水輪機(jī)發(fā)電組振動(dòng)異常分析

余冬

(云南電力技術(shù)有限責(zé)任公司，昆明 650217)

0 前言

水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)主要由機(jī)械因素、水力因素及電磁因素引起。根據(jù)近年來國內(nèi)多個(gè)大中型水輪發(fā)電機(jī)組統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，在空載工況下機(jī)組振動(dòng)擺度偏大常見原因有轉(zhuǎn)動(dòng)部件質(zhì)量不平衡、機(jī)組軸線偏曲、軸承導(dǎo)瓦間隙偏差、轉(zhuǎn)子磁極線圈匝間短路、支撐剛度不足等;而在帶負(fù)荷工況下機(jī)組振動(dòng)擺度偏大常見原因有尾水渦帶工況、水機(jī)迷宮環(huán)壓力脈動(dòng)異常、機(jī)組水力結(jié)構(gòu)性共振等。

以下對(duì)某水電站投產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)的機(jī)組振動(dòng)偏大表象、特征及誘發(fā)原因進(jìn)行分析。

1 故障概述

某水電站裝設(shè)三臺(tái)單機(jī)容量80 MW 的混流式立式水輪發(fā)電機(jī)組在啟動(dòng)調(diào)試過程中出現(xiàn)振動(dòng)異常超標(biāo)現(xiàn)象。

經(jīng)過儀器監(jiān)測(cè)，機(jī)組在開機(jī)過程中轉(zhuǎn)速較低時(shí)各部位振動(dòng)擺度數(shù)據(jù)正常，機(jī)組低轉(zhuǎn)速下各導(dǎo)軸承擺度值接近機(jī)組盤車數(shù)據(jù)，且無明顯振動(dòng)，但當(dāng)機(jī)組轉(zhuǎn)速在到達(dá)69%額定轉(zhuǎn)速后，機(jī)組各部位振動(dòng)擺度出現(xiàn)了約2 倍轉(zhuǎn)頻的振動(dòng)，且隨轉(zhuǎn)速進(jìn)一步上升振擺幅值持續(xù)上升，在機(jī)組到達(dá)額定轉(zhuǎn)速后機(jī)組振動(dòng)幅值超標(biāo)嚴(yán)重，主要振動(dòng)頻率約為2.2 倍轉(zhuǎn)頻。通過檢查分析，基本排除機(jī)組動(dòng)靜摩擦、軸系偏曲、軸承瓦間隙調(diào)整不合理、機(jī)組緊固件松動(dòng)等純機(jī)械因素造成機(jī)組振動(dòng)的可能性?？紤]到水力因素的可能影響，增加了對(duì)機(jī)組導(dǎo)葉后水壓、轉(zhuǎn)輪上冠水壓、尾水進(jìn)口壓力、蝸殼壓力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，在80% Nr 下，水壓脈動(dòng)無明顯異常，未出現(xiàn)周期性的水壓變化。

因轉(zhuǎn)輪上、中、下止漏環(huán)未設(shè)計(jì)測(cè)量管路，暫無法判斷轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)部位水力因素對(duì)機(jī)組故障有無明顯影響。

2 動(dòng)平衡試驗(yàn)及配重處理

雖然2 倍頻振動(dòng)與機(jī)組動(dòng)不平衡所表現(xiàn)的特征并不相符，但考慮到在低轉(zhuǎn)速時(shí)機(jī)組存在一倍轉(zhuǎn)頻的振動(dòng)，在不明確引起機(jī)組異常振動(dòng)原因的情況下，為驗(yàn)證機(jī)組質(zhì)量不平衡對(duì)機(jī)組振擺偏大造成的影響程度，對(duì)機(jī)組進(jìn)行配重。經(jīng)過動(dòng)平衡試驗(yàn)計(jì)算，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子下端面半徑為1.82 m 相位為290 度處配重20 kg，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上端面半徑為1.82 m 相位為300 度處配重40 kg，總共配重60 kg。配重后，機(jī)組轉(zhuǎn)速至85% Nr，機(jī)組下導(dǎo)及水導(dǎo)擺度、機(jī)組上機(jī)架水平振動(dòng)上升明顯，其中上機(jī)架水平振動(dòng)及下導(dǎo)擺度已嚴(yán)重超標(biāo)。但此時(shí)機(jī)組各部位振擺的一倍頻成分已非常微小?？梢婋S轉(zhuǎn)速上升，機(jī)組配重量對(duì)一倍轉(zhuǎn)頻引起的振擺起到抑制，但對(duì)二倍頻引起的振擺無明顯效果，機(jī)組振擺依然較大。經(jīng)與電站協(xié)商，決定再次在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上端面半徑為1.82 m 相位為300度處配重20 kg。但再次配重后，在相同工況下，各部位振動(dòng)擺動(dòng)無本質(zhì)變化，機(jī)組仍然存在約二倍頻的超標(biāo)振動(dòng)。

以上結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證，機(jī)組異常振動(dòng)與機(jī)組質(zhì)量不平衡無直接關(guān)聯(lián)，不能采用配重的方法處理此缺陷。

3 空轉(zhuǎn)工況下快關(guān)導(dǎo)葉試驗(yàn)

在檢測(cè)手段有限的情況下，為進(jìn)一步分析機(jī)組轉(zhuǎn)速、水力因素與機(jī)組振動(dòng)的關(guān)系，進(jìn)行了一項(xiàng)空轉(zhuǎn)工況下(80%額定轉(zhuǎn)速)快速關(guān)閉機(jī)組導(dǎo)葉試驗(yàn)。試驗(yàn)方法為:將機(jī)組開至80% Nr 空轉(zhuǎn)工況，待機(jī)組轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后，按緊急停機(jī)按鈕，機(jī)組導(dǎo)葉迅速關(guān)閉，過機(jī)水流切斷，由于機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)慣量較大，此瞬時(shí)機(jī)組轉(zhuǎn)速保持在80% Nr 附近，觀測(cè)對(duì)比導(dǎo)葉關(guān)閉前后機(jī)組振動(dòng)擺度變化情況。從以上數(shù)據(jù)看出，機(jī)組在80% Nr 時(shí)，導(dǎo)葉關(guān)閉前后狀態(tài)發(fā)生明顯變化，機(jī)組異常振動(dòng)擺度在導(dǎo)葉關(guān)閉后迅速消失，機(jī)組振擺主要頻率由約2 倍頻突變?yōu)? 倍頻率，幅值明顯減小。

綜上，可初步判斷:

1)機(jī)組異常振動(dòng)擺度與機(jī)組轉(zhuǎn)速無直接因果關(guān)系;

2)機(jī)組異常振動(dòng)與水輪機(jī)水力因素關(guān)聯(lián)可能性較大，需進(jìn)一步驗(yàn)證。

4 水導(dǎo)瓦加工處理

在明確水力因素對(duì)機(jī)組的影響后，縮小了分析范圍，電站組織安裝方對(duì)水輪機(jī)各部件進(jìn)行全面清查，發(fā)現(xiàn)在安裝過程中發(fā)現(xiàn)機(jī)組水導(dǎo)瓦瓦面弧度與水導(dǎo)軸領(lǐng)弧度配合存在偏差，不滿足設(shè)計(jì)要求。隨即對(duì)水導(dǎo)瓦瓦面弧度進(jìn)行重新加工處理，經(jīng)處理后，重新開機(jī)試驗(yàn)，更換水導(dǎo)瓦后，機(jī)組振動(dòng)擺動(dòng)明顯減小，雖然在額定轉(zhuǎn)速下機(jī)組任然出現(xiàn)不規(guī)律的2.2 倍轉(zhuǎn)頻，但幅值已能滿足規(guī)范要求，可見機(jī)組水導(dǎo)瓦加工精度偏差與機(jī)組振動(dòng)擺度異常有一定聯(lián)系。

5 機(jī)組帶負(fù)荷運(yùn)行情況

機(jī)組在帶負(fù)荷運(yùn)行后，在水頭為140 m 附近時(shí)(額定水頭150 m)能夠在55 MW 以上高負(fù)荷區(qū)間正常運(yùn)行，但存在水力不穩(wěn)定區(qū)間較寬(約10 MW 至55 MW 范圍附近)的問題，在此不穩(wěn)定區(qū)間內(nèi)機(jī)組振動(dòng)擺動(dòng)偏大且主要頻率為約2 倍轉(zhuǎn)頻。根據(jù)混流式水輪機(jī)的特點(diǎn)，在機(jī)組運(yùn)行水頭上升至額定水頭及以上時(shí)，水力不穩(wěn)定區(qū)間會(huì)向高負(fù)荷區(qū)間偏移，且水力不穩(wěn)定幅度也會(huì)隨水頭增加而增加;屆時(shí)機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行空間會(huì)更加狹小，經(jīng)過估算只能在65 MW 至80 MW 附近運(yùn)行。

綜上，經(jīng)過處理水導(dǎo)瓦后，機(jī)組能夠在高負(fù)荷區(qū)間運(yùn)行，但正常帶負(fù)荷能力受到限制，偏離了設(shè)計(jì)及運(yùn)行的要求，機(jī)組存在的故障未能得到根本性的解決。

水導(dǎo)瓦加工誤差是導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)偏大的誘發(fā)因素，并非根本原因。

圖1 機(jī)組振動(dòng)隨負(fù)荷變化趨勢(shì)圖

6 轉(zhuǎn)輪下環(huán)排水管總閥關(guān)閉試驗(yàn)

電站機(jī)組型式為高水頭混流式水輪機(jī)，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)有可能在轉(zhuǎn)輪中止漏環(huán)與下止漏環(huán)之間空腔形成局部壓力偏高，且隨轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)引起水壓脈動(dòng)。在設(shè)計(jì)時(shí)為防止這種現(xiàn)象發(fā)生，特意在轉(zhuǎn)輪下環(huán)處增加下環(huán)排水管，如圖2、圖3 所示。

圖2 電站水輪機(jī)密封裝置示意圖

圖3 某電站水輪機(jī)下環(huán)排水管布置圖

圖3 中下DN250 下環(huán)排水總管經(jīng)過一道閘閥后與水輪機(jī)尾水管擴(kuò)散段連通，6 根DN50 的下環(huán)排水支管與中、下止漏環(huán)之間的空腔連通。因轉(zhuǎn)輪中、下止漏環(huán)至下環(huán)排水總管出口處無測(cè)量管路，且管路為隱蔽埋管，無法通過試驗(yàn)的方法來測(cè)量下環(huán)空腔及其排水管路水壓脈動(dòng)情況;在通常情況下，下環(huán)排水總管上的閘閥處于開啟狀態(tài)，如果將此總閥關(guān)閉，下環(huán)空腔將無法泄壓，可能造成轉(zhuǎn)輪水力不平衡。

綜上，機(jī)組下環(huán)排水管路存在設(shè)計(jì)上缺陷是導(dǎo)致機(jī)組異常振動(dòng)的直接原因，將下環(huán)排水管路總閥關(guān)閉后，電站兩臺(tái)機(jī)組振動(dòng)擺度異常故障得到有效處理，實(shí)踐證明，在下環(huán)排水管路總閥關(guān)閉后，機(jī)組能夠在各工況下穩(wěn)定運(yùn)行。

7 故障原因分析

1)機(jī)組尾水與轉(zhuǎn)輪下環(huán)與底環(huán)之間的密封空腔通過下環(huán)排水管聯(lián)通，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)，密封空腔內(nèi)水壓隨轉(zhuǎn)輪周期性脈動(dòng)與尾水管內(nèi)的水壓脈動(dòng)耦合成某種水力震蕩，這種水力震蕩造成機(jī)組下環(huán)的水力不平衡，進(jìn)而造成機(jī)組約2 倍轉(zhuǎn)頻的較強(qiáng)振動(dòng);以上為機(jī)組異常振動(dòng)的直接原因。

2)下環(huán)排水支及總管的非對(duì)稱布置(如圖2)，造成相距總管較近的支管水壓脈動(dòng)較強(qiáng)，反之較弱。從而造成水力震蕩相對(duì)轉(zhuǎn)輪的非對(duì)稱布置;進(jìn)一步加劇了轉(zhuǎn)輪的徑向水力不平衡。

3)水導(dǎo)瓦加工誤差導(dǎo)致機(jī)組水導(dǎo)軸承無法形成穩(wěn)定的剛性油膜，軸承性能受到影響，導(dǎo)致水導(dǎo)絕對(duì)擺度偏大，加劇了轉(zhuǎn)輪下環(huán)水力不平衡。因此，水導(dǎo)瓦加工誤差是機(jī)組振動(dòng)異常的輔助誘因。

4)由于安裝方面的偏差，3 號(hào)機(jī)組下環(huán)排水總管出水口靠近尾水管擴(kuò)散段出口位置，尾水脈動(dòng)較小，而2 號(hào)機(jī)組下環(huán)排水總管出水口靠近尾水管擴(kuò)散段進(jìn)口位置，尾水脈動(dòng)較大;因此2 號(hào)機(jī)組比3 號(hào)機(jī)組水力不平衡程度更嚴(yán)重;最終導(dǎo)致在同樣處理水導(dǎo)瓦加工誤差后，兩臺(tái)機(jī)組呈現(xiàn)出不同的處理效果。

8 結(jié)束語

在電站機(jī)組現(xiàn)有設(shè)計(jì)背景下，無法對(duì)機(jī)組各部件的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行直接而全面的的監(jiān)測(cè)，僅通過振動(dòng)異?，F(xiàn)象反推故障原因具有一定難度，不同的原因可能導(dǎo)致相同的故障表象。在處理某電站兩臺(tái)機(jī)組振動(dòng)異常過程時(shí)，首先通過逐項(xiàng)排除的原理，將可能引起機(jī)組振動(dòng)的原因縮小到某個(gè)范圍內(nèi)，確定下一步排查的方向，再通過特定試驗(yàn)和模糊診斷的原理將故障原因進(jìn)一步縮小至某個(gè)部件或部位，最后通過試驗(yàn)結(jié)果來驗(yàn)證之前的推斷是否正確。

［1］鄭源，等.水輪機(jī)［M］.北京:中國水利水電出版社，2011.

［2］張禮達(dá)，等.水輪機(jī)振動(dòng)的故障的模糊診斷研究［J］.四川水力發(fā)電，2009.

［3］GB/T 17189－1997.水力機(jī)械振動(dòng)和脈動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程［S］.