向明

摘 要：針對(duì)巫溪縣劉家溝水電站2#機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)值、擺度值偏大，在運(yùn)行中多次觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作導(dǎo)致自動(dòng)停機(jī)的情況，我們從電氣因素、水力因素、機(jī)械因素及機(jī)組工況等方面全面探尋了振動(dòng)偏大的原因，通過(guò)對(duì)整個(gè)機(jī)組逐步進(jìn)行排查，最終通過(guò)動(dòng)平衡試驗(yàn)，在轉(zhuǎn)子下端面加12Kg配重塊后，有效地消除了機(jī)組振動(dòng)過(guò)大的缺陷。

關(guān)鍵詞：水電站;水輪機(jī);機(jī)組振動(dòng)

1引言

水電屬于可再生清潔能源，水電在推動(dòng)能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命、促進(jìn)節(jié)能減排、促進(jìn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)、高效調(diào)控和開(kāi)發(fā)利用水資源等方面的綜合效益持續(xù)顯現(xiàn)。2020年，我國(guó)水電裝機(jī)容量達(dá)3.7億千瓦，穩(wěn)居世界第一。在水電站運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到的水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)問(wèn)題，機(jī)組振動(dòng)對(duì)電站的安全運(yùn)行和設(shè)備使用壽命帶來(lái)不利影響。水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行工況比較復(fù)雜，引起機(jī)組振動(dòng)的因素較多，振動(dòng)的分析和消減難度很大，因此，研究機(jī)組振動(dòng)產(chǎn)生的原因、危害，并提出防治措施，對(duì)提高機(jī)組的安全運(yùn)行具有重要意義。

2電站概況

劉家溝水電站位于重慶市巫溪縣鳳凰鎮(zhèn)，為水庫(kù)式電站，電站裝機(jī)容量2×10MW，水輪機(jī)型號(hào)：HLA920-LJ-118，額定功率：10.417 KW，額定轉(zhuǎn)速：750r/min，飛逸轉(zhuǎn)速：1286r/min，額定水頭：190m，額定引水流量：5.908m3/s。劉家溝水電站首臺(tái)機(jī)組于2014年10月底成功并網(wǎng)發(fā)電，2014年11月2日第二臺(tái)機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電。

劉家溝水電站機(jī)組投運(yùn)時(shí)未進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，機(jī)組運(yùn)行幾個(gè)月后，發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)瓦背有所損壞，電站組織技術(shù)人員重新盤車檢查軸線、調(diào)整瓦隙后，開(kāi)機(jī)運(yùn)行發(fā)現(xiàn)機(jī)組的振動(dòng)值、擺度值仍超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。劉家溝水電站機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中因振動(dòng)值超標(biāo)多次觸發(fā)保護(hù)動(dòng)作，導(dǎo)致機(jī)組自動(dòng)停機(jī)，影響到電站的安全運(yùn)行。

3水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)產(chǎn)生的原因分析

水輪發(fā)電機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中工況比較復(fù)雜，根據(jù)水電站實(shí)際運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，水力振動(dòng)、電磁振動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)是常見(jiàn)的引起機(jī)組振動(dòng)的主要因素。

3.1水力振動(dòng)

水輪發(fā)電機(jī)組水力振動(dòng)主要因機(jī)組負(fù)荷變化、發(fā)電水頭變化、機(jī)組過(guò)流部件的水壓力脈動(dòng)和調(diào)速器系統(tǒng)震蕩等因素引起。例如，水輪機(jī)尾水管卡門渦列、渦帶誘發(fā)的機(jī)組振動(dòng)均與水壓力脈動(dòng)有關(guān)。

通過(guò)對(duì)劉家溝水電站2#機(jī)組在空載、2.5MW、5MW、7.5MW、10MW等幾個(gè)負(fù)荷工況和劉家溝水庫(kù)水位由正常蓄水位448m逐步降至最低發(fā)電水位426m左右下的運(yùn)行振動(dòng)值、擺度值進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)在不同負(fù)荷和水頭工況下機(jī)組振動(dòng)值、擺度值變化不大。由此排除了該機(jī)組因水力振動(dòng)導(dǎo)致振動(dòng)偏大的可能。

3.2電磁振動(dòng)

水輪發(fā)電機(jī)組電磁振動(dòng)主要因機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)不夠合理，或者未嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙制造、安裝精度不夠，從而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)工作時(shí)磁拉力不平衡，并由此引起的機(jī)組振動(dòng)。例如，機(jī)組定子鐵芯松動(dòng)、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)中心偏移、轉(zhuǎn)子圓度不夠等均為造成發(fā)電機(jī)磁拉力不平衡的原因。

通過(guò)對(duì)劉家溝水電站2#機(jī)組設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行復(fù)核，重新盤車檢查軸線、調(diào)整瓦隙、檢查轉(zhuǎn)子和定子安裝精度后，開(kāi)機(jī)運(yùn)行發(fā)現(xiàn)機(jī)組的振動(dòng)值、擺度值仍超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。由此排除了機(jī)組因電磁振動(dòng)導(dǎo)致振動(dòng)偏大的可能。

3.3機(jī)械振動(dòng)

水輪發(fā)電機(jī)組機(jī)械振動(dòng)主要因機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)部件質(zhì)量不平衡、上導(dǎo)、下導(dǎo)或水導(dǎo)軸承間隙調(diào)整不合理，或者機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件重心偏移引起。我們?cè)谶\(yùn)行過(guò)程中最常見(jiàn)的是機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件質(zhì)量不平衡，由此引起弓狀回旋，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)。

2015年6月30日，劉家溝水電站委托成都坤瑞安科技有限公司對(duì)2#機(jī)組進(jìn)行了動(dòng)平衡試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器使用英華達(dá)公司生產(chǎn)的EN900便攜式振擺儀，擺度傳感器使用德國(guó)申克公司生產(chǎn)的IN081電渦流一體化傳感器，振動(dòng)傳感器采用德國(guó)申克的VS068/069速度傳感器。根據(jù)《水輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)規(guī)程》（DL/T507—2002）規(guī)定，結(jié)合電站高轉(zhuǎn)速機(jī)組的特點(diǎn)進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，測(cè)試工況包括機(jī)組空轉(zhuǎn)、動(dòng)平衡試驗(yàn)、空載試驗(yàn)、機(jī)組帶負(fù)荷試驗(yàn)。

3.3.1開(kāi)機(jī)過(guò)程機(jī)組的振擺數(shù)據(jù)分析

（1）低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，機(jī)組振動(dòng)、擺度監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析。當(dāng)機(jī)組在低轉(zhuǎn)速137.8轉(zhuǎn)/分、223.4轉(zhuǎn)/分、404.4轉(zhuǎn)/分、483.6轉(zhuǎn)/分運(yùn)行時(shí)，從機(jī)組振動(dòng)、擺度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和軸心軌跡圖分析可以看出，機(jī)組上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)擺度的一倍頻幅值偏差比加大，說(shuō)明機(jī)組盤車時(shí)軸線處理得比較理想。從波形圖來(lái)看，上導(dǎo)、水導(dǎo)擺度波形圖的重合性很差;上導(dǎo)、水導(dǎo)軸心軌跡成三角形。說(shuō)明機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件尤其是水導(dǎo)處存在嚴(yán)重的摩擦、碰撞。

（2）開(kāi)機(jī)過(guò)程，（變轉(zhuǎn)速）機(jī)組的振擺數(shù)據(jù)分析。從上機(jī)架水平振動(dòng)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線看，振動(dòng)與轉(zhuǎn)速成二次曲線;從擺度與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線來(lái)看，擺度的幅值與轉(zhuǎn)速成一次（正比例）曲線。機(jī)組存在質(zhì)量不平衡。

（3）額定轉(zhuǎn)速時(shí)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件仍然存在摩擦、碰撞。機(jī)組振動(dòng)、擺度超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，需要進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)。

3.3.2 動(dòng)平衡試驗(yàn)

首先在轉(zhuǎn)子下端面加配重4.2Kg（試配）后，機(jī)組的振擺數(shù)據(jù)有所減小。通過(guò)試配后計(jì)算，二次在轉(zhuǎn)子下端面共加了12Kg配重塊。開(kāi)機(jī)后機(jī)組的振動(dòng)、擺度明顯減小，水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的碰撞基本消除，機(jī)組的振動(dòng)、擺度數(shù)據(jù)均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》GB/T8564—2003）。規(guī)范要求：轉(zhuǎn)速在375≤n<750范圍的機(jī)組，機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)組運(yùn)行擺度（峰值）應(yīng)不大于軸承總間隙的75%;帶導(dǎo)軸承支架的水平振動(dòng)小于50微米，帶推力軸承的垂直振動(dòng)小于40微米，頂蓋水平振動(dòng)小于30微米，頂蓋垂直振動(dòng)小于30微米。通過(guò)分析得知水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的碰撞是因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)部件的離心力作用，使得機(jī)組軸線擺度太大，其擺度大于轉(zhuǎn)輪上、下止漏環(huán)的間隙（單側(cè)最小間隙僅0.3mm）。本次動(dòng)平衡試驗(yàn)非常成功。動(dòng)平衡試驗(yàn)后，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件的碰撞基本消除，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定，機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行至今。

4水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的危害

水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中如果發(fā)生劇烈振動(dòng)，將會(huì)造成機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件和靜止部件之間的摩擦加劇，進(jìn)而影響機(jī)組零部件的使用壽命。機(jī)組發(fā)生經(jīng)常性的振動(dòng)將會(huì)引起相關(guān)部件金屬疲勞，從而可能使各部件的連接處和結(jié)合處發(fā)生松動(dòng)，導(dǎo)致部件出現(xiàn)裂紋甚至斷裂[1]。當(dāng)振源頻率與機(jī)組或電站廠房的固有頻率接近時(shí)，將會(huì)引起共振，可能引起機(jī)組解列，甚至造成水工建筑破壞。如果機(jī)組的振動(dòng)值、擺度值長(zhǎng)期超過(guò)允許值范圍，將不利于機(jī)組正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)＜半娬镜陌踩\(yùn)行 [2]。

5水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的防治措施

通過(guò)對(duì)水電站水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)產(chǎn)生的主要原因進(jìn)行探索分析，我們發(fā)現(xiàn)有些機(jī)組振動(dòng)是不可避免的，但有些機(jī)組振動(dòng)是可以消除的。所以，水電站運(yùn)行管理人員只有盡量把機(jī)組振動(dòng)控制在《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》（GB/T8564-2003）允許范圍內(nèi)，方能保障電站機(jī)組安全運(yùn)行。

根據(jù)我們?cè)趧⒓覝纤娬具\(yùn)行管理實(shí)際中總結(jié)的一些經(jīng)驗(yàn)，避免或減輕、消除機(jī)組振動(dòng)的一些常用措施如下：

（1）對(duì)因機(jī)組轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，由此產(chǎn)生弓狀回旋而引起的振動(dòng)，針對(duì)大中型低轉(zhuǎn)速水輪發(fā)電機(jī)組，可以在轉(zhuǎn)子組裝前對(duì)磁極、磁軛壓板、磁極引線等進(jìn)行稱重，進(jìn)行靜平衡計(jì)算。如果轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量超過(guò)規(guī)范要求，則需要在適當(dāng)?shù)奈恢眠M(jìn)行配重，并進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)，并根據(jù)動(dòng)平衡試驗(yàn)結(jié)果調(diào)整配重，從而減小或消除由于轉(zhuǎn)子靜不平衡所產(chǎn)生的振動(dòng)。

（2）對(duì)由于機(jī)組主軸出現(xiàn)不同心或折線而引起的振動(dòng)，可以通過(guò)對(duì)機(jī)組進(jìn)行盤車加以調(diào)整。

（3）對(duì)因發(fā)電機(jī)磁拉力不均勻引起機(jī)組振動(dòng)，可以通過(guò)對(duì)軸線進(jìn)行調(diào)整，使發(fā)電機(jī)空氣間隙均勻，從而消除或減小磁拉力不均勻引起的機(jī)組振動(dòng)。

（4）對(duì)因上導(dǎo)、下導(dǎo)或水導(dǎo)軸承間隙過(guò)大、推力軸承各支柱變形過(guò)大引起的機(jī)組振動(dòng)，可以通過(guò)盤車調(diào)整導(dǎo)軸瓦間隙、調(diào)整推力軸承各支柱的受力，從而減小機(jī)組振動(dòng)。

參考文獻(xiàn)

[1]李啟章.對(duì)大型機(jī)組振動(dòng)、裂紋問(wèn)題的探討[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2003（s1）：17-19.

[2]董毓新.水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)[M].大連理工大學(xué)出版社，1989.