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        水電站機(jī)組異常振動(dòng)分析

        2023-12-21 07:50:16云南滇能集團(tuán)控股公司黃永凱付忠林
        電力設(shè)備管理 2023年21期
        關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)輪水電站軸承

        云南滇能(集團(tuán))控股公司 黃永凱 錢 剛 付忠林

        1 引言

        在水電站的安全、可靠和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行過(guò)程中,水電站機(jī)組的穩(wěn)定性是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。隨著水電站機(jī)組工作水頭和單位裝機(jī)量的增加,為保證其可靠、穩(wěn)定地工作,對(duì)機(jī)組的振動(dòng)、噪聲水平提出了更高的要求,另外還提出了相應(yīng)的預(yù)防措施[1]。水輪機(jī)是一種具有轉(zhuǎn)動(dòng)功能的機(jī)器,在其正常工作狀態(tài)下,均存在著一定的振蕩與搖擺,而過(guò)度的振蕩與搖擺不僅會(huì)對(duì)機(jī)組的平穩(wěn)工作造成嚴(yán)重的危害,而且還會(huì)對(duì)機(jī)組的其他部件造成損壞,所以對(duì)水電站機(jī)組異常振動(dòng)進(jìn)行檢查和分析是確保整個(gè)水電站工作的關(guān)鍵。

        2 研究背景

        水電站的建設(shè)和運(yùn)行都與環(huán)境保護(hù)和安全管理息息相關(guān),由于水電站是利用自然水流轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電方式,深入了解水電發(fā)電技術(shù)的原理和發(fā)展歷程,認(rèn)識(shí)到水電作為一種可再生能源的重要性,并了解到其在能源領(lǐng)域的應(yīng)用前景。對(duì)于水輪機(jī)機(jī)組振動(dòng)情況,水輪發(fā)電機(jī)在使用過(guò)程中所發(fā)生的強(qiáng)烈振動(dòng),可能導(dǎo)致機(jī)組零部件金屬和焊縫疲勞破壞區(qū)的形成和擴(kuò)大,進(jìn)而引發(fā)裂紋,甚至導(dǎo)致設(shè)備損壞,無(wú)法再使用。通過(guò)增加機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分的相互磨損,如大軸劇烈擺動(dòng)使軸與軸瓦溫度升高造成軸承過(guò)熱,并發(fā)生損毀。同時(shí),需要關(guān)注發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的過(guò)滑環(huán)與電刷的磨損情況,進(jìn)一步讓電刷冒火花,嚴(yán)重的還可能會(huì)造成電廠廠房乃至整個(gè)水工結(jié)構(gòu)發(fā)生共振,造成大量機(jī)組工作人員睡眠質(zhì)量下降,嚴(yán)重影響了整個(gè)機(jī)組的安全。因此,水電站機(jī)組的穩(wěn)定問(wèn)題也成為一個(gè)長(zhǎng)期困擾著水力發(fā)電企業(yè)的普遍問(wèn)題。因而,對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組中的振動(dòng)、噪聲進(jìn)行精確的診斷和解決的需求也變得日益緊迫。為找出造成水電站機(jī)組異常振動(dòng)的根源,本文已作出了一個(gè)初期的檢驗(yàn)。以某個(gè)機(jī)組為例,其各部位振動(dòng)值見(jiàn)表1。

        表1 機(jī)組各部位振動(dòng)值(單位:mm)

        水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)見(jiàn)表2。

        表2 水輪發(fā)電機(jī)組參數(shù)

        3 可能引起機(jī)組振動(dòng)的原因分析

        水電站機(jī)組在設(shè)計(jì)、制造、安裝、檢修以及運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題,都將會(huì)導(dǎo)致水電站機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)產(chǎn)生一些振動(dòng)[2]。如果振動(dòng)超出了容許范圍,就會(huì)對(duì)機(jī)組的安全和使用年限產(chǎn)生不利的影響。從可能引起機(jī)組振動(dòng)的情況來(lái)看,一般有三個(gè)方面的因素,分別是水輪機(jī)的水力方面、電磁方面以及機(jī)械方面。

        3.1 水力方面原因分析

        水力失衡、尾水管壓力低頻波動(dòng)、空腔氣蝕、卡門渦串以及間隙射流均是引起水電站機(jī)組異常振動(dòng)的原因。而且,在工況不良好的條件下以及瞬態(tài)過(guò)渡工作的條件下,水電站機(jī)組可能會(huì)因?yàn)樗鳁l件的變差,使得系統(tǒng)的各個(gè)部分的振動(dòng)顯著增加。在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中,還可能會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的振動(dòng)還會(huì)伴隨著一些奇怪的聲響??梢酝茰y(cè),這可能是因?yàn)樵谵D(zhuǎn)輪的葉片之間存在著一些外來(lái)物質(zhì),這些外來(lái)物質(zhì)不均衡地流入到轉(zhuǎn)輪中,會(huì)形成了一個(gè)水力不均衡的橫向力,從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)輪的振動(dòng)產(chǎn)生異響,這些外來(lái)物質(zhì)會(huì)跟一些固定的零件發(fā)生碰撞,從而導(dǎo)致了一些異響。所以,在停止供水后,工作人員們將蝸殼的入口開(kāi)啟,然后查看轉(zhuǎn)輪的上、下漏環(huán)和轉(zhuǎn)輪葉片,在轉(zhuǎn)輪的葉片中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何東西,由此可以確定尾水管中水力不穩(wěn)定是由轉(zhuǎn)輪引起的。尾水管內(nèi)由于水力失穩(wěn),使其產(chǎn)生周期性波動(dòng),壓力脈動(dòng)施加在機(jī)組上進(jìn)而引起振動(dòng)。在某一時(shí)刻,在水輪機(jī)尾水管內(nèi)產(chǎn)生渦滯,導(dǎo)致其流量周期改變,引起水壓波動(dòng)及管道壁面振動(dòng)。如果水輪機(jī)自由振蕩頻率與水輪機(jī)自激振蕩頻率一致,就會(huì)產(chǎn)生共振,將會(huì)嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全。對(duì)此,工作人員在高、低水頭下(有一定的開(kāi)口量)進(jìn)行了機(jī)組啟動(dòng)測(cè)試,發(fā)現(xiàn)振動(dòng)的聲音不能被去除,緊接著對(duì)轉(zhuǎn)輪的葉片進(jìn)行了檢測(cè),發(fā)現(xiàn)也沒(méi)有出現(xiàn)裂縫,所以可以將這個(gè)因素進(jìn)行了排除。

        由于防漏圈的不對(duì)稱,使得流入防漏圈內(nèi)的水流不均衡,從而造成了防漏圈的橫向壓力,引起防漏圈的振動(dòng)[3]。經(jīng)檢測(cè),轉(zhuǎn)輪下端進(jìn)行止漏操作,四周達(dá)到均勻狀態(tài)。但實(shí)際測(cè)試中發(fā)現(xiàn),三面的縫隙非常一致,其中約1/4的縫隙最大,接近1mm,遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)的0.3mm,所以可以推斷出上止漏不均勻是造成裝置振動(dòng)的一個(gè)重要因素。

        3.2 電磁方面可能引起振動(dòng)的分析

        機(jī)組的振幅隨著電機(jī)勵(lì)磁電流增加而上升,這是繞組短路和空氣間隙的不均勻性等原因所致。在機(jī)組運(yùn)行中,由于電機(jī)勵(lì)磁電流逐漸增加,諧振效應(yīng)愈發(fā)顯著,振幅逐步擴(kuò)大。當(dāng)發(fā)電機(jī)三組不對(duì)稱工作時(shí)將導(dǎo)致三相不均衡,三相不均衡的電流進(jìn)而導(dǎo)致三相線圈中出現(xiàn)正、負(fù)兩套旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。當(dāng)負(fù)序磁場(chǎng)靠近轉(zhuǎn)子縱軸時(shí),由于氣隙較小,產(chǎn)生的磁力線較多,這樣就使得轉(zhuǎn)子與定子之間不能產(chǎn)生較大的作用力。因此,負(fù)序磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)子之間的作用力不斷變化,最終引發(fā)了機(jī)組的振動(dòng)。通過(guò)監(jiān)測(cè)三相電流,發(fā)現(xiàn)三相不均衡的不均衡都在夫定區(qū)之內(nèi),這表明三相不均衡并不是造成三相不均衡的主要因素。

        另外,導(dǎo)致了機(jī)組振動(dòng)的原因之一是磁場(chǎng)周期性變化產(chǎn)生的磁張力,還有一個(gè)原因就是定子、轉(zhuǎn)子之間存在著不均衡的氣隙,這種振動(dòng)現(xiàn)象在機(jī)組停機(jī)后,對(duì)定子、轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙進(jìn)行測(cè)量,發(fā)現(xiàn)其滿足裝置和設(shè)計(jì)的需求,這就表明與這個(gè)因素沒(méi)有關(guān)系。除此之外,由于發(fā)電機(jī)發(fā)生了突發(fā)性的短路,導(dǎo)致磁場(chǎng)不平衡,使得發(fā)電機(jī)組經(jīng)歷了強(qiáng)烈的振動(dòng)。然而,對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的一點(diǎn)接地保護(hù)進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn),該保護(hù)裝置的響應(yīng)極為靈敏。觀察發(fā)電機(jī)過(guò)流保護(hù)記錄的電流曲線,未發(fā)現(xiàn)數(shù)值躍動(dòng)情況。因此,可以排除這種情況對(duì)機(jī)組異常振動(dòng)的影響。當(dāng)日天氣良好,基本不會(huì)出現(xiàn)打雷的情況,可以排除因打雷造成的設(shè)備損壞的情況。可見(jiàn),造成機(jī)組振動(dòng)的因素并非發(fā)電機(jī)根本因素。

        3.3 機(jī)械方面原因分析

        水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題,其在裝配和調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題都可能是造成這些水電站機(jī)組異常振動(dòng)的主要原因。機(jī)器的振動(dòng)是由機(jī)器各部件之間的摩擦引起的。因?yàn)檗D(zhuǎn)子的質(zhì)量不均衡導(dǎo)致其在旋轉(zhuǎn)的時(shí)候會(huì)因離心慣性力的影響,使主軸發(fā)生扭曲,導(dǎo)致機(jī)器出現(xiàn)振動(dòng)。但是,由于本機(jī)的轉(zhuǎn)子和主軸都是在工廠中進(jìn)行過(guò)熱套和動(dòng)靜平衡測(cè)試的,且本來(lái)就是平穩(wěn)的,所以可以消除轉(zhuǎn)子的不均衡的因素。

        另外,機(jī)組的軸線不正也可能會(huì)造成機(jī)組在運(yùn)行中產(chǎn)生橫向和縱向振動(dòng),最終引發(fā)回旋效應(yīng)。這種現(xiàn)象不但會(huì)對(duì)推力軸承和導(dǎo)軸承有較大的沖擊,而且會(huì)使離心慣性力變大,導(dǎo)致振幅增加。為了確保機(jī)組的平穩(wěn)運(yùn)行,需要詳細(xì)分析軸線不正可能帶來(lái)的振動(dòng)影響,采取相應(yīng)的振動(dòng)控制策略,降低對(duì)機(jī)組關(guān)鍵部件的損害,并提高水電站機(jī)組的運(yùn)行效率。

        在一定的運(yùn)行周期內(nèi),機(jī)組可能會(huì)因?yàn)槟承┮蛩貙?dǎo)致系統(tǒng)的軸心發(fā)生變化。由于推力頭大軸線安裝不緊密,卡環(huán)受力不均衡,推力頭與反射鏡之間的隔熱片發(fā)生了扭曲和損壞,使機(jī)器的裝置振動(dòng)。拆開(kāi)上部導(dǎo)向器后將推力瓦拔出,只見(jiàn)其表面光滑,沒(méi)有任何摩擦的跡象。將推力頭抽出來(lái)后,仔細(xì)觀察了一下鏡片的密封圈,見(jiàn)其完好無(wú)損,所以這個(gè)原因也可以排除。

        另外,導(dǎo)軸承可能也有缺陷瑕疵,機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中,因軸承松弛、剛度不夠、運(yùn)轉(zhuǎn)不平穩(wěn)和缺少潤(rùn)滑時(shí)都將發(fā)生摩擦造成逆弓回轉(zhuǎn),也就是橫向振動(dòng)。如果軸承的間隙太小時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)軸的振動(dòng)就會(huì)傳遞到軸承和底座上,而軸承的間隙太大時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)軸的振動(dòng)就會(huì)增大。此外,又怕因軸承的縫隙變化造成大軸的移動(dòng),進(jìn)而與上導(dǎo)向的油蓋板產(chǎn)生撞擊,在工作人員們對(duì)上導(dǎo)向的油蓋板進(jìn)行了檢測(cè)后,要注意上油蓋板主軸的縫隙,四面都要一致,以滿足安裝的需求。但是后來(lái)測(cè)得的導(dǎo)瓦的間隙較大,最大誤差為0.02mm,從而將其剔除。這很有可能是由于主軸密封座與研磨盤發(fā)生了摩擦和撞擊而產(chǎn)生的振動(dòng)和噪聲,在維修后對(duì)主軸密封座與磨板進(jìn)行了檢測(cè),沒(méi)有發(fā)現(xiàn)摩擦碰撞的跡象,這也不是最重要的原因。

        根據(jù)分析,發(fā)現(xiàn)機(jī)組的振動(dòng)主要是由于轉(zhuǎn)輪上的止漏環(huán)間隙不平均所造成的。但是,由于外部的原因,不能從外部來(lái)判斷是否會(huì)出現(xiàn)異常的聲音,也就不能啟動(dòng)。所以,決定對(duì)機(jī)組進(jìn)行拆除維修。

        4 水電站機(jī)組異常振動(dòng)的處理

        為了讓水電站機(jī)組正常運(yùn)行,將對(duì)機(jī)組進(jìn)行一些必要的處理。

        首先,對(duì)水電站機(jī)組的頂蓋進(jìn)行修補(bǔ),在修補(bǔ)的時(shí)候先去掉原來(lái)的兩個(gè)圓弧形狀的鋼圈,再將頂蓋的緊固止漏環(huán)的內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)1.5cm,增加內(nèi)部嵌入的鐵環(huán)的厚度,并考慮到內(nèi)部嵌入的鐵環(huán)的加工性,然后在內(nèi)部嵌入的鐵環(huán)上形成一個(gè)“梅花型”的鐵環(huán),以確保焊縫的強(qiáng)度。在此過(guò)程中,要確保鐵環(huán)內(nèi)部的表面光潔和圓度,尤其是錨焊部位要打磨光滑平整,不要有太多的凸起,要確保在加工過(guò)程中的定位及止漏量符合設(shè)計(jì)的容許偏差。其次,再次調(diào)節(jié)導(dǎo)瓦的間距,對(duì)拆卸掉的上導(dǎo)瓦、下導(dǎo)瓦、水導(dǎo)瓦等進(jìn)行檢測(cè),觀察瓦后撐桿螺釘是否有松動(dòng)、裂紋現(xiàn)象,對(duì)有拉伸的導(dǎo)瓦展開(kāi)打磨修理,根據(jù)盤車的資料,再重新分配并調(diào)節(jié)導(dǎo)瓦的間距。最后進(jìn)行轉(zhuǎn)輪的更換操作:因?yàn)檗D(zhuǎn)輪上冠外緣磨壞了,在短時(shí)間內(nèi)很難維修,所以采用了替換新轉(zhuǎn)輪的辦法,將新轉(zhuǎn)輪送到了工廠,并對(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn),同時(shí)對(duì)連軸后的轉(zhuǎn)輪也進(jìn)行了同樣的檢驗(yàn)。對(duì)施工過(guò)程中的施工質(zhì)量進(jìn)行了嚴(yán)格的監(jiān)控,按照工藝流程對(duì)每一道工序都進(jìn)行了檢查,確保了施工質(zhì)量達(dá)到了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

        5 結(jié)語(yǔ)

        由于修理頂蓋、替換轉(zhuǎn)輪、拆解重裝這些流程,導(dǎo)致了大量的經(jīng)濟(jì)損失。在上一次檢修中,由于檢修時(shí)對(duì)頂蓋緊固漏環(huán)的修復(fù)方法錯(cuò)誤,導(dǎo)致了設(shè)備的振動(dòng)及轉(zhuǎn)輪的損壞。后來(lái)由于葉輪損壞降低了葉輪的使用壽命。在檢修的過(guò)程中,由于監(jiān)管制度缺失,缺少對(duì)外加工零配件質(zhì)量的監(jiān)管,導(dǎo)致其在制造過(guò)程中未進(jìn)行葉身零件的檢驗(yàn),從而影響了葉身的使用壽命。經(jīng)過(guò)對(duì)頂蓋處的緊固漏環(huán)進(jìn)行維修,對(duì)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了更換操作,并按照盤后對(duì)導(dǎo)瓦間隙進(jìn)行了重新調(diào)節(jié),從而有效地消除了機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的強(qiáng)烈振動(dòng)和異響,該機(jī)組在經(jīng)過(guò)了一次檢修后這些問(wèn)題都已經(jīng)全部解決,一直到現(xiàn)在都處于一種安全運(yùn)行的狀態(tài)。

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