鄧育林,曾 云,錢 晶,鄒屹東
(1.昆明理工大學(xué)冶金與能源工程學(xué)院,云南昆明650000;2.華能瀾滄江水電股份有限公司,云南昆明650214)
軸系振動和擺度是水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性好壞的兩項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo),是水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測的核心內(nèi)容[1]。引起機(jī)組軸系振動擺度異常的主要因素為機(jī)械不平衡、電磁不平衡、水力不平衡[2]。針對機(jī)械、電氣、水力因素誘發(fā)的機(jī)組振動問題,學(xué)者們開展了許多研究,包括采用各種算法從振動測試數(shù)據(jù)中提取振動特征[3- 4]、基于振動特征的故障識別[5- 6]、以數(shù)值模擬為基礎(chǔ)的故障形成機(jī)理分析[7- 8]等等。以此為基礎(chǔ)發(fā)展形成了機(jī)組故障診斷和預(yù)警理論,開發(fā)的水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于大中型水電機(jī)組,水電機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測到的設(shè)備異常狀態(tài)為設(shè)備維護(hù)和檢修調(diào)整提供了重要的依據(jù)。
從工程實(shí)踐來看,機(jī)械不平衡通常反映為振動頻率與轉(zhuǎn)速一致,與轉(zhuǎn)速平方成正比;電磁不平衡通常反映為振動隨勵磁電流增大而增大;水力不平衡通常反映為振幅隨負(fù)荷或接力器行程的增減而增減[9]。水電機(jī)組最常見的異常故障是軸系的機(jī)械偏心問題,機(jī)組大修后的盤車環(huán)節(jié)主要就是解決這個(gè)問題。水電機(jī)組軸系調(diào)整理論上并不復(fù)雜,主要難點(diǎn)在于機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,已開發(fā)的一些盤車系統(tǒng)主要簡化了試驗(yàn)測試計(jì)算問題[10-11],針對大型機(jī)組還有液壓自動盤車裝置[12]等。由于各電站機(jī)組軸系結(jié)構(gòu)的特殊性,難以給出通用的機(jī)組盤車自動系統(tǒng),軸系調(diào)整技術(shù)的進(jìn)步主要體現(xiàn)在充分利用設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測信息及其多參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)特性,實(shí)現(xiàn)對軸系的精細(xì)化調(diào)整,改善機(jī)組振動穩(wěn)定性。
本文結(jié)合機(jī)組狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)提供的軸系特征參數(shù)及參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)特性,對軸線調(diào)整、軸瓦間隙調(diào)整、發(fā)電機(jī)配重、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子圓整度等問題進(jìn)行了分析,提出的矯正方法應(yīng)用于實(shí)際的機(jī)組調(diào)整,取得了較好的效果。
發(fā)電機(jī)組軸承擺度與機(jī)組軸線、軸瓦間隙有重要關(guān)系,轉(zhuǎn)子動不平衡、機(jī)組軸線不滿足要求、主軸曲折率、軸瓦間隙、軸瓦與球頭支柱間墊片過多無法壓緊等因素直接影響發(fā)電機(jī)組軸承擺度。擺度可通過機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測開展實(shí)時(shí)監(jiān)測來判斷機(jī)組穩(wěn)定性的好壞,如圖1所示。根據(jù)導(dǎo)軸承間隙調(diào)整收縮原則,在一定程度上收緊上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)軸瓦間隙,可以降低機(jī)組導(dǎo)軸承擺度。機(jī)組導(dǎo)軸承軸領(lǐng)圓度也是影響導(dǎo)軸承擺度的重要因素。
圖1 某混流式水輪發(fā)電機(jī)組軸承擺度實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)
發(fā)電機(jī)組軸線處理過程中對折彎數(shù)據(jù)進(jìn)行嚴(yán)格控制,為降低機(jī)組擺度,需盡可能將主軸各部位擺度數(shù)據(jù)控制在質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)允許范圍內(nèi)的最小值。水輪發(fā)電機(jī)組軸線調(diào)整過程中,時(shí)刻關(guān)注機(jī)組軸線、機(jī)組中心線、機(jī)組旋轉(zhuǎn)中心線等機(jī)組“三條線”的相對位置,確保推力頭及鏡板與推力瓦的中心位置基本一致。軸線調(diào)整移軸推中后,測量4個(gè)方向止漏環(huán)間隙數(shù)據(jù)后將機(jī)組轉(zhuǎn)動部件旋轉(zhuǎn)180°后再次測量止漏環(huán)間隙,兼顧兩組數(shù)據(jù)取最優(yōu)方案進(jìn)行轉(zhuǎn)動部件定中,減小因止漏環(huán)間隙不均勻?qū)е碌乃Σ黄胶饧皦毫γ}動導(dǎo)致的振動擺度。機(jī)組大修回裝過程中測量0°、90°、180°對應(yīng)上止漏環(huán)間隙,根據(jù)數(shù)據(jù)分析,通過調(diào)整4塊軸線方向上的下導(dǎo)瓦,將機(jī)組軸線推至與機(jī)組中心線相重合位置。
混流式水輪發(fā)電機(jī)組導(dǎo)軸瓦間隙可直接影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性,間隙小可能造成瓦溫高或引起燒瓦事故,間隙大可造成機(jī)組轉(zhuǎn)子運(yùn)行的擺度大,影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性[13]。水輪發(fā)電機(jī)組各軸承瓦溫溫差受軸瓦間隙影響較大,發(fā)電機(jī)的磁拉力不平衡對機(jī)組上下導(dǎo)瓦溫偏差具有一定的影響,機(jī)組加勵磁后上、下導(dǎo)整體瓦溫分布會往某個(gè)方向偏移。圖2為某水輪發(fā)電機(jī)組軸瓦間隙及瓦溫分析趨勢,可以看出軸瓦間隙大小與軸瓦溫度有一定的關(guān)系,但軸瓦間隙大到一定范圍后,瓦溫變化就不明顯了。
圖2 某水輪發(fā)電機(jī)組軸瓦間隙及瓦溫分布趨勢
軸瓦間隙調(diào)整通常采用只收不放的原則,減小大面積釋放瓦間隙造成的軸系擺度惡化。對于單塊瓦溫過高,兩側(cè)瓦與單一瓦形成溫差過大等特殊情況,可根據(jù)機(jī)組特性增加瓦間隙減小瓦溫。上、下導(dǎo)軸承間隙調(diào)整應(yīng)在機(jī)組帶勵磁以后再根據(jù)瓦溫偏差情況進(jìn)行,調(diào)整時(shí)應(yīng)對瓦溫降低區(qū)域軸瓦間隙進(jìn)行整體收小,而不能對瓦溫升高區(qū)域軸瓦間隙進(jìn)行整體放大。對穩(wěn)定性較好的水輪發(fā)電機(jī)組,水導(dǎo)、下導(dǎo)瓦溫差控制在5 ℃以內(nèi),水導(dǎo)瓦溫差控制在6 ℃ 以內(nèi),軸瓦間隙調(diào)整應(yīng)在轉(zhuǎn)子配重和磁極加墊全部完成后開展。
根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),軸瓦間隙調(diào)整宜根據(jù)瓦溫?cái)?shù)據(jù)找到瓦溫中位數(shù),結(jié)合瓦溫雷達(dá)分布圖,對瓦溫較大的軸瓦進(jìn)行適當(dāng)間隙放大,對瓦溫較小的軸瓦進(jìn)行適當(dāng)間隙收小。調(diào)整時(shí)應(yīng)考慮相鄰未調(diào)整軸瓦溫度的變化趨勢,視情況可給予一定的過度調(diào)整(一般0.02 mm)。對于瓦溫與油溫偏差較小的軸瓦可認(rèn)為是未受力,可適當(dāng)加大調(diào)整量。圖3為某水輪發(fā)電機(jī)組下導(dǎo)瓦根據(jù)檢修前瓦溫高低,在檢修期對軸瓦間隙調(diào)整后運(yùn)行的軸瓦溫度。
圖3 某水輪發(fā)電機(jī)組軸瓦間隙調(diào)整前后下導(dǎo)瓦溫雷達(dá)分布
導(dǎo)軸承瓦間隙偏心瓦調(diào)整方式為:在控制好機(jī)組軸線的前提下,在下導(dǎo)瓦間隙均勻調(diào)整后,上導(dǎo)、水導(dǎo)軸承應(yīng)考慮轉(zhuǎn)軸在該處的盤車擺度方位及大小進(jìn)行瓦間隙調(diào)整分配,即應(yīng)用偏心瓦調(diào)整方式來保證每塊軸瓦均勻受力,瓦溫偏差控制在一定范圍內(nèi),從而降低機(jī)組擺度。
導(dǎo)軸承瓦間隙的精準(zhǔn)控制除正確的瓦間隙測量及調(diào)整方式方法外,需重點(diǎn)關(guān)注瓦間隙調(diào)整凸鍵、楔子板的加工精度,凸鍵應(yīng)采用機(jī)床加工代替手工打磨來提高瓦鍵的加工精度;楔子板需現(xiàn)場核實(shí)斜率,部分楔子板因加工誤差與圖紙標(biāo)注的斜率存在偏差。
國內(nèi)單機(jī)容量為700 MW的某大型水輪發(fā)電機(jī)通過調(diào)整各導(dǎo)軸承瓦間隙成功改善了機(jī)組的擺度、振動值。軸瓦間隙調(diào)整前,機(jī)組各導(dǎo)軸承擺度幅值均遠(yuǎn)超過精品機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)要求,機(jī)組檢修期間,根據(jù)導(dǎo)軸承間隙調(diào)整收縮原則,大致按上導(dǎo)、下導(dǎo)500 μm總間隙和水導(dǎo)按600 μm總間隙進(jìn)行收縮,根據(jù)運(yùn)行瓦溫情況,進(jìn)行小差別調(diào)整,通過收縮各導(dǎo)軸承瓦間隙,下導(dǎo)、水導(dǎo)擺度幅值改善明顯,下導(dǎo)擺度最大值由修前170 μm降至修后的55 μm,水導(dǎo)擺度最大值由修前的218 μm降至114 μm,上導(dǎo)擺度幅值有所改善,上機(jī)架水平振動幅值改善明顯。
混流式水輪發(fā)電機(jī)組振動可分為機(jī)械振動、電磁振動和水力振動3大類。引起機(jī)械振動的因素有轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、機(jī)組軸線不正、導(dǎo)軸承缺陷、軸承間隙過大、推力瓦軸不平等;引起水力振動主要因素有卡門渦列、尾水管渦帶、水封間隙不等、轉(zhuǎn)輪水流不均、狹縫射流、空腔汽蝕、協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確等;電磁振動主要包括轉(zhuǎn)頻振動和極頻振動,引起轉(zhuǎn)頻振動主要因素有轉(zhuǎn)子繞組短路、定子和轉(zhuǎn)子間氣隙不均勻、磁極的次序錯誤造成磁路不對稱引起磁拉力的不平衡從而產(chǎn)生振動、定子鐵芯松動引起超100 Hz的極頻振動、發(fā)電機(jī)定子鐵芯機(jī)座合縫不嚴(yán)。
發(fā)電機(jī)組水力振動是影響機(jī)組振動的關(guān)鍵因素,但在工程實(shí)踐中,水輪機(jī)在出廠前都會開展多批次模型試驗(yàn),提高水輪機(jī)制造質(zhì)量,來消除水力機(jī)組不利因素,加上現(xiàn)場機(jī)組安裝工藝的提高,很難在機(jī)組安裝完成后人為干預(yù)調(diào)節(jié)水力振動因素。工程實(shí)踐中通常采用給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子配重、調(diào)整發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子圓度來消除機(jī)組機(jī)械振動和電磁振動的不利因素。
大型水輪發(fā)電機(jī)振動大多因?yàn)榘l(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不平衡和磁拉力不平衡引起,轉(zhuǎn)動部件中的水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)剛度較好,在出廠前完成靜平衡試驗(yàn)即可滿足現(xiàn)場運(yùn)行要求。大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子大多采取現(xiàn)場組裝的方式,很難完全保證轉(zhuǎn)子質(zhì)量平衡,轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的不平衡力F是發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中產(chǎn)生振動的主要原因,其計(jì)算公式為
F=Meω2
(1)
其中,M為不平衡質(zhì)量,kg;e為轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量偏心距,m;ω為轉(zhuǎn)子角速度,rad/s。
為了消除發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量產(chǎn)生的不平衡力引起的機(jī)組周期性振動,通常采用機(jī)組動平衡配重來消除發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡量。剛性發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子配重平衡面可以選擇雙面配重和單面配重,對于立式發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子高度與轉(zhuǎn)子直徑比值大于0.5時(shí)采取雙面配重,比值小于0.5采取單面配重。
通過水輪發(fā)電機(jī)組現(xiàn)場動平衡試驗(yàn)配重可以消除發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡導(dǎo)致的機(jī)組振動,主要采取3次試配重法、影響系數(shù)法。試配重法計(jì)算公式為
(2)
式中,M1為試配重質(zhì)量,kg;G為轉(zhuǎn)子質(zhì)量,一般以發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子裝配質(zhì)量計(jì)算,kg;n為動平衡試驗(yàn)時(shí)機(jī)組額定轉(zhuǎn)速,r/min;r為試配重半徑,m;K為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),一般取5~25,對于轉(zhuǎn)速低于120 r/min的水輪發(fā)電機(jī)組可以適當(dāng)加大,K取35;轉(zhuǎn)速在120~500 r/min的水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組,K取25;轉(zhuǎn)速在500~1 000 r/min的水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組,K適當(dāng)減少。
張海庫等通過10個(gè)大型水電機(jī)組成功試配重?cái)?shù)據(jù)樣本,采用回歸分析法對傳統(tǒng)試配重公式進(jìn)行修正[14],最終得到修正后的試配重公式為
(3)
式中,s/s0為特征振動值和國家標(biāo)準(zhǔn)值的比值。
試配重質(zhì)量塊安裝完成后開展變轉(zhuǎn)速試驗(yàn),一般按25%、50%、75%、100%額定轉(zhuǎn)速測量發(fā)電機(jī)組振動值,如果不合格繼續(xù)開展平衡配重修正,如果振動值合格則結(jié)束試驗(yàn)。
根據(jù)有關(guān)的影響系數(shù)法修正平衡重量計(jì)算公式
(4)
式中,Q為應(yīng)加平衡質(zhì)量,kg;M1為試配重質(zhì)量,kg;A1為加試重后的合成振幅;A0為原始振幅。式(4)為向量計(jì)算式,配重質(zhì)量和角度一起確定,平衡質(zhì)量Q不包括適配重質(zhì)量M1,影響系數(shù)法一般做1~2次動平衡配重修正后可完成機(jī)組動平衡調(diào)整。
以國內(nèi)某單機(jī)350 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組為例,機(jī)組額定轉(zhuǎn)速為75 r/min,轉(zhuǎn)子直徑大、高度小,其上機(jī)架水平振動、下導(dǎo)擺度都偏大,2021年采取適配重法來降低機(jī)組振動擺度。步驟為:
(1)根據(jù)適配重計(jì)算公式M1=KG/(n2r),計(jì)算確定首次配重選擇325 kg。
(2)確定試配重塊加裝角度,將鍵相塊安裝對應(yīng)轉(zhuǎn)子引線、鍵相傳感器安裝在+X方位,+X向擺度1倍頻相位角(1倍頻分量波形峰值角)為超重角,以0°角為起始點(diǎn)逆轉(zhuǎn)動方向偏1倍頻相位角所對應(yīng)的方位為超重方位,其對側(cè)為失重方位,即配重塊加裝位置。
第一次配重后開機(jī)至空轉(zhuǎn)開展運(yùn)行數(shù)據(jù)對比,隨后采取同樣的方法,開展第二次配重117 kg,通過對比第一次和第二次配重下導(dǎo)擺度、上機(jī)架水平振動1倍頻分量無明顯降幅,判斷發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心已基本消除,配重完成后機(jī)組振動、擺度得到明顯改善,詳見表1。
表1 機(jī)組完成兩次配重后運(yùn)行數(shù)據(jù)對比
水電機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的圓度直接影響到氣隙分布的均勻性和機(jī)組的安全、穩(wěn)定的運(yùn)行,轉(zhuǎn)子圓度為影響機(jī)組振動的關(guān)鍵因素,發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子圓度主要通過磁極在圓周方向的位置分布情況來衡量,影響轉(zhuǎn)子圓度誤差的主要因素是氣隙值在圓周方向的變化情況[15]。關(guān)于圓度的評定,國標(biāo)中有4種方法,即最小區(qū)域圓法、最小二乘圓法、最小外接圓法和最大內(nèi)接圓法[16]。已投入運(yùn)行的水電機(jī)組轉(zhuǎn)子無法直接測量其圓度,主要通過測量發(fā)電機(jī)空氣氣隙和磁極加速度,從而間接獲得轉(zhuǎn)子的圓度分析。
優(yōu)化機(jī)坑外轉(zhuǎn)子圓度,圓度調(diào)整首先要調(diào)整磁極上下部的對應(yīng)性,確保轉(zhuǎn)子坑外圓度所測量的斷面數(shù)據(jù)在趨勢上要一致;轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整后磁極形貌要均勻,不得出現(xiàn)連續(xù)的凸、凹,偏心應(yīng)盡可能小,要保證磁極垂直度良好,從而消減定子鐵芯及定子機(jī)座的1X及倍頻振動幅值,如圖4所示。
圖4 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整前后與定子振動影響示意
轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整方法主要有2種。第一種采取機(jī)坑內(nèi)轉(zhuǎn)子二次調(diào)圓,運(yùn)用數(shù)據(jù)分析將氣隙特征值作為量化指標(biāo),采集定子低頻振動幅值、頻譜等數(shù)據(jù),根據(jù)氣隙特征值模型計(jì)算分析確定磁極調(diào)整方案,形成一套基于氣隙特征值降低發(fā)電機(jī)定子低頻振動的方法。第二種是基于振動波形分析確定引起發(fā)電機(jī)定子低頻振動關(guān)鍵磁極的方法[17],采用波形計(jì)算振動加速度的方法確定磁極調(diào)整方案,通過對水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極加速度分布圖進(jìn)行分析,確定需要調(diào)整的發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極,在機(jī)坑內(nèi)磁極調(diào)整采取對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極加裝或拆卸磁極墊片來調(diào)整轉(zhuǎn)子圓度。
工程實(shí)踐中,通過對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極加裝或拆卸墊片來調(diào)整轉(zhuǎn)子圓度,從而調(diào)整控制發(fā)電機(jī)空氣氣隙,如圖5所示。同時(shí)開展機(jī)組動平衡試驗(yàn)對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行配重,可有效降低發(fā)電機(jī)定子機(jī)座水平振動和定子鐵芯水平振動。
圖5 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極加裝墊片位置示意
國內(nèi)某650 MW混流式水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組因定子振動偏大,通過開展如圖6所示的磁極加速度分布分析,判定24號~36號磁極區(qū)域加速度偏小,判別發(fā)電機(jī)空氣氣隙偏大,經(jīng)對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子30號磁極加裝2 mm墊片,則對應(yīng)發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子氣隙減少2 mm,經(jīng)開機(jī)啟動試驗(yàn)測量結(jié)果,處理后發(fā)電機(jī)定子機(jī)架水平振動幅值由修前120 μm下降至73 μm,調(diào)整效果明顯,效果對比詳見圖7。
圖6 發(fā)電機(jī)磁極加速度分布分析
圖7 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極加裝2 mm墊片后定子機(jī)架水平振動對比波形
水輪發(fā)電機(jī)組軸線調(diào)整過程中需關(guān)注與機(jī)組中心線、機(jī)組旋轉(zhuǎn)中心線的相對位置,通過測量四個(gè)方向止漏環(huán)間隙數(shù)據(jù)來判斷,確保推力頭及鏡板與推力瓦的中心位置基本一致。機(jī)組導(dǎo)軸承瓦間隙可直接影響機(jī)組振動和擺度,軸瓦間隙調(diào)整通常采用只收不放的原則,根據(jù)軸瓦運(yùn)行瓦溫分布來分析判斷調(diào)整軸瓦間隙的位置和大小。此外,通過試配重法、影響系數(shù)法來確定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子配重塊的安裝位置和質(zhì)量,可有效解決發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)動部分質(zhì)量不平衡問題,再通過對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極加裝或拆卸墊片來調(diào)整轉(zhuǎn)子圓度,來調(diào)整控制發(fā)電機(jī)空氣氣隙,可有效解決大型發(fā)電機(jī)振動偏大問題。