錦屏二級水電站8#機過速后不穩(wěn)定原因分析及處理措施

邱小耕，孫 彬，王冬梅

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 611130)

1 概述

錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧三縣交界處的雅礱江干流錦屏大河灣上，采用低閘引水式開發(fā)，地下廠房內(nèi)共布置8臺單機容量為600MW的水輪發(fā)電機組。發(fā)電機為空冷立軸半傘式，型號為SF600/36-1180，轉(zhuǎn)子重963t，發(fā)電機總重約2280t。機組額定水頭288m，額定轉(zhuǎn)速 166．7r/min，最高水頭為318．8m，額定流量 228．6m3/s，飛逸轉(zhuǎn)速為 300 r/min，額定容量為667MVA。該機組是目前世界上該容量機組段水頭最高、轉(zhuǎn)速最大的水輪發(fā)電機組，其設(shè)計、制造、安裝、監(jiān)理等工作都具有較大難度及挑戰(zhàn)性。2012年12月30日，電站首臺機組順利發(fā)電，2014年11月26日最后一臺機組順利發(fā)電。

2 轉(zhuǎn)子動不平衡問題

8#機組于2014年11月8日首次開機，完成了機組瓦溫考核和動平衡試驗，在4次配重后，機組的各項運行參數(shù)滿足四川省雅礱江錦屏二級水電站水輪發(fā)電機安裝質(zhì)量標準和國家相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求，最終的配重部位和配重值見表1，轉(zhuǎn)子示意圖見圖1，動平衡試驗后機組各運行參數(shù)見表2，過速150%時機組各參數(shù)見表3。過速試驗停機后對機組進行了全面檢查，主要包括發(fā)電機轉(zhuǎn)動部分，如轉(zhuǎn)子支架焊縫及其他焊縫、磁軛鍵、磁極鍵、阻尼環(huán)及磁極引線、磁軛壓緊螺桿等，檢查結(jié)果均無異常并調(diào)整了過速保護裝置。檢查完成后重新開機，達到額定轉(zhuǎn)速后各項參數(shù)無法恢復(fù)到過速試驗前的數(shù)值且數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，經(jīng)常變動，忽大忽小(表4)。從表4中可以看出機組上、下導(dǎo)軸承振動比過速前明顯偏大。由于通過配重完成機組動平衡試驗后，各項參數(shù)在過速前是符合相應(yīng)要求的，因此，需要重新查找機組產(chǎn)生振動、擺度偏大且不穩(wěn)定的原因。

表1 配重部位和配重值表 /kg

圖1 轉(zhuǎn)子示意圖

表2 動平衡試驗后機組各運行參數(shù)表 /μm

表3 過速150%時機組各參數(shù)表 /μm

表4 機組振動、擺度參數(shù)表/μm

3 機組振動大的原因分析

對于立式機組，引起水輪發(fā)電機振動過大的因素比較復(fù)雜，主要包括機械不平衡、電磁不平衡、水力不平衡。

由于是空載啟動試驗，機組勵磁系統(tǒng)未工作，故可排除電磁不平衡因素。前期已完成動平衡試驗，機械不平衡的可能性亦降低。水力不平衡常常由空腔脫流或渦列引起機組的振動，其振幅在某些低負荷區(qū)域很大，其頻率范圍很廣，水力不平衡與引水系統(tǒng)容易發(fā)生水力共振，其共振頻率和引水系統(tǒng)管路特性有關(guān)，振動方向表現(xiàn)為軸向，即頂蓋和承重機架垂直振動很大，但機架和頂蓋振動與前期基本無變化且運行也是在額定狀態(tài)下，因此，排除了此因素。

過速后機架及上、下導(dǎo)軸承擺度偏大且不穩(wěn)定，這在前期7臺機組中都未發(fā)生過。為查清為何過速后機組擺度偏大且不穩(wěn)定的原因，再次對機組內(nèi)部進行了更全面的檢查，最終發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子上端面上的勵磁引線阻尼環(huán)因外力產(chǎn)生了擠壓?，F(xiàn)場的勵磁引線用螺栓與環(huán)氧支撐塊固定在轉(zhuǎn)子上端面以及轉(zhuǎn)子擋風(fēng)板上，機組過速試驗時，轉(zhuǎn)子環(huán)形擋風(fēng)板因焊接產(chǎn)生了應(yīng)力釋放，導(dǎo)致固定在擋風(fēng)板上的勵磁引線松動，造成機組轉(zhuǎn)子的動不平衡，引起上機架的振動并作用于導(dǎo)軸承使導(dǎo)軸承擺度不穩(wěn)。

轉(zhuǎn)子擋風(fēng)板為現(xiàn)場拼裝配割后焊接在轉(zhuǎn)子副立筋支臂上，廠家設(shè)計時并沒有要求焊接，因現(xiàn)場后期考慮并經(jīng)廠家技術(shù)指導(dǎo)同意，采用段焊的方式與支臂連接，在后期過速試驗后，常因應(yīng)力釋放而破裂，隨后進行補焊。磁極引線為現(xiàn)場拼接，采用螺栓與環(huán)氧支撐塊固定，并用力矩扳手和螺紋鎖固膠鎖定以防軸線竄動。前期機組在試驗中未出現(xiàn)引線竄動情況，此次故障可能是磁極引線因徑向滑動、加之擋風(fēng)板應(yīng)力釋放、相互疊加加劇了振動影響。

通過對轉(zhuǎn)子擋風(fēng)板重新焊接和對勵磁引線的重新固定后，再次開機試驗，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子上機架振動和各導(dǎo)軸承擺度不再變化，但此時數(shù)據(jù)已失真，于是決定拆除之前的配重塊，重新進行動平衡試驗。

4 轉(zhuǎn)子動不平衡的解決方法

動平衡試驗，就是人為改變轉(zhuǎn)子的不平衡性，測量機組振動的變化，從而計算出轉(zhuǎn)子存在的質(zhì)量不平衡，用平衡配重的辦法使轉(zhuǎn)子重心趨于旋轉(zhuǎn)重心，減小轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的不平衡離心力和離心力偶，從而減小質(zhì)量不平衡引起的振動。

4．1 三次試重法

傳統(tǒng)的處理方法是三次試重法。首先，在不加任何試驗荷重的情況下測量機組在空載額定轉(zhuǎn)速時的軸承橫向振動值;其次，將試驗荷重加在轉(zhuǎn)子圓周半徑為 R，方位角為 0°、120°、240°三處，起動機組以額定轉(zhuǎn)速分別測量軸承橫向振動μ1、μ2、μ3;第三步，通過以上四次振動幅值可以計算出使轉(zhuǎn)子達到平衡所需平衡配重的大小和方位;第四步，按計算值將平衡配重加在轉(zhuǎn)子上并再次起動機組，測定振動幅值，檢驗平衡效果，直至使振動幅值小于規(guī)程允許值為止。這種方法解決動平衡問題比較有效，但現(xiàn)場試驗操作起來卻比較繁瑣，費時費工且不易掌握。

4．2 振擺量測成相法

經(jīng)研究決定采用專業(yè)測相儀器，再配合傳統(tǒng)配重法來完成動平衡試驗工作更具效率。這種儀器可一次同時測出振幅和幅值所在方位，根據(jù)振動幅值的大小和方位，逐次加配重，直到問題解決為止。這種方法省時省事且具有傳統(tǒng)方法的優(yōu)點，因此，試驗時多采用這種方法。錦屏二級水電站1#～8#機組的動平衡也是按此方法進行調(diào)整的。

5 轉(zhuǎn)子動不平衡的處理

5．1 失重角的確定

錦屏二級水電站現(xiàn)場測試采用的是由北京華科同安生產(chǎn)的TN8000STA振擺監(jiān)測程序來完成失重角的確定。首先，廠家在兩根轉(zhuǎn)子磁極引線中間正對的1#磁極正下方做好鎖相測量標記并固定鎖相測量傳感器。同時，在同一方位的下導(dǎo)軸承和上機架上固定有振動測量傳感器，使振動測量傳感器測頭與鎖相測量傳感器方位一致，以保證測試精度。將振動測量傳感器測量信號經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后，與鎖相傳感器信號同時輸入測量儀器。在額定轉(zhuǎn)速下，測得上機架最大振動值為89μm，最大振動方位為鎖相標記(轉(zhuǎn)子引線方向)順時針213°。根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，可以確定配重方位為鎖相標記逆時針147°，即轉(zhuǎn)子12#～13#支臂之間。

5．2 試重塊的選取

為使機組振動在加試重后有一定的反應(yīng)，又不致使振動增加過大而危及機組安全，按照DL/T507-2002水輪發(fā)電機組起動試驗規(guī)程的要求，將試加配重塊質(zhì)量選取為195kg。根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，盡可能考慮配重塊的均布，將配重塊等分加在12#～13#之間的配重槽內(nèi)上、中、下三部分，各65 kg。重啟機組，測量機組的振動、擺度，振幅明顯降低，失重角基本無變化，說明此次配重正確。由于擺度依然偏大，通過再次配重減小擺度，直至符合要求。機組最終的配重結(jié)果見表5，最終配重后的運行參數(shù)參見表6。

表5 機組最終配重結(jié)果表/kg

表6 機組最終運行參數(shù)表/μm

6 結(jié)語

水電站水輪發(fā)電機組安裝過程中出現(xiàn)上機架振動和導(dǎo)軸承擺度偏大是常見的現(xiàn)象，對工程實踐中快速解決轉(zhuǎn)子動不平衡問題的方法進行總結(jié)是非常必要的。從錦屏二級水電站8#機組空載運行情況看，機組振動和擺度數(shù)據(jù)比較平穩(wěn)，上機架振動和導(dǎo)軸承擺度偏大的現(xiàn)象得到消除，后期帶負荷運行效果亦較好。此次采用振擺量測成相法，工序優(yōu)，時間省，操作簡單且效率高，很好地完成了錦屏二級水電站8#機組的配重工作，配重后機組合格，主要技術(shù)參數(shù)均能滿足要求。