陳曉明，彭祖賢，張 華

(國電恩施水電開發(fā)有限公司，湖北 恩施 445000)

水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)是機(jī)組運(yùn)行中一種非常有害的現(xiàn)象，它嚴(yán)重威脅著機(jī)組的供電質(zhì)量、機(jī)組的使用壽命和安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。引起機(jī)組振動(dòng)的因素很多，主要包括機(jī)械振動(dòng)、水力振動(dòng)和電磁振動(dòng)三類。我國現(xiàn)行的水輪發(fā)電機(jī)允許振動(dòng)值見表1。

表1 水輪發(fā)電機(jī)組各部位振動(dòng)允許值表 mm

立式機(jī)組振動(dòng)常見表現(xiàn)為水平振動(dòng)超標(biāo)，水平振動(dòng)通過轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、動(dòng)平衡試驗(yàn)、勵(lì)磁試驗(yàn)、負(fù)荷試驗(yàn)，確定振動(dòng)原因，進(jìn)行有針對性處理可以解決水平振動(dòng)問題。在高水頭立式混流水輪發(fā)電機(jī)組中，因水力因素更加復(fù)雜，導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)生垂直振動(dòng)超標(biāo)現(xiàn)象，這類垂直振動(dòng)分析處理更加復(fù)雜。

1 機(jī)組垂直振動(dòng)分析處理實(shí)例

1.1 基本情況

某水電站2臺(tái)立式混流水輪發(fā)電機(jī)組，結(jié)構(gòu)型式為懸吊型，額定水頭238 m，單機(jī)額定容量25 000 kW，轉(zhuǎn)速600 r/min。自2012年投運(yùn)以來，1號機(jī)組垂直振動(dòng)值長期超出規(guī)范要求，2號機(jī)組垂直振動(dòng)值在規(guī)范允許值附近。自2014年初至2018年底，電站對1號機(jī)組進(jìn)行了3次A修，重點(diǎn)針對發(fā)電機(jī)及推力軸承檢查分析，針對檢查發(fā)現(xiàn)的問題，先后復(fù)核調(diào)整了機(jī)組高程，發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子相對高程，對上機(jī)架底部進(jìn)行加固增加剛性，處理更換推力軸承支柱螺栓配合間隙偏大的缺陷[1]，完成機(jī)組配重試驗(yàn)并增加配重塊，開展了轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、勵(lì)磁試驗(yàn)、負(fù)荷試驗(yàn)等分析，每次檢修后，水平、垂直振動(dòng)能夠降低至規(guī)范附近，但垂直振動(dòng)源未徹底消除，隨著運(yùn)行時(shí)間延長，垂直振動(dòng)值又逐步增大超出規(guī)范要求。

1.2 振動(dòng)原因分析

2019年，為徹底解決1號機(jī)組振動(dòng)問題，電站組織對1號機(jī)組進(jìn)行了全面系統(tǒng)分析，再次開展了負(fù)荷試驗(yàn)、配重試驗(yàn)，新增了頂蓋排水試驗(yàn)。

1.2.1 機(jī)組配重及負(fù)荷試驗(yàn)情況

表2和表3為1號機(jī)組2019年檢修后配重及負(fù)荷試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)。

表2 配重前振動(dòng)值實(shí)測數(shù)據(jù)表 μm

表3 配重后振動(dòng)值實(shí)測數(shù)據(jù)表 μm

從以上數(shù)據(jù)分析，通過機(jī)組動(dòng)平衡配重試驗(yàn)，水平振動(dòng)值明顯降低，但垂直振動(dòng)值無明顯改善。

1.2.2 水力因素分析

機(jī)組振動(dòng)主要是機(jī)械振動(dòng)、水力振動(dòng)和電磁振動(dòng)三類，綜合前幾次A修對發(fā)現(xiàn)問題的處理分析，排除了機(jī)械和電磁因素導(dǎo)致垂直振動(dòng)大的影響，重點(diǎn)針對水力因素分析。

1)機(jī)組結(jié)構(gòu)分析。圖1為機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪裝配局部結(jié)構(gòu)圖。

圖1 機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪裝配局部結(jié)構(gòu)圖

從結(jié)構(gòu)圖中可見，為減少水輪機(jī)容積損失，轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)均設(shè)計(jì)有梳齒式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)，其中，轉(zhuǎn)輪直徑1.63 m，轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)止漏環(huán)單邊間隙設(shè)計(jì)為1～1.2 mm，上下梳齒單邊間隙設(shè)計(jì)值為0.85～1 mm，在上下梳齒至轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)止漏環(huán)之間，分別有A、B兩腔，機(jī)組運(yùn)行過程中，受上下梳齒止水的影響，A、B兩腔均會(huì)產(chǎn)生水壓，B腔水壓對轉(zhuǎn)輪形成向上頂托力，抵消部分軸向水推力，同時(shí)產(chǎn)生1個(gè)水平徑向分力，該結(jié)構(gòu)常應(yīng)用于較高水頭混流式機(jī)組結(jié)構(gòu)中。在上梳齒后，設(shè)有6根頂蓋排水管，通過轉(zhuǎn)輪上冠上部設(shè)置的泵板，排除上梳齒漏水[2]。

2)水力分析及驗(yàn)證。該結(jié)構(gòu)中，A、B兩腔壓力值受上下梳齒間隙值及同心度影響，其中B腔若存在壓力不均勻，就可能產(chǎn)生不均勻的向上頂托力，引發(fā)水力自激振動(dòng)，導(dǎo)致機(jī)組垂直振動(dòng)[3]。因A、B兩腔均未設(shè)計(jì)測壓管，現(xiàn)場難以新增。為驗(yàn)證垂直振動(dòng)可能來源于B腔壓力脈動(dòng)，研究確定在6根排水管上增加閥門，通過減少頂蓋排水管泄流量，調(diào)整上梳齒后部壓力值，改變軸向水推力，測量機(jī)組在不同工況下的振動(dòng)值進(jìn)行綜合分析。不同工況對比如表4。

表4 不同階段振動(dòng)、擺度測量表 μm

第一階段：關(guān)閉頂蓋2根排水管,負(fù)荷10 MW工況數(shù)據(jù)。

第二階段：關(guān)閉頂蓋4根排水管，負(fù)荷25 MW工況數(shù)據(jù)。

第三階段：最后兩根排水管閥門關(guān)閉1/2，負(fù)荷25 MW工況數(shù)據(jù)。

第四階段：最后兩根排水管閥門關(guān)閉3/4，負(fù)荷25 MW工況數(shù)據(jù)。

通過4個(gè)階段分析，隨著頂蓋排水管過流面減少，壓力上升，增大了轉(zhuǎn)輪向下的軸向水推力，導(dǎo)致振動(dòng)、擺度略微下降。

圖2為水導(dǎo)擺度變化趨勢圖。

圖2 水導(dǎo)擺度變化趨勢圖(第二、第三、第四階段)

從圖2分析，每次閥門操作后，機(jī)組振動(dòng)、擺度值迅速下降，在此工況下運(yùn)行3～4 min，振動(dòng)、擺度值又恢復(fù)到以前數(shù)據(jù)，第四階段工況，機(jī)組振動(dòng)、擺度值下降明顯。通過以上數(shù)據(jù)分析，減少頂蓋排水泄流量、增加轉(zhuǎn)輪上部水壓，可改善機(jī)組運(yùn)行工況，初步確認(rèn)了垂直振動(dòng)源來自于A、B腔壓力脈動(dòng)，通過增大轉(zhuǎn)輪上部水壓，可抵消部分壓力脈動(dòng)，降低垂直振動(dòng)值。

3)壓力脈動(dòng)產(chǎn)生來源。從圖1的機(jī)組結(jié)構(gòu)中可看出，機(jī)組實(shí)施A級檢修時(shí)，現(xiàn)場只能測量、控制轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)止漏環(huán)間隙，對于上下梳齒間隙值，安裝就位后現(xiàn)場不能測量。上梳齒的間隙值及同心度需要頂蓋加工確保，下梳齒的間隙值需要加工確保，而同心度需要現(xiàn)場安裝調(diào)整確保[4]。也就是該結(jié)構(gòu)型式，在機(jī)組安裝時(shí)，除需保證頂蓋、底環(huán)兩處止漏環(huán)部位同心度外，還需保證下固定梳齒、頂蓋梳齒、頂蓋止漏環(huán)、底環(huán)止漏環(huán)4部位同心度，在前3次A修過程中，均未檢查復(fù)核下固定梳齒同心度。因上下固定梳齒均可能存在同心度超標(biāo)，導(dǎo)致上下梳齒間隙不均勻，A、B腔內(nèi)形成壓力振蕩，引發(fā)水力自激振動(dòng)。

1.3 處理及試運(yùn)行

2019年底，再次對1號機(jī)組A修檢查處理。拆卸過程中，發(fā)現(xiàn)頂蓋梳齒、轉(zhuǎn)輪下環(huán)梳齒及下固定梳齒對稱側(cè)有明顯磨損痕跡，進(jìn)一步證實(shí)了我們的分析。將頂蓋、轉(zhuǎn)輪、下固定梳齒、底環(huán)等過水部件修復(fù)加工，實(shí)測各梳齒配合間隙尺寸，參考《水輪機(jī)設(shè)計(jì)手冊》[5]設(shè)計(jì)值，將轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)止漏環(huán)單邊間隙增大至1.9 mm左右，梳齒單邊間隙值增大至1.5 mm左右。頂蓋與上梳齒在廠內(nèi)固定后，同鏜加工，整體運(yùn)輸，現(xiàn)場不再拆卸，轉(zhuǎn)輪復(fù)測葉片節(jié)距、開口值，消除葉片之間水力不平衡的影響，對轉(zhuǎn)輪作靜平衡試驗(yàn)。因下固定梳齒就位后無法調(diào)整，優(yōu)化現(xiàn)場回裝工序，以下固定梳齒為基準(zhǔn)，重新復(fù)核調(diào)整頂蓋止漏環(huán)、底環(huán)止漏環(huán)同心度在規(guī)程范圍內(nèi)，檢修完成后，機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)測試數(shù)據(jù)表5。

表5 檢修后振動(dòng)值實(shí)測數(shù)據(jù)表 μm

通過調(diào)整上下梳齒、上下止漏環(huán)間隙值及同心度，機(jī)組各類工況下振動(dòng)值均較以前降低，進(jìn)一步明確了機(jī)組垂直振動(dòng)根源。相對于中低水頭混流式機(jī)組，該機(jī)組垂直振動(dòng)值雖然在規(guī)程范圍內(nèi)，但仍然偏大，分析主要原因?yàn)樯舷率猃X間隙難以完全均勻，A、B兩腔壓力脈動(dòng)始終存在難以徹底消除，只是振動(dòng)量值及對機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性影響有所減小。該機(jī)組經(jīng)過半年多時(shí)間運(yùn)行，振動(dòng)值無明顯變化，運(yùn)行情況良好。

2 結(jié) 語

高水頭混流式機(jī)組，為減小軸向水推力，在機(jī)組局部結(jié)構(gòu)上，往往和中低水頭機(jī)組存在細(xì)微差別，通過本次機(jī)組垂直振動(dòng)的處理，在同類型機(jī)組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及安裝階段，可以進(jìn)行以下優(yōu)化：

1)設(shè)計(jì)階段增加A、B腔測壓管及壓力監(jiān)測，其中B腔可考慮增設(shè)外圍環(huán)管，起到B腔周邊聯(lián)通均壓作用[5]，在上梳齒后增加壓力監(jiān)測。

2)規(guī)范高水頭混流式機(jī)組梳齒間隙取值，適當(dāng)降低A、B兩腔運(yùn)行期間壓力值，降低壓力脈動(dòng)幅值。

3)頂蓋上部梳齒在制造廠內(nèi)同鏜加工后，整體運(yùn)輸，不再拆卸。

4)導(dǎo)水機(jī)構(gòu)預(yù)裝階段，應(yīng)以下固定梳齒為基準(zhǔn)，定位底環(huán)和頂蓋，嚴(yán)格控制預(yù)裝階段同心度偏差值，該類型機(jī)組，偏差值應(yīng)較中低水頭混流式水輪機(jī)安裝標(biāo)準(zhǔn)更小，盡量降低梳齒間隙不均勻值。