郁謝棟，李德敏

（江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽 213333）

1 基本概述

沙河抽水蓄能電站（簡稱沙河電站）由兩臺50 MW的可逆式水泵水輪機組成，采取機變單元接線方式，通過220 kV正母線、由單回沙茶4 576線路經(jīng)溧陽茶亭變接入江蘇電網(wǎng)。1號機組轉(zhuǎn)輪生產(chǎn)廠家為哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司，發(fā)電機生產(chǎn)廠家為法國ALSTOM，額定轉(zhuǎn)速為300 r/min，發(fā)電電動機額定容量為50 MW，設(shè)計最高水頭121 m，設(shè)計最低水頭100.5 m，額定水頭97.7 m，機組安裝高程為-8 m，單臺機組發(fā)電額定流量為60.8 m3/s，單臺機組最小揚程抽水流量53.7 m3/s。

沙河電站機組軸系由轉(zhuǎn)子支架、發(fā)電電動機主軸、水泵水輪機軸和轉(zhuǎn)輪組成。軸系在徑向方向上受到上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)三部導(dǎo)軸承的束縛。上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)單邊安裝間隙為0.23 mm，活動導(dǎo)葉數(shù)為20只，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為7個。

振動、擺度特性是評價抽水蓄能機組運行性能的重要指標，也是機組設(shè)計、制造和安裝質(zhì)量優(yōu)劣的最直觀體現(xiàn)。動平衡試驗是水電機組調(diào)試過程中的重要環(huán)節(jié)，是為了解決機組轉(zhuǎn)動過程中由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的機械振動問題，以提高試驗機組的穩(wěn)定性。本文主要講述了在沙河抽水蓄能電站1號機組更換轉(zhuǎn)輪后，轉(zhuǎn)子軸系動平衡發(fā)生變化，可能造成轉(zhuǎn)子重量失衡，需重新開展動平衡配重。通過動平衡配重，精準找出平衡點，在經(jīng)動平衡配重之后，1號機組振動、擺度等主要運行參數(shù)得到了大幅改善，綜合運行水平優(yōu)于投產(chǎn)初期及上一輪A修后水平，達歷史最優(yōu)，對機組長期安全穩(wěn)定運行意義重大。

2 試驗概述

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

為解決1號機組更換轉(zhuǎn)輪后不平衡引起機組振擺超標的問題，科學(xué)評價1號機組A修效果。

2.2 試驗方法

動平衡配重基于轉(zhuǎn)子徑向振動幅值與不平衡離心力成正比的原理，通過測量轉(zhuǎn)子徑向擺度和相位計算并確定轉(zhuǎn)子不平衡離心力的大小和相位，依此對轉(zhuǎn)子立筋進行配重?，F(xiàn)場動平衡計算方法采用影響系數(shù)法，該方法思想基于轉(zhuǎn)子激勵與響應(yīng)在一定范圍呈線性，其激勵和響應(yīng)是純數(shù)學(xué)關(guān)系。

2.3 試驗標準

1號機組的振動測試數(shù)據(jù)采用ISO 7919－5標準進行評價，該標準下，300 r/min的水輪機組在穩(wěn)態(tài)運行時的軸系振動等級分區(qū)見表1。

表1 300 r/min水輪發(fā)電機組軸系振動考核標準（峰-峰值）

2.4 試驗工況

對1號機組的主要測試工況為空轉(zhuǎn)工況、空載工況、發(fā)電帶負荷工況、SFC拖動工況和抽水工況。

2.5 測點位置

振動測試對象為1號機組。振動試驗測點為1號機組的上導(dǎo)、下導(dǎo)及水導(dǎo)處兩個互相垂直的X、Y水平方向共6個測點的大軸相對振動，鍵相信號1個，所有測試點信號均來自于電站已有的機組振動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3 振動和擺度測試結(jié)果分析和處理

（1）1號機組A修回裝完成后，于2021年5月31日機組首次轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速的5%后，對1號機組各部位進行聲音監(jiān)聽以及外觀檢查，無任何異常后，運行約3 min后停機。

（2）機組停穩(wěn)后，再次發(fā)電方向手動啟動，轉(zhuǎn)速逐漸上升，最后到達100%額定轉(zhuǎn)速，稍后進行過速試驗，轉(zhuǎn)速最高到達130%額定轉(zhuǎn)速后停機。

（3）以上兩次啟機期間，對機組振動擺度進行連續(xù)監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，1號機組轉(zhuǎn)動部件雖然存在一定量的不平衡，但其在發(fā)電空轉(zhuǎn)工況下振動和擺度幅值并不是非常大，完全可以滿足機組稍后的電氣試驗要求。因此，經(jīng)調(diào)試組研究決定，暫時不做動平衡，先將電氣試驗完成，待機組在抽水方向旋轉(zhuǎn)的振動和擺度數(shù)據(jù)均完成采集后，結(jié)合轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)，綜合考慮動平衡試驗。

（4）6月1日進行了發(fā)電機開路試驗和短路試驗后，進行發(fā)電空載試驗?？辙D(zhuǎn)和空載試驗期間，各測點擺度和振動數(shù)據(jù)見表2。

（5）從表2中的擺度數(shù)據(jù)可以看出，機組空載比空轉(zhuǎn)工況下稍微穩(wěn)定一些，但1倍頻幅值相差不大；無論是空轉(zhuǎn)還是空載工況，機架和頂蓋的振動無明顯區(qū)別，但機架和頂蓋振動通頻值比較大，其振動主要成分是高倍頻所致，1倍頻幅值并不是很大。對機架1倍頻幅值進行換算，無論是空轉(zhuǎn)還是空載工況下，其1倍頻幅值最大約為23μm。對上導(dǎo)和下導(dǎo)擺度進一步分析，發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)和下導(dǎo)擺度存在非常大的反向不平衡量，即存在比較大的力偶不平衡。

表2 動平衡前1號機組發(fā)電空轉(zhuǎn)和空載工況下各測點數(shù)據(jù)

（6）1號機組在完成電氣試驗后，于6月1日由SFC拖動，轉(zhuǎn)速正常上升，轉(zhuǎn)速達到額定值后，保持該狀態(tài)約5 min后停機。期間，對1號機組擺振進行實時監(jiān)測。SFC拖動期間，1號機組振擺幅值見表3，各測點趨勢見圖1所示。

圖1 1號機組動平衡前SFC拖動額定轉(zhuǎn)速下各測點擺度趨勢

表3 動平衡前1號機組SFC拖動工況下各測點數(shù)據(jù)

（7）從圖1和表3中的數(shù)據(jù)可以看出，SFC拖動機組時，擺度時大時小，并不是非常穩(wěn)，而且表3中的數(shù)據(jù)也顯示機組轉(zhuǎn)動部件1倍頻分量和發(fā)電空轉(zhuǎn)、空載時差不多，存在一定的不平衡量。由于SFC拖動時，擺度幅值時高時低，而且相差比較大，因此，其計算出來的相位也極其不穩(wěn)定，以至于無法判斷其相位的大致范圍。

（8）為此，在對1號機組進行動平衡時，主要以發(fā)電方向空轉(zhuǎn)和空載的數(shù)據(jù)作為依據(jù)。6月2日，1號機組開展動平衡試驗，基于歷史數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計，并參考機組具體結(jié)構(gòu)，決定在發(fā)電機轉(zhuǎn)子11號磁極處上部加20.4 kg配重塊。配重塊安裝完畢且機組隔離恢復(fù)后，1號機組發(fā)電工況自動啟動空載運行，轉(zhuǎn)速達到額定值300 r/min后穩(wěn)定運行約5 min后停機。期間，對1號機組各擺度振動測點進行連續(xù)監(jiān)測，各擺度和振動幅值見表4。

表4 第一次動平衡后1號機組空載工況下各測點數(shù)據(jù)

（9）對比動平衡前1號機組空載時的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)擺度略微變小的同時下導(dǎo)擺度增大得比較多，究其原因，是因為平衡塊質(zhì)量比較大所致。經(jīng)再次計算，將原位置的20.4 kg配重塊更換為7.8 kg。配重塊安裝完畢，且隔離措施恢復(fù)后，自動開機，1號機組發(fā)電至空載操作，達到額定轉(zhuǎn)速300 r/min后進入空載工況，該工況下連續(xù)運行約5 min后停機。機組運行期間，對1號機組各擺度振動測點進行連續(xù)監(jiān)測，各擺度和振動幅值見表5。

（10）從表5中的數(shù)據(jù)得知，上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)擺度1倍頻幅值（除上導(dǎo)Y方向外）均比較小，而且都差不多大小。對比動平衡前各測點擺度幅值，上導(dǎo)擺度1倍頻幅值有大幅度降低，下導(dǎo)擺度1倍頻幅值略微降低。對其數(shù)據(jù)進行深入分析，發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)與下導(dǎo)擺度的相位基本呈相反，也就是說發(fā)電機轉(zhuǎn)子上下呈力偶不平衡狀，鑒于目前1號機組的結(jié)構(gòu)以及目前上導(dǎo)和下導(dǎo)1倍頻幅值數(shù)值，動平衡試驗達到預(yù)期效果。

表5 第二次動平衡后1號機組空載工況下各測點數(shù)據(jù)

（11）6月5日，1號機組在甩100%負荷前，滿負荷發(fā)電工況運行，期間對其擺度和振動進行了連續(xù)監(jiān)測。各擺度和振動幅值見表6、表7。

表6 第二次動平衡后1號機組滿負荷發(fā)電工況下各測點數(shù)據(jù)

表7 第二次動平衡后1號機組滿負荷抽水工況下各測點數(shù)據(jù)

續(xù)表7

（12）從以上數(shù)據(jù)來看，1號機組無論是發(fā)電工況還是泵工況下運行非常平穩(wěn)，機組擺度通頻幅值整體處于ISO7919－5標準規(guī)的A區(qū)振動水平，“可不加限制地運行”。至此，1號機組A修后動平衡試驗正式結(jié)束，動平衡試驗達到預(yù)期效果。

4 振動、擺度特性評價

1號機組經(jīng)A修后，機組雖存在比較大的不平衡力，但經(jīng)動平衡后，各測點擺度均大幅度下降。無論是發(fā)電工況運行還是抽水工況運行，機組擺度1倍頻幅值整體處于ISO7919-5標準規(guī)定的A區(qū)范圍，“可不加限制地運行”。修后上導(dǎo)擺度分別比投產(chǎn)初期、首輪A修后、本次A修前降低19%、24%、43%；下導(dǎo)擺度分別降低35%、39%、54%；水導(dǎo)擺度變化不大，與修前基本持平；頂蓋振動分別降低37%、58%、21%；尾水管振動分別降低75%、30%、60%；A修后在機組100%甩負荷試驗時發(fā)電機層蓋板上豎立一元硬幣不倒。由此可見，機組振動、擺度等主要運行參數(shù)得到了大幅改善，綜合運行水平優(yōu)于投產(chǎn)初期及上一輪A修后水平，達歷史最優(yōu)，對機組長期安全穩(wěn)定運行意義重大。

5 結(jié)論

通過沙河抽水蓄能電站1號機組動平衡試驗以及相關(guān)振動、擺度問題的分析和處理，總結(jié)如下：

（1）SFC拖動時，擺度幅值時高時低，相差比較大，其計算出來的相位也極其不穩(wěn)定，以至于無法判斷其相位的大致范圍。因此，在對1號機組進行動平衡時，主要以發(fā)電方向空轉(zhuǎn)和空載的數(shù)據(jù)作為依據(jù)。

（2）通過兩次試配，上導(dǎo)擺度1倍頻幅值有大幅度降低，綜合判斷機組結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子上下呈力偶不平衡現(xiàn)狀和配重后上導(dǎo)、下導(dǎo)1倍頻幅值大小，配重達到預(yù)期效果。

（3）發(fā)電機設(shè)計時，需考慮到配重塊的固定，避免在轉(zhuǎn)子磁極處上部焊接配重塊。

（4）目前抽水蓄能機組沒有專門的安裝規(guī)范，對轉(zhuǎn)動部件的安裝、軸線的調(diào)整應(yīng)結(jié)合設(shè)備制造廠和相關(guān)安裝標準嚴格要求。