華能龍開口水電有限公司 張德選
關(guān)鍵字:水輪機(jī)頂蓋;振動;強(qiáng)度
振動是所有旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的固有屬性。隨著目前國內(nèi)外水輪發(fā)電機(jī)組的大型化,以及設(shè)計(jì)、制造、安裝調(diào)試等一系列問題,振動問題尤其突出,長時間的振動超標(biāo)可能引起結(jié)構(gòu)上的疲勞破壞,甚至引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)更大的設(shè)備問題。
水輪發(fā)電機(jī)組振動的起因主要有機(jī)械振動、水力振動和電磁振動三方面,頂蓋振動的激振源主要為周期性水力脈動沖擊和轉(zhuǎn)動構(gòu)件的周期性碰撞摩擦,其中水力因素是關(guān)鍵原因,由于混流式水輪機(jī)流道水流流態(tài)復(fù)雜,止漏環(huán)結(jié)構(gòu)和葉片翼形特殊等原因,引起其振動的原因更為復(fù)雜。所以解決頂蓋振動問題,一方面要通過檢修不斷優(yōu)化機(jī)組軸線及瓦間隙,減小機(jī)組運(yùn)行中機(jī)械的周期碰撞摩擦激振因素,但要從根本性解決,還要通過改變水流流態(tài)以及增大頂蓋設(shè)備剛度,從源頭上降低水輪機(jī)組頂蓋振動問題,提高機(jī)組安全可靠運(yùn)行。
龍開口水電站位于金沙江中游,安裝5×360MW混流式發(fā)電機(jī)組。水輪機(jī)型號為HLA994-LJ-800,發(fā)電機(jī)型號為SF360-72/ 16970,額定容量400 MVA,設(shè)計(jì)水頭67.0m,額定轉(zhuǎn)速83.3r/min。投產(chǎn)后,機(jī)組在0-210MW 負(fù)荷運(yùn)行時頂蓋振動較大,定義為機(jī)組振動區(qū),水平振動最大達(dá)300-500μm,垂直振動最大達(dá)200-450μm,此負(fù)荷段只作為機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)的過渡區(qū)域,不建議長期運(yùn)行;211-360MW 負(fù)荷段運(yùn)行時,頂蓋振動值均滿足規(guī)程要求:水平振動90μm、垂直振動110μm,此負(fù)荷段機(jī)組能能夠長期穩(wěn)定運(yùn)行。然而龍開口水電站發(fā)電通過長線路遠(yuǎn)距離送出,經(jīng)常需要機(jī)組處于空載調(diào)壓方式運(yùn)行方式,長期運(yùn)行在振動區(qū)的空載方式(10MW 負(fù)荷),此狀態(tài)下,機(jī)組頂蓋水平振動最大達(dá)120-400μm,垂直振動最大達(dá)100-300μm[1]。
由數(shù)據(jù)看出機(jī)組在空載及振動區(qū)運(yùn)行時頂蓋振動值偏大,不滿足合同及相關(guān)規(guī)范要求,而且機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行范圍不滿足45-100%負(fù)荷段要求。5臺機(jī)組頂蓋水平、垂直振動趨勢圖如圖1~5。
圖1 1號機(jī)組頂蓋振動趨勢圖
圖2 2號機(jī)組頂蓋振動趨勢圖
圖3 3號機(jī)組頂蓋振動趨勢圖
圖4 4號機(jī)組頂蓋振動趨勢圖
圖5 5號機(jī)組頂蓋振動趨勢圖
針對頂蓋振動超標(biāo)問題,首先考慮了頂蓋剛強(qiáng)度,頂蓋重量僅為174.7t,對比同類型、同容量的機(jī)組頂蓋設(shè)計(jì)重量稍微偏小,其次,頂蓋使用的鋼板厚度也較同類型薄8-10mm。考慮檢修工期以及整體改造成本控制,對第1臺大修機(jī)組(5號機(jī))進(jìn)行重新設(shè)計(jì)制造新頂蓋,結(jié)合大修直接更換,其余4臺機(jī)組,對上一臺大修拆卸下的頂蓋上進(jìn)行返廠加固改造,修前運(yùn)回至電廠,結(jié)合大修進(jìn)行更換,不影響機(jī)組檢修工期,同時也最大限度降低改造成本。
新設(shè)計(jì)的頂蓋主要增加了剛強(qiáng)度,即在頂蓋外側(cè)增加立圈,在水導(dǎo)軸承法蘭及主軸密封法蘭下側(cè)各增加一個立圈,頂蓋所有鋼板厚度均增加10mm,同時也增加了12個徑向支撐。原結(jié)構(gòu)頂蓋質(zhì)量為174.7t,改進(jìn)后頂蓋質(zhì)量為213.6t。5號機(jī)組水輪機(jī)頂蓋更換后,開展了機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn),對相關(guān)振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析:新頂蓋更換后對減小頂蓋振動值有顯著效果。
由于剛強(qiáng)度增加的新頂蓋振動明顯減小,考慮成本預(yù)算決定對舊頂蓋采用加固方案改造,加固按不增加徑向支撐設(shè)計(jì),充分考慮焊接變形等不利影響,舊頂蓋加固后剛強(qiáng)度應(yīng)接近或優(yōu)于新頂蓋。使用ANSYS 有限元分析軟件對原頂蓋加固方案進(jìn)行了剛強(qiáng)度計(jì)算和動態(tài)特性分析,并與原頂蓋結(jié)構(gòu)、新頂蓋結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比,檢驗(yàn)原頂蓋加固方案是否滿足相應(yīng)要求[2]。
3.2.1 強(qiáng)度計(jì)算分析
在原頂蓋結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加水導(dǎo)軸承立筒,厚度為60mm,長短筋板處增加650mm 寬圍板,主軸密封位置增加方盒子,斜筋板均封堵。有限元分析中,選用1/6頂蓋結(jié)構(gòu)作為計(jì)算模型。
通過有限元分析,得出原頂蓋加固方案局部最大應(yīng)力和整體變形結(jié)果,如表1所示。各個工況下的應(yīng)力作為對比結(jié)果。從表1中可以看出,加固方案頂蓋剛強(qiáng)度性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,且加固方案平均應(yīng)力水平、軸向剛度等重要參數(shù)均優(yōu)于原結(jié)構(gòu),且與新頂蓋結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)相當(dāng)。
表1 不同工況運(yùn)行方式下頂蓋應(yīng)力和變形情況
3.2.2 頂蓋的徑向剛度計(jì)算
在計(jì)算頂蓋的徑向剛度的過程中,取整個結(jié)構(gòu)作為計(jì)算模型,在頂蓋安裝螺栓圓上對R、θ、Z三個方向進(jìn)行限制,并在上環(huán)板的節(jié)點(diǎn)R 方向上加余弦分布徑向力來計(jì)算頂蓋的徑向剛度,取最大徑向力F=480000N,根據(jù)在力F 的作用下,計(jì)算出徑向變形,得出頂蓋支撐的徑向剛度,計(jì)算結(jié)果如表2所示。
表2 徑向剛度計(jì)算結(jié)果
從表2可以看出,三種頂蓋結(jié)構(gòu)徑向剛度均滿足大于1.66×106(N/mm)標(biāo)準(zhǔn)要求,且原頂蓋加固方案與新頂蓋結(jié)構(gòu)徑向剛度相近,相比原結(jié)構(gòu)徑向剛度增加了84%。
3.2.3 頂蓋的自振頻率計(jì)算
頂蓋自振頻率的計(jì)算,使用ANSYS 程序,取整個頂蓋作為計(jì)算模型。控制頂蓋外法蘭與蝸殼座環(huán)連接處螺栓分布圓上節(jié)點(diǎn)的R、θ、Z 三個方向的自由度,模型中考慮了活動導(dǎo)葉、控制環(huán)、主軸密封和水導(dǎo)軸承的重量。通過運(yùn)算得到前3 階自振頻率,見表3。
表3 自振頻率的計(jì)算結(jié)果
軸向振動自振頻率主要應(yīng)避開激振源,即為轉(zhuǎn)頻與葉片數(shù)的乘積:
fp=ZBlade×=83.3/60×13=18.05Hz
還應(yīng)該考慮轉(zhuǎn)動過程中導(dǎo)葉的干擾(由n×Zg+K×m×Zr公式確定),n=1,m=2,K=2的情形,其激振頻率為:
fe=2×Zr×fn=36.1Hz
其中Zg為導(dǎo)葉數(shù)目;Zr為葉片個數(shù);K 為節(jié)徑數(shù);n、m 為兩個整數(shù)。
三種頂蓋結(jié)構(gòu)均避開激振頻率,并且有超過10%的裕度空間,符合要求。原頂蓋加固方案固有頻率比新頂蓋結(jié)構(gòu)低,而對于原結(jié)構(gòu)固有頻率而言有明顯的提高。
通過運(yùn)用ANSYS 有限元軟件對原頂蓋加固方案計(jì)算,并與原結(jié)構(gòu)、新頂蓋對比得出剛強(qiáng)度計(jì)算方面:原頂蓋、加固方案以及新頂蓋剛強(qiáng)度性能均能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求,處于較低應(yīng)力水平,且加固方案平均應(yīng)力水平、軸向剛度等重要參數(shù)均優(yōu)于原結(jié)構(gòu),與新頂蓋結(jié)構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)相當(dāng)。固有頻率方面:原頂蓋、加固方案以及新頂蓋固有頻率均有效避開激振頻率,原頂蓋加固方案固有頻率比新頂蓋結(jié)構(gòu)相近,而對于原結(jié)構(gòu)固有頻率而言有較大提高。徑向剛度方面:原頂蓋、加固方案以及新頂蓋徑向剛度滿足高于1.66×106N/mm 的基本要求,且原頂蓋加固方案與新頂蓋結(jié)構(gòu)徑向剛度相近,原結(jié)構(gòu)徑向剛度增加了84%。
5號機(jī)組安裝了重新設(shè)計(jì)制造的新頂蓋,并在現(xiàn)場安裝過程中在頂蓋外圈均勻安裝了12液壓千斤頂加強(qiáng)徑向支撐。2號機(jī)頂蓋采用5號機(jī)拆下的舊頂蓋進(jìn)行了加固改造,同時對水輪機(jī)泄水錐位置補(bǔ)氣管進(jìn)行了延長。1號機(jī)頂蓋采用2號機(jī)拆下的舊頂蓋進(jìn)行了加固改造,同時對水輪機(jī)泄水錐位置補(bǔ)氣管進(jìn)行了延長,并在延長管上開了60個Φ120的圓形消能孔。3號機(jī)頂蓋采用1號機(jī)拆下的舊頂蓋進(jìn)行了加固改造,4號機(jī)頂蓋采用3號機(jī)拆下的舊頂蓋進(jìn)行了加固改造,3號機(jī)組、4號機(jī)組處理方法相同,加固頂蓋的同時在頂蓋泄壓管分別新增6個節(jié)流孔板[3]。
5號機(jī)組為投產(chǎn)后的第一臺大修機(jī)組,按照方案采用重新設(shè)計(jì)制造新頂蓋更換,新頂蓋相比舊頂蓋,在頂蓋外側(cè)增加立圈,在水導(dǎo)軸承法蘭及主軸密封法蘭下側(cè)各增加一個立圈,頂蓋所有鋼板厚度均增加10mm,同時也增加了12個徑向支撐。原結(jié)構(gòu)頂蓋質(zhì)量為174.7t,改進(jìn)后頂蓋質(zhì)量為213.6t。5號機(jī)組水輪機(jī)頂蓋更換后,開展了機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn),對相關(guān)振動數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,機(jī)組空載時舊頂蓋振動數(shù)據(jù)大部分偏大,新頂蓋水平振動大部分?jǐn)?shù)據(jù)均在90μm 以下,考慮到數(shù)據(jù)采樣存在隨機(jī)性,個別振動值偏大。機(jī)組負(fù)荷上升到180MW 后,新頂蓋水平、垂直振動值分別為71μm、90μm,水平振動、垂直振動值均國標(biāo)要求(水平90μm、垂直110μm),較舊頂蓋水平振動231μm、垂直振動值177μm 有明顯減小;機(jī)組負(fù)荷上升到210MW 后,頂蓋水平振動、垂直振動值均小于50μm。從試驗(yàn)結(jié)果看:新頂蓋更換后對減小頂蓋振動值有很大效果;從頂蓋徑向支撐未受力及受力時振動值分析,頂蓋徑向支撐未受力及受力時振動值無明顯變化,頂蓋徑向支撐對減小振動值效果不明顯,后續(xù)機(jī)組不再考慮加裝徑向支撐。
2號機(jī)頂蓋采用5號機(jī)拆下的舊頂蓋進(jìn)行了加固改造,同時對水輪機(jī)泄水錐位置補(bǔ)氣管進(jìn)行了延長。2號機(jī)所使用的頂蓋主要是在舊頂蓋原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加厚度為60mm 的水導(dǎo)軸承立筒,長短筋板處增加650mm 寬圍板,主軸密封位置增加方盒子,頂蓋外圍把合螺栓位置小筋板加倍,所有斜筋板均封堵。頂蓋加固后約203噸,較原舊頂蓋173噸增重約30噸。同時采取補(bǔ)氣方式優(yōu)化措施,對補(bǔ)氣管改造,作為消減頂蓋振動輔助措施。新增延長補(bǔ)氣管外徑1500mm,高度2600mm。
2號機(jī)組頂蓋改造及延長補(bǔ)氣管后,空載時頂蓋水平、垂直振動值較改造前有所減小,但仍不滿足規(guī)范要求,與改造后的5號機(jī)基本相當(dāng);機(jī)組空載狀態(tài)時,頂蓋振動值受水頭影響,振動值會發(fā)生相應(yīng)變化。
2號機(jī)組頂蓋改造(圖6)及延長補(bǔ)氣管后,160-210MW 負(fù)荷段振動值較改造前有所減小,與改造后的5號機(jī)基本相當(dāng),當(dāng)機(jī)組負(fù)荷超過180MW以后,頂蓋振動值滿足規(guī)范要求。
圖6 2號機(jī)頂蓋更換前后振動對比
1號機(jī)頂蓋采用2號機(jī)拆下的舊頂蓋進(jìn)行了加固改造,同時對水輪機(jī)泄水錐位置補(bǔ)氣管進(jìn)行了延長。在轉(zhuǎn)輪泄水錐處加裝HB 型式泄水錐,外管Ⅰ上下均布開了4圈,每圈15個Φ120mm 的圓形消能孔。改造后壓力脈動數(shù)據(jù)分析:
(1)改造后的1#機(jī)總體壓力脈動幅值明顯低于機(jī)組改造前,且幅值降低幅度顯著。蝸殼壓力脈動在改造前均在126MW 工況時出現(xiàn)最大值,其中蝸殼進(jìn)口壓力脈動最大值高達(dá)25.9%,而蝸殼末端的壓力脈動幅值在部分負(fù)荷總體要略低于蝸殼進(jìn)口,且到達(dá)最大之后下降速度優(yōu)于蝸殼進(jìn)口;改造后蝸殼壓力脈動幅值下降顯著,進(jìn)口及尾端側(cè)點(diǎn)均在90MW 工況出現(xiàn)最大值,但最大幅值僅為12.7%,為改造前壓力脈動最高幅值的一半以下,且全負(fù)荷段壓力脈動較改造前均下降約一半。
(2)無葉區(qū)壓力脈動在改造前、后并無明顯變化,且幅值較小,均在合同保證范圍以內(nèi)。
(3)尾水管錐管及尾水管肘管壓力脈動比對結(jié)果,改造前與改造后壓力脈動的幅值變化規(guī)律基本一致,但幅值有顯著下降。改造前,尾水管進(jìn)口以及尾水管錐管壓力脈動在低部分負(fù)荷區(qū)域幅值均較大,并在126MW 同時達(dá)到最大值,該規(guī)律與蝸殼進(jìn)口與蝸殼末端出現(xiàn)峰值點(diǎn)的工況一致,而后壓力脈動幅值開始下降;改造后部分負(fù)荷尾水管壓力脈動下降明顯,150MW 以內(nèi)約為改造前的一半,進(jìn)入正常運(yùn)行負(fù)荷段,壓力脈動下降速度較改造前明顯,說明此次1#機(jī)頂蓋加固,補(bǔ)氣管路以及泄水錐的改造對渦帶能量的消除起到了積極作用。
(4)從頻域上看,改造前蝸殼進(jìn)口壓力脈動主頻帶集中在10-11Hz 附近,蝸殼末端壓力脈動頻率主要集中在轉(zhuǎn)頻附近,改造后蝸殼進(jìn)口壓力脈動頻率范圍覆蓋1.85-11Hz,但能量均較為分散,蝸殼末端信號能量主要集中在低頻區(qū)域,頻率范圍在4Hz 以內(nèi);無葉區(qū)壓力脈動頻率較低,且主頻特征不明顯;改造前尾水管進(jìn)口壓力脈動頻率在改造前呈現(xiàn)雙能量帶,低頻能量帶集中在0.3-3.85Hz 范圍,高頻能量特征頻率在18.05Hz,尾水管錐管壓力脈動頻率集中在7.5Hz 附近,尾水管肘管則以低頻為主;改造后整個尾水管壓力脈動均集中在低頻區(qū)域,頻帶范圍0.3-1.5Hz。
(5)從改造前、后總體壓力脈動結(jié)果比較來看,改造后的壓力脈動幅值整體大幅低于改造前,且改造前試驗(yàn)水頭約為71-72m,而改造后試驗(yàn)水頭約為65-67m,從水輪機(jī)壓力脈動隨水頭變化規(guī)律講,水頭越低壓力脈動越大,但從結(jié)果看,考慮到低水頭對壓力脈動的影響,改造后的壓力脈動仍能夠大幅低于改造前的高水頭下壓力脈動試驗(yàn)結(jié)果,足以說明,此次1#機(jī)水輪機(jī)頂蓋加固改造,以及補(bǔ)氣管路和泄水錐的改造達(dá)到了改善水輪機(jī)水力穩(wěn)定性的目的,1#機(jī)水輪機(jī)水力穩(wěn)定性提高效果顯著。
從頂蓋改造前后振動數(shù)據(jù)分析:
(1)改造后,0MW-162MW 的低負(fù)荷區(qū),頂蓋水平和垂直振動較大;180MW-360MW 高負(fù)荷區(qū),頂蓋水平和垂直振動相對較??;頂蓋垂直振動最大工況出現(xiàn)在108MW 左右。
(2)對于頂蓋水平和垂直振動,在54MW負(fù)荷以下區(qū)域,改造前后振動幅值基本相當(dāng),在54MW-360MW 負(fù)荷區(qū),改造后振動值稍小于改造前。
(3)全負(fù)荷范圍內(nèi),改造后頂蓋最大水平振動為167μm,垂直振動為277μm,出現(xiàn)在54MW-90MW;改造前頂蓋最大水平振動為223μm,垂直振動為411μm,出現(xiàn)在108MW-142MW。
(4)在142MW 負(fù)荷以上,頂蓋水平振動小于80μm,滿足合同保證值90um;在180MW 負(fù)荷以上,頂蓋垂直振動均小于80μm,滿足合同保證值110μm。
(5)改造前后相比,改造后整體上頂蓋水平和垂直振動有所減小,高負(fù)荷區(qū)(180MW 以上)約減小50%,低負(fù)荷振動區(qū)域(162MW 以下)約減小20%-50%。
從機(jī)組水機(jī)室聲譜測試結(jié)果分析:噪聲最大出現(xiàn)在144MW 以下低負(fù)荷工況,在162MW 以上的高負(fù)荷區(qū),噪聲相對很小。為了分析改造對噪聲的影響,對聲譜測量結(jié)果進(jìn)行了比對。比較發(fā)現(xiàn),改造后的噪聲略小于改造前,尤其是在162MW 以上的高負(fù)荷區(qū)。在試驗(yàn)測試過程中發(fā)現(xiàn)在360MW 工況附近,水機(jī)室出現(xiàn)一種高頻異常噪聲,針對此現(xiàn)象進(jìn)行了再次試驗(yàn)。
判斷異常噪音來源與轉(zhuǎn)輪泄水錐處加裝HB 型式泄水錐消能孔。在第二年機(jī)組檢修發(fā)現(xiàn)加裝的機(jī)組大軸補(bǔ)氣管改造裝置中心管脫落、外管I 存在多處開裂現(xiàn)象。隨即將改造裝置全部割除,泄水錐恢復(fù)至改造前狀態(tài),并對泄水錐過流面氣刨和焊接造成的凹凸面進(jìn)行充分打磨修整光滑。在同樣工況下開展試驗(yàn),機(jī)組異常噪聲消失。
表4 異常噪聲試驗(yàn)表
3、4號機(jī)頂蓋更換采用1、3號機(jī)拆下的舊頂蓋進(jìn)行了加固改造,同時在頂蓋泄壓管分別新增6個節(jié)流孔板。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù),改造后,頂蓋水平、垂直振動均有所改善。在0MW-162MW 的低負(fù)荷區(qū),頂蓋水平和垂直振動較大,在180MW-360MW 高負(fù)荷區(qū),頂蓋水平和垂直振動相對較小。3號機(jī)組改造后與改造前相比,整體上頂蓋水平和垂直振動有所減小,高負(fù)荷區(qū)(180MW 以上)約減小40%,低負(fù)荷振動區(qū)域(162MW 以下)約減小30%-40%。此次在頂蓋泄壓管分別新增6個節(jié)流孔板,增加節(jié)流孔板后隨著頂蓋壓力的增加機(jī)組推力負(fù)荷也有所增加,但推力瓦溫度較修前無明顯升高。改造后數(shù)據(jù)對比如表5。
表5 3號機(jī)組在線監(jiān)測設(shè)備測量結(jié)果(單位:μm)
通過頂蓋剛強(qiáng)度改造及輔以延長補(bǔ)氣管、增加頂蓋泄壓管截流板等方式有效降低了龍開口電廠頂蓋振動問題,且振動數(shù)據(jù)均優(yōu)于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值,證明改造是成功的,為大型混流式水輪機(jī)頂蓋振動超標(biāo)處理提供了經(jīng)驗(yàn)指導(dǎo)。
采用加長水輪機(jī)泄水錐位置補(bǔ)氣管,以及通過對頂蓋泄壓管采取節(jié)流措施,可以調(diào)整水流流態(tài),改變激振源頻率及幅度,一定程度上得到降低頂蓋振動的效果,但同時需要注意的是,水流流態(tài)的變化也有可能增加頂蓋振動,需要縝密計(jì)算和充分驗(yàn)證。對頂蓋泄壓管采取節(jié)流措施也會進(jìn)一步增大水推力,需充分考慮好機(jī)組推力軸承的受力增加和瓦溫變化情況。
頂蓋剛度加強(qiáng)確實(shí)對降低頂蓋振動有顯著效果,但從設(shè)計(jì)定型后再通過改造加強(qiáng)頂蓋剛度,很難降低到較好的穩(wěn)定運(yùn)行水平,所以要在設(shè)計(jì)、制造、安裝等各個環(huán)節(jié)做好控制,保證設(shè)備滿足實(shí)際工況要求,進(jìn)而保證設(shè)備滿足規(guī)程規(guī)范及合同要求。建議在后續(xù)設(shè)計(jì)、制造過程中不單要考慮理論計(jì)算和模型分析,同時要充分到考慮現(xiàn)場設(shè)備各種惡劣運(yùn)行工況和安裝存在的不可控因素,滿足標(biāo)準(zhǔn)合同要求的同時,要留足設(shè)計(jì)裕度,用來消除現(xiàn)場安裝和運(yùn)行過程中的不可控因素。