內(nèi)的湘江支流瀟水上游峽谷出口處，系瀟水流域開(kāi)發(fā)的第一個(gè)梯級(jí)。是一座以灌溉、防洪、下游補(bǔ)水和發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)等綜合利用效益的大型水利水電工程。涔天河水電站總共裝有4 臺(tái)50 MW 混流式水輪機(jī)組，2017 年9 月23 日首臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，2018 年6 月底4 臺(tái)機(jī)組全部實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。其水輪發(fā)電機(jī)組為立式混流機(jī)組，額定功率50 MW，設(shè)計(jì)水頭77.5 m，，額定轉(zhuǎn)速230.8 r/min，葉片數(shù)13，活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)24，固定導(dǎo)葉數(shù)23，轉(zhuǎn)子重量177.3 t，轉(zhuǎn)動(dòng)方向?yàn)楦┮曧槙r(shí)針。

涔天河水電站1 號(hào)機(jī)組自2018 年6 月4 日開(kāi)始頻繁報(bào)出匝間保護(hù)啟動(dòng)動(dòng)作，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看，1 號(hào)機(jī)組二次側(cè)橫差電流達(dá)0.19 A，從機(jī)組振擺系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)來(lái)看，機(jī)組上、下導(dǎo)擺度以及上機(jī)架水平振動(dòng)較大，嚴(yán)重超過(guò)國(guó)標(biāo)，初步分析是由于機(jī)組轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡引起的。因此2019 年1 月在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)機(jī)組進(jìn)行了動(dòng)平衡試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)方法及步驟

2.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求，在試驗(yàn)機(jī)組上布置相應(yīng)傳感器，用振動(dòng)測(cè)試分析儀記錄試驗(yàn)工況下各測(cè)點(diǎn)的輸出變化情況，分析機(jī)組的運(yùn)行特性。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

擺度測(cè)點(diǎn)有：上導(dǎo)X、Y 向擺度，下導(dǎo)X、Y 向擺度，水導(dǎo)X、Y 向擺度，上機(jī)架X、Y 水平振動(dòng)，下機(jī)架X、Y 水平振動(dòng)，上機(jī)架垂直振動(dòng)，頂蓋水平振動(dòng)，頂蓋垂直振動(dòng)，定子機(jī)架水平振動(dòng)。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，該機(jī)組各部位擺度及振動(dòng)值應(yīng)滿足表1 要求。

表1 機(jī)組振擺標(biāo)準(zhǔn)限值 單位：μm

2.4 試驗(yàn)步驟

2.4.1 變轉(zhuǎn)速、變勵(lì)磁試驗(yàn)

（1）變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

機(jī)組開(kāi)機(jī)后分別將機(jī)組穩(wěn)定在50%nr，75%nr，100%nr 工況點(diǎn)，進(jìn)行各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，每個(gè)工況點(diǎn)采集2～3 min。

（2）變勵(lì)磁試驗(yàn)

機(jī)組加勵(lì)磁后分別將機(jī)組穩(wěn)定在25%Ur，50%Ur，75%Ur，100%Ur 工況點(diǎn)，進(jìn)行各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集，每個(gè)工況點(diǎn)采集2～3 min。

2.4.2 動(dòng)平衡試重

（1）試重方位的確定

根據(jù)100%額定轉(zhuǎn)速（或100%額定勵(lì)磁電壓）工況下測(cè)量機(jī)組振動(dòng)、擺度數(shù)據(jù)，綜合分析確定機(jī)組配重塊的重量及方位。

（2）試加重量

按試加配重所產(chǎn)生的離心力為轉(zhuǎn)子重量的0.5%～2.5%適當(dāng)選擇試加重量。

（3）試重塊的安裝

機(jī)組停機(jī)，蝶閥關(guān)閉，根據(jù)原始振動(dòng)數(shù)據(jù)確定試加重塊的位置。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，轉(zhuǎn)子中心體上副板表面可以進(jìn)行試重塊的安裝。

（4）試重

將應(yīng)加的配重塊安裝后開(kāi)機(jī)，緩慢增加機(jī)組的轉(zhuǎn)速并對(duì)機(jī)組各部位的振動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在判斷振動(dòng)對(duì)機(jī)組無(wú)危害后再增加機(jī)組的轉(zhuǎn)速至100%額定轉(zhuǎn)速。將機(jī)組工況分別穩(wěn)定在100%額定轉(zhuǎn)速、100%額定勵(lì)磁電壓工況，測(cè)量機(jī)組各部位的振動(dòng)情況。

2.4.3 最終配重量及配重方位

根據(jù)試重結(jié)果，在兼顧到各導(dǎo)擺度及振動(dòng)的情況下，綜合分析確定最終配重量及安裝角度；將應(yīng)加重量Mp 安裝在方位角ФP，開(kāi)機(jī)測(cè)試各部位的振動(dòng)和擺度。在100%nr、100%Ur 工況下，振動(dòng)和擺度值如達(dá)到要求，將配重塊焊牢。2.4.4 動(dòng)平衡試驗(yàn)后工況驗(yàn)證

將機(jī)組分別穩(wěn)定在100%nr、100%nr、10 MW、20 MW、30 MW 負(fù)荷工況點(diǎn)，每個(gè)工況穩(wěn)定3～5 min，用測(cè)試儀記錄機(jī)組各部位的振動(dòng)情況。

3 試驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 機(jī)組原始狀態(tài)測(cè)試結(jié)果

機(jī)組在變轉(zhuǎn)速、變勵(lì)磁及30 MW 工況下原始振動(dòng)見(jiàn)表2；機(jī)組擺度隨轉(zhuǎn)速平方相對(duì)值變化趨勢(shì)見(jiàn)圖1；機(jī)組振動(dòng)隨轉(zhuǎn)速平方相對(duì)值變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2；機(jī)組擺度隨勵(lì)磁相對(duì)值變化趨勢(shì)見(jiàn)圖3；機(jī)組振動(dòng)隨勵(lì)磁相對(duì)值變化趨勢(shì)見(jiàn)圖4。

表2 原始狀態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位：μm

圖1 機(jī)組擺度-轉(zhuǎn)速平方相對(duì)值

圖2 機(jī)組振動(dòng)-轉(zhuǎn)速平方相對(duì)值

圖3 機(jī)組擺度-勵(lì)磁百分比相對(duì)值

圖4 機(jī)組振動(dòng)-勵(lì)磁百分比相對(duì)值

變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著轉(zhuǎn)速上升，振動(dòng)、擺度大幅增加，空轉(zhuǎn)狀態(tài)下，機(jī)組上機(jī)架水平振動(dòng)達(dá)到356 μm，下機(jī)架水平振動(dòng)達(dá)到53 μm，上導(dǎo)擺度達(dá)到1 550 μm，下導(dǎo)擺度達(dá)到1 763 μm，轉(zhuǎn)子存在嚴(yán)重的機(jī)械不平衡。

變勵(lì)磁試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著勵(lì)磁電壓的增加，機(jī)組振動(dòng)、擺度大幅增加，空載狀態(tài)下，機(jī)組上機(jī)架水平振動(dòng)達(dá)到1 098 μm，下機(jī)架水平振動(dòng)達(dá)到259 μm，上導(dǎo)擺度達(dá)到1 731 μm，下導(dǎo)擺度達(dá)到2 797 μm，轉(zhuǎn)子存在嚴(yán)重的磁拉力不平衡。

機(jī)組帶30 MW 負(fù)荷情況下，上機(jī)架水平振動(dòng)達(dá)到1 033 μm，下機(jī)架水平振動(dòng)達(dá)到234 μm，上導(dǎo)擺度達(dá)到1 677 μm，下導(dǎo)擺度達(dá)到2 784 μm，各測(cè)點(diǎn)測(cè)值嚴(yán)重超標(biāo)。

3.2 動(dòng)平衡試驗(yàn)結(jié)果

1 號(hào)機(jī)組振擺超標(biāo)情況較3 號(hào)、4 號(hào)機(jī)組嚴(yán)重，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了2 次配重。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 動(dòng)平衡試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 單位：μm

根據(jù)原始振動(dòng)數(shù)據(jù)，第1 次配重50 kg 安裝角度157°，結(jié)果表明空轉(zhuǎn)狀態(tài)下機(jī)組上機(jī)架水平振動(dòng)降至69 μm，上導(dǎo)擺度降至751 μm，下導(dǎo)擺度降至356 μm，說(shuō)明機(jī)組機(jī)械不平衡已經(jīng)明顯改善，但機(jī)組空載狀態(tài)下振擺即增大至原始振動(dòng)水平，沒(méi)有較大改善，機(jī)組磁拉力不平衡較嚴(yán)重。

第2 次試重83 kg 安裝角度177°，測(cè)試結(jié)果表明，機(jī)組上/下機(jī)架水平振動(dòng)、定子機(jī)座水平振動(dòng)及上下導(dǎo)擺度較原始狀態(tài)有所較低，但相對(duì)第1 次試重第2 次測(cè)試結(jié)果振擺均有所增加。

2 次試重計(jì)算出的最終配重重量及方位存在較大差別，綜合試驗(yàn)結(jié)果不建議繼續(xù)對(duì)該機(jī)組進(jìn)行配重，現(xiàn)場(chǎng)拆除全部配重塊。

4 對(duì)本次動(dòng)平衡試驗(yàn)的結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）1 號(hào)機(jī)組振動(dòng)擺度嚴(yán)重超過(guò)國(guó)標(biāo)，機(jī)組帶30 MW 負(fù)荷情況下，上機(jī)架水平振動(dòng)達(dá)到1 033 μm，下機(jī)架水平振動(dòng)達(dá)到234 μm，上導(dǎo)擺度達(dá)到1 677 μm，下導(dǎo)擺度達(dá)到2 784 μm。

（2）現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)展了2 次試重，2 次試重計(jì)算出的最終配重重量及方位存在較大差別，綜合試驗(yàn)結(jié)果不建議繼續(xù)對(duì)該機(jī)組進(jìn)行配重，現(xiàn)場(chǎng)拆除全部配重塊。

4.2 建議

（1）建議對(duì)1 號(hào)機(jī)組進(jìn)行檢修。機(jī)組上、下導(dǎo)原始狀態(tài)的擺度以及上機(jī)架水平振動(dòng)較大，嚴(yán)重超過(guò)國(guó)標(biāo)，導(dǎo)瓦雙邊間隙實(shí)際上已經(jīng)大大超過(guò)了設(shè)計(jì)值。建議對(duì)軸瓦間隙、轉(zhuǎn)動(dòng)部件中心進(jìn)行檢查調(diào)整，同時(shí)檢查軸瓦磨損情況，對(duì)機(jī)組關(guān)鍵部件進(jìn)行探傷。

（2）機(jī)組上機(jī)架整體結(jié)構(gòu)安裝在定子機(jī)架上，徑向承壓能力可能不足，建議盡早安裝上機(jī)架千斤頂以增強(qiáng)上機(jī)架徑向水平方向承壓能力，并重新進(jìn)行機(jī)組動(dòng)平衡試驗(yàn)。

（3）建議將機(jī)械過(guò)速保護(hù)裝置安裝間隙調(diào)整為3 mm，防止出現(xiàn)誤動(dòng)。

（4）機(jī)組振動(dòng)測(cè)點(diǎn)位置安裝不正確，建議按照規(guī)范對(duì)測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行調(diào)整；在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯示擺度數(shù)據(jù)與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值存在較大偏差，建議進(jìn)行檢查。

5 結(jié)束語(yǔ)

一般來(lái)說(shuō)，由于機(jī)組在制造、安裝等機(jī)械方面的原因，在運(yùn)轉(zhuǎn)中都不可避免地存在著不同程度的振動(dòng)，這是不可能完全避免和消除的現(xiàn)象。只要將振動(dòng)限制在允許的范圍之內(nèi)，它對(duì)機(jī)組本身及其運(yùn)行并不會(huì)造成危害，也就是說(shuō)可以保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。然而，當(dāng)機(jī)組的振動(dòng)超過(guò)允許的范圍，或振動(dòng)的頻率同機(jī)組的某固有頻率產(chǎn)生共振時(shí)，就會(huì)嚴(yán)重地影響到機(jī)組的安全運(yùn)行。

涔天河水電站機(jī)組通過(guò)動(dòng)平衡試驗(yàn)，判斷并消除可能存在的轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡，優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，保證了電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。