國(guó)電投重慶新能源科技有限公司 姚海洋

1 水力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障的發(fā)生特點(diǎn)

在水力發(fā)電機(jī)組的投用運(yùn)行過程中，振動(dòng)故障是相當(dāng)常見的故障類型之一。同時(shí)，結(jié)合我國(guó)水電站、水電廠的既往工作情況來看，水力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障也是水電生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)防范與水電設(shè)施監(jiān)控檢修的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。

1.1 多源性特點(diǎn)

水力發(fā)電機(jī)組的工作結(jié)構(gòu)較為精密、復(fù)雜，其主要由水動(dòng)力系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)三個(gè)部分組成，并包含有軸承、導(dǎo)葉、槳葉、蓋板、平衡管、控制環(huán)等數(shù)十種零部件。在生產(chǎn)運(yùn)行過程中，只有保證各系統(tǒng)、各零件均處在健康狀態(tài)，水力發(fā)電機(jī)組才能具備安全、穩(wěn)定的工作性能。換言之，任一系統(tǒng)或任一零部件出現(xiàn)損壞或顯現(xiàn)病態(tài)，都會(huì)引發(fā)水力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定的問題，繼而發(fā)生振動(dòng)故障。在此基礎(chǔ)上，由于誘發(fā)因素相對(duì)多樣，且分布在水力發(fā)電機(jī)組的多個(gè)部分，所以振動(dòng)故障往往還有著頻發(fā)、多發(fā)的特征[1]。

1.2 積累性特點(diǎn)

結(jié)合行業(yè)經(jīng)驗(yàn)來看，水力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障極少有突然發(fā)生的情況，其形成與發(fā)作通常是積累性、漸進(jìn)式的。一方面當(dāng)機(jī)組內(nèi)部出現(xiàn)零部件的松動(dòng)、磨損、偏位等情況時(shí)，其原本協(xié)調(diào)穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)便會(huì)被打破，繼而形成相對(duì)細(xì)微的振動(dòng)故障；若相關(guān)人員并未采取有效的干預(yù)手段，零部件的松動(dòng)、磨損、偏位等病態(tài)便會(huì)不斷加深，機(jī)組振動(dòng)現(xiàn)象也會(huì)更加劇烈；當(dāng)零件異常程度、振動(dòng)故障水平超出水力發(fā)電機(jī)組的最大承受范圍時(shí)，機(jī)組便會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞、運(yùn)行癱瘓等問題。

另一方面，當(dāng)機(jī)組內(nèi)部單一部位或零件發(fā)生異常時(shí)，相關(guān)系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)態(tài)也會(huì)受到侵?jǐn)_。在此背景下，其他原本健康的零部件也會(huì)受到消極的帶動(dòng)或影響，顯現(xiàn)出一定的病態(tài)。由此，水力發(fā)電機(jī)組帶病運(yùn)行時(shí)間越長(zhǎng)，其內(nèi)部的受累零部件越多，振動(dòng)故障也就會(huì)積累得越嚴(yán)重。

1.3 差異性特點(diǎn)

基于我國(guó)水利發(fā)電事業(yè)的蓬勃發(fā)展，水電站、水電廠中使用的水力發(fā)電機(jī)組已有多種類型，并在軸系布置、水流導(dǎo)向、參數(shù)設(shè)計(jì)、技術(shù)配置等方面存在很大區(qū)別。所以，不同水力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)故障在成因、表現(xiàn)等方面通常有較大差異性。

2 水力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障的形成因素

2.1 水力因素

在水力發(fā)電機(jī)組的水動(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，水流會(huì)繞經(jīng)旋轉(zhuǎn)中的導(dǎo)葉、槳葉等處，并在葉片兩側(cè)形成與其旋轉(zhuǎn)方向相反的規(guī)則渦流，即發(fā)生卡門渦街現(xiàn)象。這一現(xiàn)象發(fā)生后，機(jī)組內(nèi)部過流部位會(huì)持續(xù)受到水流的擾動(dòng)影響，繼而形成振動(dòng)故障。此時(shí)，振動(dòng)故障的具體發(fā)生頻率為。其中：f為機(jī)組故障部位（通常為過流部位）的振動(dòng)頻率，ω1為受擾動(dòng)葉片邊緣部位的水流流速，δ1為受擾動(dòng)葉片邊緣部位的厚度，c為由雷諾數(shù)決定的奇偶系數(shù)。

在常規(guī)運(yùn)行狀態(tài)下，水力發(fā)電機(jī)組中的水流往往是均勻旋轉(zhuǎn)、軸向流動(dòng)的。但在負(fù)荷、水頭等方面存在異常時(shí)，水流的旋轉(zhuǎn)分量、流動(dòng)方向很可能發(fā)生改變，繼而形成空腔、渦流等現(xiàn)象。在此背景下，不僅水流及相關(guān)過流部位的穩(wěn)定性會(huì)受到影響，周圍的管道、零件等也會(huì)出現(xiàn)共振，從而導(dǎo)致明顯的振動(dòng)故障。這種情況發(fā)生時(shí)，振動(dòng)故障的頻率多與機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)有關(guān)，即f=n/p×z。其中：f為機(jī)組故障部位的振動(dòng)頻率，n為機(jī)組轉(zhuǎn)速，p為機(jī)組轉(zhuǎn)頻，z為轉(zhuǎn)頻取值的控制系數(shù)，通常c=4或5，即取機(jī)組轉(zhuǎn)頻的1/4或1/5進(jìn)行故障分析[2]。

當(dāng)水力發(fā)電機(jī)組的水動(dòng)力系統(tǒng)存在作用力不均、結(jié)構(gòu)不合理等問題時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)故障的形成。例如，若轉(zhuǎn)輪槳葉與后方活動(dòng)導(dǎo)葉的數(shù)量、尺寸等不匹配，水流在經(jīng)過兩處時(shí)便會(huì)發(fā)生一定的波動(dòng)變化，繼而直接形成振動(dòng)故障，或埋下機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)態(tài)被破壞的隱患。一般來講，槳葉與導(dǎo)葉的匹配度越低，水流波動(dòng)越劇烈，由此引發(fā)的振動(dòng)故障也越嚴(yán)重。

2.2 機(jī)械因素

作為一種復(fù)雜精密的大型機(jī)械設(shè)施，水力發(fā)電機(jī)組的故障問題必然與其機(jī)械構(gòu)造、機(jī)械運(yùn)作存在高度關(guān)聯(lián)。首先，若水力發(fā)電機(jī)組的生產(chǎn)裝配質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，或在儲(chǔ)運(yùn)、保管等環(huán)節(jié)遭到碰撞、破壞等，其機(jī)械內(nèi)構(gòu)很可能會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)、偏移、形變等情況。如此一來，機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)存在基礎(chǔ)性的故障問題，必然會(huì)在運(yùn)行過程中出現(xiàn)振動(dòng)、異響等負(fù)面情況。其次，在長(zhǎng)期、持續(xù)的運(yùn)行狀態(tài)下，水力發(fā)電機(jī)組會(huì)面臨多種作用力影響，如傳動(dòng)力、慣性力、摩擦力等。在此基礎(chǔ)上，一旦機(jī)組內(nèi)部的力學(xué)平衡體系出現(xiàn)變化，其機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷將明顯增大，繼而形成局部過熱、異常振動(dòng)等故障表現(xiàn)。

最后，在水力發(fā)電機(jī)組的機(jī)械系統(tǒng)中，軸承、齒輪、葉片、鏡板、導(dǎo)桿、傳動(dòng)件等零部件必然會(huì)發(fā)生摩擦、碰撞等運(yùn)行動(dòng)作。由此，隨著機(jī)組運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，相關(guān)零部件難免會(huì)出現(xiàn)磨損、形變、移位、松脫等消極改變，進(jìn)而發(fā)生機(jī)械疲勞、材質(zhì)老化、性能下滑等問題，最終導(dǎo)致振動(dòng)故障的形成。

2.3 電氣因素

電氣系統(tǒng)出現(xiàn)運(yùn)行缺陷，也是導(dǎo)致水力發(fā)電機(jī)組發(fā)生振動(dòng)故障的常見原因。一方面若機(jī)組控制程序、控制信號(hào)在編制、傳輸、反饋等方面存在異常變化，相關(guān)電機(jī)設(shè)備、機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)將發(fā)生同步改變，繼而導(dǎo)致機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)遭受破壞。另一方面，若電氣系統(tǒng)中的鐵芯、線圈等硬件出現(xiàn)問題，如鐵芯松動(dòng)、線圈短路等，也會(huì)引發(fā)直接性或繼發(fā)性的振動(dòng)故障。

3 水力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障的排除措施

3.1 合理運(yùn)用多種故障診斷方法

及時(shí)、準(zhǔn)確地分析了解水力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)與故障情況，是有效排除振動(dòng)故障的前提和基礎(chǔ)。所以，相關(guān)人員在開展故障處理實(shí)踐時(shí)，必須合理化、多元化地運(yùn)用故障診斷方法。具體來講：首先，可運(yùn)用簡(jiǎn)單化、常規(guī)性的檢查手段實(shí)現(xiàn)機(jī)組故障的初步診斷。例如，當(dāng)振動(dòng)故障發(fā)生時(shí)，水力發(fā)電機(jī)組必然處在不穩(wěn)定、不均衡的運(yùn)行狀態(tài)下。此時(shí)，除了振動(dòng)以外，機(jī)組往往還會(huì)有其他故障表征，如局部發(fā)熱、異常噪聲等。所以，相關(guān)人員通過聽、看、觸等方式，便能對(duì)故障影響部位進(jìn)行大致的辨認(rèn)確定。再如，零部件及線路的松脫、損壞既是導(dǎo)致振動(dòng)故障的常見因素，也是振動(dòng)故障的作用表現(xiàn)。所以，相關(guān)人員在實(shí)施振動(dòng)故障的排查診斷時(shí)，可在機(jī)組停機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行拆機(jī)檢查，從而直觀判斷水力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部有無零件松動(dòng)、零件變形、零件磨損、線路松脫、線路損壞等情況。

其次，可使用專業(yè)儀器設(shè)備對(duì)機(jī)組故障進(jìn)行精密性的排查診斷。例如，在水力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過程中，相關(guān)人員可使用檢測(cè)儀器獲取表面溫度、工作壓力、水流流速、水流流量、電流值、電壓值、轉(zhuǎn)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率等數(shù)據(jù)信息。如此一來，若某項(xiàng)或多項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)存在明顯的異常變化，或其實(shí)際數(shù)值已超出水力發(fā)電機(jī)組的健康運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，則表明相應(yīng)系統(tǒng)、部位與振動(dòng)故障存在關(guān)聯(lián)。

再如，在非運(yùn)行場(chǎng)景下，相關(guān)人員可使用光譜法、頻譜法、色譜法、應(yīng)變法等技術(shù)手段，對(duì)水力發(fā)電機(jī)組的性能參數(shù)、負(fù)荷閾值等信息進(jìn)行掌握。如此一來，若發(fā)現(xiàn)機(jī)組某項(xiàng)靜態(tài)性能較出廠標(biāo)準(zhǔn)存在明顯劣化，則振動(dòng)故障的形成或影響與該方面有關(guān)。在此基礎(chǔ)上，在掌握機(jī)組實(shí)際情況后，相關(guān)人員可進(jìn)一步分析水力發(fā)電機(jī)組在生產(chǎn)運(yùn)行中的工作環(huán)境、受力條件，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)組適宜工況與生產(chǎn)實(shí)際工況的有效對(duì)照。通過這樣的方式，也能排查出誘發(fā)機(jī)組振動(dòng)故障的外部因素，繼而為故障的解決排除夯實(shí)基礎(chǔ)[3]。

最后，在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等先進(jìn)科技大行其道的當(dāng)下，相關(guān)人員也可采取智能化、數(shù)字化的振動(dòng)故障診斷方法。例如，可在全面采集水力發(fā)電機(jī)組數(shù)據(jù)信息的前提下，在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建機(jī)組的三維模型。其后，將不同控制標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)工況以數(shù)字化形式輸入建模平臺(tái)，即可動(dòng)態(tài)模擬出機(jī)組的運(yùn)行過程。如此一來，一方面能對(duì)機(jī)組振動(dòng)故障的發(fā)生來源、作用機(jī)理、影響部位進(jìn)行精確呈現(xiàn)，從而高效率、高質(zhì)量地完成故障定位與故障分析。另一方面，也能對(duì)機(jī)組整體的病害規(guī)律、運(yùn)行趨勢(shì)進(jìn)行掌握，從而預(yù)先性地規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)、消除故障。

3.2 明確掌握水電機(jī)組排障標(biāo)準(zhǔn)

在實(shí)施水力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障的排除處理時(shí)，相關(guān)人員應(yīng)明確掌握相關(guān)技術(shù)規(guī)范與排障標(biāo)準(zhǔn)。只有這樣，才能保證應(yīng)對(duì)振動(dòng)故障時(shí)做到有據(jù)可依，進(jìn)而將水力發(fā)電機(jī)組準(zhǔn)確調(diào)整至良性運(yùn)行狀態(tài)。例如，根據(jù)《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》（GB 8564-2003），水力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)允許值的部分內(nèi)容見表1。在此基礎(chǔ)上，相關(guān)人員處理振動(dòng)故障時(shí)還需明確以下三點(diǎn)。

表1 水力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)允許值

基于水力發(fā)電機(jī)組的工作特性，幾乎無法實(shí)現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象的完全消除。所以，僅需確保水力發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行過程中的振動(dòng)參數(shù)始終處在允許范圍內(nèi)即可；在水力發(fā)電機(jī)組內(nèi)部，一旦出現(xiàn)共振現(xiàn)象，或零部件發(fā)生形變問題，振動(dòng)故障的發(fā)展速度、危害程度往往會(huì)處于較高水平。因此，相關(guān)人員應(yīng)在處理故障時(shí)保證，無論是在何種工況下，水力發(fā)電機(jī)組及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)都不宜產(chǎn)生共振或變形；排除故障時(shí)，應(yīng)意識(shí)到振動(dòng)故障的多源性、差異性特點(diǎn)。所以，一方面要統(tǒng)籌關(guān)注多種系統(tǒng)部位與影響因素，盡可能實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)源的全面治理。另一方面，要避免采取僵化的工作方法，應(yīng)根據(jù)水力發(fā)電機(jī)組的具體參數(shù)、工況要求、技術(shù)類型、所處環(huán)境等實(shí)際情況，有針對(duì)性地實(shí)施診斷檢修、機(jī)組調(diào)試、零件更換等故障處理手段。

3.3 科學(xué)采取振動(dòng)故障處理措施

水力發(fā)電機(jī)組振動(dòng)故障的形成原因、發(fā)生部位、危害表現(xiàn)極具多樣性，且存在混發(fā)、繼發(fā)等聯(lián)動(dòng)機(jī)制。所以，相關(guān)人員在采取處理措施、解決故障問題時(shí)，必須嚴(yán)格保證針對(duì)性、實(shí)效性。首先，在水動(dòng)力系統(tǒng)方面，水力發(fā)電機(jī)組常見的故障表征有葉片卡門渦街、尾水管空腔、轉(zhuǎn)輪槳葉與后動(dòng)導(dǎo)葉匹配性差等。對(duì)此，若為葉片問題，則可對(duì)槳葉、導(dǎo)葉實(shí)施修形處理，或直接將葉片更換為合適的材質(zhì)、尺寸、數(shù)量。這樣一來，便能達(dá)成緩解渦流現(xiàn)象、避免水流擾動(dòng)的目的，進(jìn)而降低振動(dòng)故障的發(fā)生概率與影響程度。若為尾水管問題，則可對(duì)相應(yīng)部位實(shí)施補(bǔ)氣處理，從而避免尾水管渦流的形成，防止空腔、空蝕等情況發(fā)生。此外，適當(dāng)減小機(jī)組水動(dòng)力系統(tǒng)的運(yùn)行負(fù)荷，也可達(dá)到減輕振動(dòng)的效果。

其次，在機(jī)械系統(tǒng)方面，水力發(fā)電機(jī)組常見的故障表征有軸系不正、軸系間距過大、傳動(dòng)零件形變、軸承嚴(yán)重磨損、連接件松動(dòng)等[4]。對(duì)此，若為靜態(tài)工況下的安裝問題，則可對(duì)機(jī)組機(jī)械系統(tǒng)的軸系布局、零部件方位等進(jìn)行調(diào)整，并對(duì)松動(dòng)連接件實(shí)施緊固處理，以便從根本上保證機(jī)械系統(tǒng)的協(xié)調(diào)平衡運(yùn)轉(zhuǎn)。若為動(dòng)態(tài)工況下的作用力影響問題，如摩擦影響、傳動(dòng)影響等，則需要對(duì)形變、磨損的零部件進(jìn)行更換，以確保機(jī)械系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)標(biāo)，防止機(jī)組振動(dòng)不規(guī)則或加劇化的情況發(fā)生。最后，在電氣系統(tǒng)方面，水力發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)故障多與線路短路、線圈松脫有關(guān)。對(duì)此，相關(guān)人員在排除故障時(shí)應(yīng)收緊線圈并固定好定子、墊片等零部件。若已有電氣線路發(fā)生損壞，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行更換。

綜上所述，振動(dòng)故障的形成機(jī)理相對(duì)復(fù)雜，且對(duì)水電機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量、水電生產(chǎn)綜合效益具有一定的負(fù)面影響。相關(guān)人員在應(yīng)對(duì)處理振動(dòng)故障時(shí)，既要保證故障診斷的精確性、合理性，也要保證故障排除的針對(duì)性、實(shí)效性。只有這樣，才能確保水力發(fā)電機(jī)組長(zhǎng)期處在穩(wěn)定、安全的工作狀態(tài)當(dāng)中。