淺析水輪發(fā)電機(jī)組振動的測量、分析與故障診斷

余獻(xiàn)富

(國網(wǎng)四川省電力公司技能培訓(xùn)中心,四川成都 610000)

淺析水輪發(fā)電機(jī)組振動的測量、分析與故障診斷

余獻(xiàn)富

(國網(wǎng)四川省電力公司技能培訓(xùn)中心,四川成都 610000)

水輪發(fā)電機(jī)組的振動是不可避免的,機(jī)組的振動從幾μm至幾百μm不等,只有準(zhǔn)確測量振動值、分析振動原因,及時采取相應(yīng)對策,將振幅限制在允許范圍內(nèi),才能確保機(jī)組安全正常運(yùn)行。本文介紹了水輪發(fā)電機(jī)組振動的測量、振動類型及其產(chǎn)生原因,提出水輪發(fā)電機(jī)組振動判斷的基本方法,為處理不同類型振動提供參考。

水輪發(fā)電機(jī)組振動分析 振動監(jiān)測 故障診斷

1 水輪發(fā)電機(jī)組振動的測量

水輪發(fā)電機(jī)組的振動是不可避免的現(xiàn)象,若能將其振幅限制在允許范圍內(nèi),就能確保機(jī)組安全正常運(yùn)行。為了能了解水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)是否正常,需要對機(jī)組的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測,這首先就需要用到傳感器。傳感器是將機(jī)械振動的能量轉(zhuǎn)換成電能的機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置。傳感器的性能及傳感器的選用都直接影響整個測試系統(tǒng)的功能。在水輪發(fā)電機(jī)組振動測試裝置中,常用的傳感器有三種類型:非接觸式電渦流傳感器、慣性式速度傳感器、壓電式加速度傳感器。

傳感器的選用應(yīng)從兩方面來考慮,一方面是傳感器的性能；另一方面是測試對象的要求,只有這兩方面的結(jié)合,才能選擇出滿足測試要求的傳感器。

傳感器的主要性能指標(biāo):靈敏度、頻響范圍、分辨率、測量范圍、相移、傳感器的接收形式、環(huán)境條件等。

2 機(jī)械原因引起的振動及分析

機(jī)械故障引起的振動,其頻率和轉(zhuǎn)頻相同或成整倍數(shù)關(guān)系。不同原因引起的振動還有自己的特征,機(jī)械故障的偶然性和多樣性,不像有些水力或電磁振動那樣有一定的規(guī)律。要識別它們,需要對機(jī)組各部分的結(jié)構(gòu)、性能、加工、安裝工藝等有一定的了解,同時,實踐經(jīng)驗和同類別的電廠情況的積累有助于迅速地識別和排除故障。

2.1 軸線不對中

由于軸承中心線偏斜或偏移、轉(zhuǎn)子的彎曲、轉(zhuǎn)子與軸承的內(nèi)隙以及承載后轉(zhuǎn)子與軸承的變形等原因都將引起軸線不對中。其影響是:產(chǎn)生不平衡離心力；增大轉(zhuǎn)子弓狀回旋半徑；引起迷宮中較強(qiáng)的壓力脈動,有時還會引起機(jī)組的自激振動。有的電廠運(yùn)行檢修經(jīng)驗表明,有些不對中的情況還會產(chǎn)生兩倍頻的附加徑向力和擺度,還會有一個轉(zhuǎn)頻的附加軸向力作用在推力軸承上。因此安裝或檢修過程中,應(yīng)將軸線擺度控制在規(guī)程允許的范圍內(nèi)。

2.2 軸瓦間隙大

其它條件不變時,軸瓦間隙的大小直接決定轉(zhuǎn)子弓狀回旋半徑,(基本規(guī)律是:間隙有多大,擺度幅值就有多大)；降低轉(zhuǎn)動部件的臨界轉(zhuǎn)速。

導(dǎo)軸承間隙增大,臨界轉(zhuǎn)速將降低如漁子溪由1100r/min到576r/min；葛州壩由276r/min到162r/min。軸瓦間隙增大,大多是在機(jī)組運(yùn)行一段時間后出現(xiàn)的,主要原因:一是徑向不平衡力較大,二是軸瓦支持部件的設(shè)計不夠合理。可通過調(diào)整轉(zhuǎn)動部件的靜平衡,或改善軸瓦支持部件的設(shè)計即可消除。

圖1 定子鐵心振型示意圖

2.3 鏡板不平

鏡板不平主要是由于加工和安裝上的缺陷所造成的,其特征為擺度波形上有明顯的2倍頻。通過測量,如果發(fā)現(xiàn)鏡板平整度未達(dá)到要求,應(yīng)重新加工,以消除該影響。

2.4 推力頭松動

推力頭松動指推力頭內(nèi)孔和軸頸間存在間隙。當(dāng)推力頭松動時,機(jī)組振動、擺度的特點為:機(jī)組運(yùn)行時的動態(tài)軸線姿態(tài)會發(fā)生突然變化,機(jī)組的振動、擺度忽大忽小,呈不穩(wěn)定狀態(tài)。而且,推力頭松動也會給機(jī)組盤車帶來困難。

3 水輪發(fā)電機(jī)的極頻電磁振動及分析

按照振動頻率,水輪發(fā)電機(jī)的電磁振動可分為:磁轉(zhuǎn)頻振動和極頻振動兩類。理論上,極頻磁振動的頻率是100HZ及其整倍數(shù),實際上主要為100HZ。極頻磁振動只在共振時才比較明顯。因此,實際工作中要特別注意共振的情況。

3.1 極頻振動產(chǎn)生的主要原因

(1)定子分?jǐn)?shù)槽次諧波磁勢。它引起的振動頻率為100HZ,振幅隨負(fù)載電流的增大而增大；(2)定子并聯(lián)支路內(nèi)環(huán)流產(chǎn)生的磁勢。定子各相沿圓周分布有很多線圈,它們并聯(lián)在一起構(gòu)成支路,把支路再組合起來構(gòu)成繞組。并聯(lián)支路有兩種布置方式,一種是分布布置,另一種是集中布置。水輪發(fā)電機(jī)通常采用后一種方式。當(dāng)支路集中時,轉(zhuǎn)子的偏心將在支內(nèi)引起環(huán)流,它能產(chǎn)生一系列的不對稱的次諧波勢,與分?jǐn)?shù)槽次諧波類似,它也能引起定子的極頻振動,振動頻率為100HZ。(3)負(fù)序電流引起的反轉(zhuǎn)磁勢。當(dāng)定子三相負(fù)載不對稱時,繞組會產(chǎn)生負(fù)序電流,即相序相反的磁場,它與主磁場疊加產(chǎn)生一個空間次數(shù)P=0的磁場,引起定子鐵芯作駐波式的振動。(4)機(jī)座合縫不好、定子鐵心疊片松動。

3.2 振動原因的判斷

不同原因引起的振動的特點,主要表現(xiàn)為其振型不同。

測出定子鐵芯對應(yīng)某一振型的固有頻率來判斷共振,一般試驗項目有:

(1)變負(fù)荷試驗:在同步轉(zhuǎn)速下,逐次改變發(fā)電機(jī)的負(fù)荷,測量100HZ振動隨定子電流變化情況,由此確定是否由定子電流次諧波引起。(2)小負(fù)荷變速試驗:通過變速試驗確定鐵芯固有頻率,通過對共振時振型的測量確定產(chǎn)生共振的力波的次數(shù)和諧波的次數(shù)。(3)空載:分別在并聯(lián)支路打開和閉合的情況下進(jìn)行衡勵變速試驗。如果兩種情況下振動沒有差別,表明環(huán)流影響較大。在后一種情況下,還可以確定鐵芯的共振頻率和相應(yīng)的振型。(4)負(fù)序電流變速試驗。分別改變負(fù)序電流和轉(zhuǎn)速,測出定子鐵芯100HZ振動隨負(fù)序電流的變化和定子鐵芯振型(如圖1所示)。

4 水輪發(fā)電機(jī)組的水力振動及分析

水力振動相對于水力工況而言是比較穩(wěn)定的,由水力所激發(fā)的壓力脈動的完全相似是十分困難的,而且完全的水力計算目前還無法進(jìn)行,只能進(jìn)行一些局部的計算。但是,壓力脈動的影響是可以預(yù)防的。水輪發(fā)電機(jī)組的水力振動主要有以下幾個方面:

4.1 尾水管渦帶

渦帶有實心渦帶和空腔渦帶兩種形態(tài),螺旋狀渦帶將引起壓力脈動,注意渦帶壓力脈動與工況的關(guān)系(水頭、流量、空化系數(shù)),尾水管渦帶壓力脈動的特點:頻率約為轉(zhuǎn)速頻率的1/4；出現(xiàn)在以50額定負(fù)荷為中心的30～70范圍。

渦帶壓力脈動對機(jī)組運(yùn)行的影響主要在于振動、擺度、功率擺動及其它附加影響。一般采用尾水管補(bǔ)氣來減少尾水管的渦帶壓力脈動,補(bǔ)氣效果的關(guān)鍵在于自然補(bǔ)氣的補(bǔ)氣量。

4.2 類轉(zhuǎn)頻壓力脈動

所謂類轉(zhuǎn)頻,是指其頻率接近轉(zhuǎn)速而又不等于轉(zhuǎn)速。其頻率范圍為(1．01～1．3)fn；(0．7～0．99)fn。它對機(jī)組振動的影響主要是機(jī)組的垂直振動和全水力系統(tǒng)的強(qiáng)烈壓力脈動。一般出現(xiàn)在額定功率25%～75%左右(隨水頭大小而變化),振動范圍很小。

值得注意的是,類轉(zhuǎn)速壓力脈動只有在水體共振的情況小才顯示其影響,所以,其預(yù)防的關(guān)鍵在于進(jìn)行共振校核。

4.3 迷宮止漏裝置中的壓力脈動

當(dāng)迷宮中間隙發(fā)生周期性變化時,就會在其間隙中產(chǎn)生壓力脈動。迷宮壓力脈動一般為轉(zhuǎn)頻,并作為總水力不平衡的一部分。

迷宮中壓力脈動達(dá)到一定程度并且和大軸的擺度方向成一定角度時,就可能引起轉(zhuǎn)動部分的自激振動。迷宮引起的自激振動的情況主要與迷宮的結(jié)構(gòu)和尺寸密切相關(guān)。

4.4 卡門渦

卡門渦是水流繞流物體在尾部兩側(cè)交替產(chǎn)生的周期性流動分離現(xiàn)象。水輪機(jī)中的卡門渦受工況和結(jié)構(gòu)的影響特別強(qiáng)烈。它主要影響在于引起固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪葉片和局部水體的共振。

在進(jìn)行轉(zhuǎn)輪葉片共振判斷分析時,主要觀察其是否有強(qiáng)的、頻率比較單一的噪音或金屬共鳴聲。

5 水輪發(fā)電機(jī)組的振動故障診斷

水輪發(fā)電機(jī)組振動故障診斷是對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,根據(jù)征兆進(jìn)行推理,確定故障的原因、性質(zhì)和部位以及對策的過程。除了需要熟悉旋轉(zhuǎn)機(jī)械原理、結(jié)構(gòu)和運(yùn)行以及故障機(jī)理和特征等方面的知識外,還涉及到傳感器、力學(xué)、數(shù)學(xué)、信號處理和人工智能等,因而需從系統(tǒng)論和故障診斷工程的角度進(jìn)行綜合考慮。從故障診斷的全過程來分析旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障的特征,滿足其要求,是旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷研制的出發(fā)點和目標(biāo)。

對于旋轉(zhuǎn)機(jī)械進(jìn)行故障診斷的過程,就猶如醫(yī)生對病人的診斷過程,醫(yī)生通過切脈、量體溫、量血壓、做X光透視、做超聲波等檢查,最后經(jīng)過綜合分析,才能確定是什么病。對旋轉(zhuǎn)機(jī)械的故障診斷也是如此,通過轉(zhuǎn)速試驗、調(diào)相試驗、負(fù)荷試驗、勵磁試驗對機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)狀況進(jìn)行監(jiān)測,記錄數(shù)據(jù),通過數(shù)據(jù)分析、判斷,故障是什么,可能的原因是什么,以及估計機(jī)器的運(yùn)行趨勢和提出治理建議。

在旋轉(zhuǎn)機(jī)械的實際運(yùn)行中,經(jīng)常是一個振因產(chǎn)生幾個不同頻率的振動成分,或一個振動頻率對應(yīng)多個振因。猶如同一個病因在不同人身上有不同的癥狀；或同一癥狀在不同人身上有不同的病因。所以,在判斷故障時,不是一件簡單的事情,必須進(jìn)行綜合分析才能得出比較準(zhǔn)確的判斷。

故障診斷不僅要求有較為完整的監(jiān)測和采集系統(tǒng),而且要求對轉(zhuǎn)子——支承系統(tǒng)的各類振動問題的一般規(guī)律及其表現(xiàn)出的現(xiàn)象有深入的了解。只有兩者的結(jié)合,才能判斷出故障的原因及其在機(jī)器上的可能部位。

故障診斷涉及到多方面的因素,要求專業(yè)人員對監(jiān)測系統(tǒng)和被測對象有深入了解。

6 結(jié)語

雖然水輪發(fā)電機(jī)組的振動是不可避免的,只要我們正確分析振動現(xiàn)象,找到引起振動的原因,采取相應(yīng)的措施,就能將振動控制在允許范圍之內(nèi),從而保證機(jī)組的安全運(yùn)行。