閔占奎，陳柏旭，劉秀良，馬喜平，周政龍

(國(guó)網(wǎng)甘肅省電力公司電力科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

水電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中受水力、機(jī)械和電氣三者影響，可能會(huì)出現(xiàn)各種類(lèi)型的故障現(xiàn)象[1-3]。目前對(duì)水電機(jī)組運(yùn)行故障的研究主要集中在采用不同算法進(jìn)行診斷及分析[4-6]，但由于運(yùn)行故障的復(fù)雜性、多樣性、不確定性和耦聯(lián)性，故障現(xiàn)象及故障形成機(jī)理間的映射關(guān)系十分復(fù)雜，單純依靠數(shù)學(xué)方法有時(shí)不能很好地解釋故障的形成原因，因此通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)機(jī)組進(jìn)行故障診斷就顯得十分重要[7]。

2018年8月，某水電站一號(hào)機(jī)因水輪機(jī)部件磨蝕損壞嚴(yán)重進(jìn)行了緊急檢修，檢修完啟動(dòng)時(shí)因振動(dòng)問(wèn)題機(jī)組只能帶1/3額定負(fù)荷勉強(qiáng)運(yùn)行，不僅威脅機(jī)組安全，還影響電站發(fā)電效益。為分析該機(jī)組振動(dòng)原因，進(jìn)而制定處理方案，進(jìn)行了全面穩(wěn)定性試驗(yàn)。本文通過(guò)該水電站一號(hào)機(jī)組某負(fù)荷區(qū)出現(xiàn)振動(dòng)嚴(yán)重超標(biāo)現(xiàn)象的實(shí)際案例，通過(guò)試驗(yàn)分析了造成異常振動(dòng)的原因，并總結(jié)提出了解決該問(wèn)題的基本方法。

1 水輪機(jī)組及振動(dòng)情況介紹

該水電站位于甘肅省甘南州迭部縣東南30 km處的達(dá)拉河上，規(guī)模為III等中型工程，壩高67 m，總庫(kù)容1740萬(wàn) m3，電站安裝3臺(tái)由富春江水電設(shè)備有限公司制造的17.5 MW懸式混流式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量52.5 MW，多年平均發(fā)電量2.73億kW·h。工程于2003年6月底開(kāi)工建設(shè)，首臺(tái)機(jī)于2007年6月啟動(dòng)，3臺(tái)機(jī)于2007年8月全部并網(wǎng)發(fā)電。機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)如表1所列。

2 試驗(yàn)?zāi)康暮鸵罁?jù)

此次試驗(yàn)的目的是測(cè)試分析一號(hào)機(jī)檢修運(yùn)行穩(wěn)定性特性，如果存在動(dòng)不平衡問(wèn)題則通過(guò)配重處理，重點(diǎn)分析機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行至某一工況時(shí)突然出現(xiàn)劇烈振動(dòng)、迫使機(jī)組減負(fù)荷運(yùn)行的故障原因，并提出處理措施建議。試驗(yàn)依據(jù)有GB/T 17189-2007《水力機(jī)械(水輪機(jī)、蓄能泵和水泵水輪機(jī))振動(dòng)和脈動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程》和GB/T 8564-2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》。機(jī)組振動(dòng)、擺度值標(biāo)準(zhǔn)要求見(jiàn)表2(GB/T 8564-2003)。

表1 機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)

表2 水輪發(fā)電機(jī)組各部位振動(dòng)允許值 /μm

3 試驗(yàn)測(cè)量方法

試驗(yàn)測(cè)量項(xiàng)目包括：

(1) 上導(dǎo)擺度-X、-Y，下導(dǎo)擺度-X、+Y，水導(dǎo)擺度+X、+Y，采用7200和3300型電渦流傳感器測(cè)量，傳感器通過(guò)磁力表座安裝。

(2) 上機(jī)架水平振動(dòng)+Y、垂直振動(dòng)+Y，下機(jī)架水平振動(dòng)+Y，發(fā)電機(jī)定子外殼水平振動(dòng)+Y，頂蓋水平振動(dòng)+X、垂直振動(dòng)+X，測(cè)量傳感器用MSL低頻振動(dòng)型位移傳感器，用傳感器自帶的磁力座安裝。需要說(shuō)明的是，由于頂蓋本體上無(wú)法安裝振動(dòng)傳感器，傳感器安裝在水導(dǎo)軸承座上，所以測(cè)量值比頂蓋本體振動(dòng)值要大。

(3) 蝸殼、頂蓋腔和尾水管水壓脈動(dòng)值各一點(diǎn)，測(cè)量傳感器用3277型壓力傳感器。

(4) 機(jī)組轉(zhuǎn)速(鍵相)，用光電傳感器測(cè)量，位置在水導(dǎo)+Y側(cè)。

(5) 發(fā)電機(jī)端電壓和機(jī)組功率。

試驗(yàn)工況包括無(wú)勵(lì)變轉(zhuǎn)速、額定轉(zhuǎn)速變勵(lì)磁、并網(wǎng)變負(fù)荷等工況，具體試驗(yàn)工況見(jiàn)表3、4所列。

試驗(yàn)流程為機(jī)組切手動(dòng)運(yùn)行，依次讓機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行在選定的試驗(yàn)工況，并在每個(gè)試驗(yàn)工況運(yùn)行約五分鐘后，同步自動(dòng)采樣記錄各測(cè)量值。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 變轉(zhuǎn)速和變勵(lì)磁試驗(yàn)

為了了解一號(hào)機(jī)旋轉(zhuǎn)體質(zhì)量力和電磁力對(duì)穩(wěn)定性的影響，首先測(cè)試了不同轉(zhuǎn)速和不同勵(lì)磁電流條件下機(jī)組各部位的振動(dòng)、擺度值和水壓力脈動(dòng)等參數(shù)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表3(表中：上游水位：2260.75)。圖1是機(jī)組各部位水平振動(dòng)和擺度值轉(zhuǎn)頻幅值與轉(zhuǎn)速平方的關(guān)系曲線。

表3 電站一號(hào)機(jī)變轉(zhuǎn)速、變勵(lì)磁試驗(yàn)數(shù)據(jù)

續(xù)表3 電站一號(hào)機(jī)變轉(zhuǎn)速、變勵(lì)磁試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由于導(dǎo)葉漏水量較大，開(kāi)機(jī)后轉(zhuǎn)速最低只能穩(wěn)定在435 r/min，所以測(cè)試從此轉(zhuǎn)速開(kāi)始，最高為額定轉(zhuǎn)速。預(yù)測(cè)到發(fā)電機(jī)電磁力平衡狀態(tài)較好，變勵(lì)磁試驗(yàn)只進(jìn)行了0、50%和100%額定電壓三個(gè)工況。

圖1 機(jī)組各部位水平振動(dòng)和擺度值轉(zhuǎn)頻幅值與轉(zhuǎn)速平方的關(guān)系曲線

從變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)數(shù)據(jù)看，機(jī)組各部位振動(dòng)和擺度值隨機(jī)組轉(zhuǎn)速的升高而增大，但除頂蓋水平振動(dòng)和水導(dǎo)擺度值超過(guò)標(biāo)允許值外，其余量都在允許范圍內(nèi)，這說(shuō)明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量平衡狀態(tài)尚可，但水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪有較明顯的動(dòng)不平衡現(xiàn)象。變勵(lì)磁試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，隨發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流增加，即隨發(fā)電機(jī)端電壓的升高，機(jī)組各部位的振動(dòng)和擺度值變化不大，說(shuō)明發(fā)電機(jī)電磁力平衡狀態(tài)良好。

4.2 變負(fù)荷試驗(yàn)

從變轉(zhuǎn)速、變勵(lì)磁試驗(yàn)數(shù)據(jù)知道，一號(hào)機(jī)振動(dòng)異常與質(zhì)量不平衡和電磁不平衡關(guān)系很小。為了準(zhǔn)確分析水力原因造成的振動(dòng)，變負(fù)荷試驗(yàn)進(jìn)行了兩次，測(cè)試了不同負(fù)荷(不同導(dǎo)葉開(kāi)度)工況下機(jī)組各部位的振動(dòng)、擺度和壓力脈動(dòng)等，以綜合分析水力因素對(duì)機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的影響。測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表4，圖2是第一次變負(fù)荷試驗(yàn)振動(dòng)、擺度和壓力脈動(dòng)通頻幅值與機(jī)組功率的關(guān)系曲線。

表4 電站一號(hào)機(jī)變負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)

從表4數(shù)據(jù)和圖2趨勢(shì)圖知道，機(jī)組在1 000 kW、2 000 kW、3 000 kW、4 000 kW工況運(yùn)行正常，各部位振動(dòng)、擺度值并不大，但負(fù)荷升到4140 kW時(shí)，突然出現(xiàn)劇烈振動(dòng)，振動(dòng)、擺度值成倍增加，同時(shí)出現(xiàn)了明顯的振動(dòng)噪聲，威脅安全，被迫減負(fù)荷運(yùn)行。機(jī)組功率從4 000 kW(運(yùn)行正常)增加到4 140 kW(劇烈振動(dòng))時(shí)，上導(dǎo)擺度值從140 μm/-X和132 μm/-Y增大到303 μm/-X和319 μm/-Y；下導(dǎo)擺度從204μm/-X和255μm/+Y增大到421 μm/-X和453 μm/+Y；水導(dǎo)擺度值從272 μm/+X和160 μm/+Y增大到965 μm/+X和724μm/+Y；上機(jī)架水平振動(dòng)值從24 μm/+Y增加到203 μm/+Y，上機(jī)架垂直振動(dòng)值從71 μm/+Y增加到101 μm/+Y；下機(jī)架水平振動(dòng)值從10 μm/+Y增加到23 μm/+Y；發(fā)電機(jī)定子外殼水平振動(dòng)值從16 μm/+Y增加到133 μm/+Y；頂蓋水平振動(dòng)值從119 μm/+Y增加到2142 μm/+Y，頂蓋垂直振動(dòng)值從181 μm/+Y增加到2 150 μm/+Y；蝸殼、頂蓋和尾水管壓力脈動(dòng)值變化很小，但頂蓋壓力值從292 kPa瞬時(shí)減小到168 kPa。頂蓋壓力突然下降，主要是劇烈振動(dòng)出現(xiàn)時(shí)引起機(jī)組抬機(jī)，造成轉(zhuǎn)輪上迷宮間隙減小，使進(jìn)入頂蓋的水流減小所致。

圖2 機(jī)組各部位振動(dòng)、擺度和水壓脈動(dòng)通頻幅值與機(jī)組功率的關(guān)系曲線

第二次變負(fù)荷試驗(yàn)結(jié)果和第一次情況類(lèi)似，但第二次試驗(yàn)時(shí)劇烈振動(dòng)出現(xiàn)的功率是5 500 kW，即強(qiáng)振出現(xiàn)的功率向大負(fù)荷移動(dòng)了。造成這一現(xiàn)象的可能原因有：①由于水流的復(fù)雜性，水輪機(jī)所受的力每時(shí)每刻不一定相同，導(dǎo)致振動(dòng)特性發(fā)生變化；②機(jī)組經(jīng)過(guò)幾次開(kāi)停機(jī)和經(jīng)歷幾次劇烈振動(dòng)后，機(jī)組構(gòu)件之間的連接性能會(huì)發(fā)生一些變化，導(dǎo)致組合體固有頻率改變，進(jìn)而引起振動(dòng)特性變化。

5 振動(dòng)原因分析

從變轉(zhuǎn)速、變勵(lì)磁試驗(yàn)結(jié)果知道，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量軸對(duì)稱(chēng)特性和電磁力平衡特性良好，變負(fù)荷試驗(yàn)表明，蝸殼、頂蓋和尾水管壓力脈動(dòng)值較小，壓力脈動(dòng)不是造成該機(jī)組異常振動(dòng)的原因。但這次試驗(yàn)，與以前試驗(yàn)相比，最大的特點(diǎn)是頂蓋的振動(dòng)值增加了幾十倍(以前未做負(fù)荷工況試驗(yàn))，這說(shuō)明振動(dòng)源在水輪機(jī)部分。

圖3是第一次變負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)不同負(fù)荷下各部位振動(dòng)、擺度頻譜圖(圖中從右到左依次是0 kW、2 000 kW和4 140 kW工況)，圖4是第二次變負(fù)荷試驗(yàn)典型部位振動(dòng)、擺度頻譜圖，工況是5 500 kW。

從圖3、4中可以看出，異常振動(dòng)出現(xiàn)時(shí)其主頻發(fā)生了顯著變化，即運(yùn)行正常時(shí)主頻為轉(zhuǎn)頻10 Hz，而劇烈振動(dòng)發(fā)生時(shí)，除了轉(zhuǎn)頻外，出現(xiàn)了16～19 Hz左右的高頻分量，而且所占比重較大(由于劇烈振動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，頂蓋的振動(dòng)值超過(guò)了傳感器測(cè)量量程，頻譜無(wú)法得到，測(cè)得的頂蓋振動(dòng)值也不準(zhǔn)確)，這為典型的自激振動(dòng)。自激振動(dòng)是系統(tǒng)受自身運(yùn)動(dòng)的反饋能量激勵(lì)引起的振動(dòng)，其振動(dòng)頻率接近于系統(tǒng)的固有頻率，其振動(dòng)烈度與振動(dòng)體的強(qiáng)度和剛度有關(guān)。

圖3 第一次試驗(yàn)不同運(yùn)行工況振動(dòng)擺度頻譜圖

圖4 第二次試驗(yàn)5 500 kW工況典型測(cè)點(diǎn)頻譜圖

另外，從圖3、4可知，第一次試驗(yàn)出現(xiàn)劇烈振動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)頻外的主頻率約為18.7 Hz，第二次試驗(yàn)出現(xiàn)劇烈振動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)頻外的主頻率約為16.7 Hz左右，比第一次試驗(yàn)時(shí)低了，而且各部位的振動(dòng)、擺度值也小了。也就是說(shuō)，頻率越接近于固有頻率，振動(dòng)強(qiáng)度就越大，有趨近于共振的傾向。對(duì)本機(jī)組來(lái)講，誘發(fā)自激振動(dòng)的能量，就是水輪機(jī)所受的水力，主要是水輪機(jī)迷宮間隙壓力不均勻、水輪機(jī)過(guò)流不對(duì)稱(chēng)等。由于水輪機(jī)部分未進(jìn)行全面的系統(tǒng)性檢修，致使水輪機(jī)迷宮間隙均勻性很差，活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)口、轉(zhuǎn)輪葉片開(kāi)口偏差較大，造成水輪機(jī)受力與設(shè)計(jì)相差較大，為自激振動(dòng)的產(chǎn)生埋下了隱患。另外，也不能排除水導(dǎo)軸承潤(rùn)滑油渦動(dòng)產(chǎn)生自激振動(dòng)。由于液體具有一定的可壓縮性，故水流和軸承潤(rùn)滑油渦動(dòng)誘發(fā)的自激振動(dòng)有一個(gè)特點(diǎn)，就是其振動(dòng)頻率不會(huì)是轉(zhuǎn)頻的倍數(shù)。

從自激振動(dòng)產(chǎn)生的原理可以知道，只要改變了系統(tǒng)的參數(shù)，就可以避免自激振動(dòng)發(fā)生，如系統(tǒng)頻率、構(gòu)建剛度和強(qiáng)度、動(dòng)靜部件間隙、水流流態(tài)等。

6 結(jié)論及建議

(1) 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的質(zhì)量平衡狀態(tài)和電磁力平衡狀態(tài)良好，但水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪存在一定量質(zhì)量不平衡和水力不平衡，建議把活動(dòng)導(dǎo)葉開(kāi)口和轉(zhuǎn)輪葉片進(jìn)出口通過(guò)檢修調(diào)均勻，并對(duì)轉(zhuǎn)輪做靜平衡試驗(yàn)。

(2) 機(jī)組一定負(fù)荷工況下出現(xiàn)的劇烈振動(dòng)，是由轉(zhuǎn)輪迷宮間隙內(nèi)的水壓力或水導(dǎo)軸承潤(rùn)滑油渦動(dòng)誘發(fā)的自激振動(dòng)，建議對(duì)水輪機(jī)部分進(jìn)行全面的檢修，尤其是對(duì)上、下動(dòng)靜迷宮環(huán)按設(shè)要求進(jìn)行檢修恢復(fù)，使迷宮間隙滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，并把水導(dǎo)軸承間隙做適當(dāng)調(diào)整。

(3) 檢修安裝時(shí)，不僅要軸線滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)對(duì)上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)軸承間隙和發(fā)電機(jī)空氣間隙、水輪機(jī)迷宮間隙等調(diào)整均勻同心。

(4) 考慮到機(jī)組推力瓦溫偏高，設(shè)法減小頂蓋腔壓力，以減小水推力，如適當(dāng)減小上迷宮間隙、加大頂蓋排水管尺寸、轉(zhuǎn)輪上冠上開(kāi)泄水孔等，減輕推力軸承載荷。

該機(jī)組按照以上方案檢修處理后投運(yùn)時(shí)，各種工況下運(yùn)行狀態(tài)良好，達(dá)到了安全穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)。