清遠抽水蓄能電站影響機組振動主要部件的分析

陳泓宇，楊偉坡，黃運福

清遠抽水蓄能電站影響機組振動主要部件的分析

陳泓宇，楊偉坡，黃運福

（調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司清遠蓄能發(fā)電有限公司，廣東 清遠 511583）

介紹了清遠蓄能電站1號機組調(diào)試過程振擺情況，對影響振擺情況的主要設(shè)備從設(shè)計、制造、安裝過程進行了分析與控制，為后續(xù)電站提供一個有價值的參考。

清遠；電站；振擺；分析

0　緒言

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)規(guī)范，要求水電企業(yè)應(yīng)加強規(guī)劃或加強在建水電機組前期管理，嚴(yán)格按照國家與行業(yè)規(guī)范的振動區(qū)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計和制造。機組在運行中出現(xiàn)微小的振動是允許的，但振動過大會造成機械連接件的松動或造成某些部件有害的彈性變形和塑性變形，使一些零、部件材料發(fā)生疲勞、裂紋以致斷裂，縮短了機組設(shè)備的使用壽命。因此，振動是衡量機組設(shè)計、制造、安裝質(zhì)量的一個綜合性技術(shù)指標(biāo)，也是機組運行不穩(wěn)定性的基本表現(xiàn)形式，所以在制造、安裝階段將機組振動控制在盡可能小的范圍意義重大。

蓄能機組水頭高、轉(zhuǎn)速高、起停頻繁，轉(zhuǎn)輪設(shè)計要兼顧水輪機和水泵兩種運行特性，因此在振動控制方面要求較為嚴(yán)格?？刂茩C組振動，要從機械、水力和電磁方面入手，確定機組特征頻率，尋找造成機組振動偏大的原因。清遠抽水蓄能項目土建設(shè)計，廠房樓板釆用1m厚板、1機1縫分縫結(jié)構(gòu)，并針對水力激振頻率對廠房建筑物影響課題進行了專題計算研究，為減小廠房振動提供了有利條件。本文僅從機械、水力和電磁方面入手，介紹對振動影響較大的機組主要部件在制造安裝過程中的質(zhì)量管控。

1　水力因素方面控制

流道中的每個部件都將通過計算流體力學(xué)（CFD解析）進行優(yōu)化。

1.1轉(zhuǎn)輪的特性

水輪發(fā)電機振動影響最重要的不好控制的因素或者變素是轉(zhuǎn)輪特性。清遠蓄能電站采用長短葉片轉(zhuǎn)輪，其具有多個葉片可以降低葉片負(fù)荷、抑制部分負(fù)荷運行時的轉(zhuǎn)輪內(nèi)部發(fā)生的流體的偏向，以及二次流的發(fā)生,在壓力脈動、振動等方面優(yōu)于常規(guī)葉片轉(zhuǎn)輪，同時廠家針對長葉片和短葉片翼型分別進行CFD優(yōu)化設(shè)計。通過對長葉片和短葉片的進出口角，短葉片到相鄰長葉片背面開口的大小等參數(shù)進行優(yōu)化，使機組在部分負(fù)荷條件下尾水管壓力脈動大大降低，可以使轉(zhuǎn)輪直徑減小，從而提高轉(zhuǎn)輪效率，改善水輪機工況下的“S”區(qū)不穩(wěn)定性問題。

1.2蝸殼

清遠蝸殼結(jié)構(gòu)形式為螺線形，其目的是為了使流道進口到流道末端的平均流速保持圓周恒定，固定導(dǎo)葉進口的流動角度盡可能的保持一致，引導(dǎo)著水流平緩地進入固定導(dǎo)葉。

1.3固定導(dǎo)葉與活動導(dǎo)葉

考慮到轉(zhuǎn)輪葉片總數(shù)量10的組合中可能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)輪振動模式的情況，活動導(dǎo)葉的數(shù)量定為16個，固定導(dǎo)葉的個數(shù)也定為16。固定導(dǎo)葉和活動導(dǎo)葉之間的圓周相對位置的確定是為了使在水力最大開度時的水力損失最小。

1.4尾水管

尾水管形狀優(yōu)化的目的是為了使水輪機水流進口和出口之間水力損失達到最小。清蓄電站尾水肘管足夠長（高11500mm，長17000mm），用以消除偏流現(xiàn)象和水泵工況中轉(zhuǎn)輪進口的紊流現(xiàn)象。

2　轉(zhuǎn)動部件的控制措施

水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)動部分的重心不在機組的旋轉(zhuǎn)中心線上，則靜止時有一個不平衡力矩存在。這種由于轉(zhuǎn)子偏重所產(chǎn)生的離心慣性力對機組的轉(zhuǎn)動部分具有周期性的強迫作用，因而可引起機組的受迫振動。所以在制造安裝階段盡可能采取一切措施減小轉(zhuǎn)動部件的不平衡非常有意義。

2.1大軸

在合同談判和設(shè)計聯(lián)絡(luò)階段，要求廠家對軸系加工采用同床鉆鉸工藝，以達到嚴(yán)格每一個細節(jié)，最終獲得加工偏差遠低于設(shè)計允許公差的較為理想的軸線。盤車過程中清蓄1號機組各導(dǎo)軸承軸領(lǐng)及法蘭盤的擺度0.011～0.015mm/m，遠小于規(guī)范允許值0.02mm/m，運行中設(shè)備振動0.17～0.47mm/s，遠低于規(guī)范允許值1.6mm/s，大軸振擺均在優(yōu)良區(qū)。

2.2轉(zhuǎn)輪

清蓄轉(zhuǎn)輪采用了較為先進的5長5短長短葉片轉(zhuǎn)輪，在能量轉(zhuǎn)換、空化、壓力脈動及剛強度等方面都具有很大的優(yōu)點。在轉(zhuǎn)輪制造過程中嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)輪的鑄造質(zhì)量、加工精度及焊接質(zhì)量，為了最大程度上降低轉(zhuǎn)輪殘余不平衡質(zhì)量誘發(fā)或加劇其水力不平衡的可能性、降低運行振擺、進一步提高機組長期穩(wěn)定運行質(zhì)量，經(jīng)與東芝水電協(xié)商，最終將水輪機轉(zhuǎn)輪靜平衡等級由ISO19406.3級提高到ISO19402.5，把轉(zhuǎn)輪外徑側(cè)允許殘余不平衡質(zhì)量從2.23kg降為0.885kg，大大提高了轉(zhuǎn)輪的運行均衡度。

同時轉(zhuǎn)輪葉片焊縫探傷標(biāo)準(zhǔn)提高。轉(zhuǎn)輪焊接過程中，按照ASME標(biāo)準(zhǔn)對每一個焊縫都進行UT、MT、PT探傷檢查，加工完成后，按照CCH70-3標(biāo)準(zhǔn)再次對所有焊縫進行MT和PT探傷檢查，確保每一道焊縫的質(zhì)量滿足要求。

轉(zhuǎn)輪進行殘余應(yīng)力測定。委托浙江中能工程檢測有限公司在轉(zhuǎn)輪熱處理后進行了X射線殘余應(yīng)力測試，測試使用國際一流的Proto-IXRD型便攜式X射線應(yīng)力分析儀，測試過程嚴(yán)格按照SL547-2011《水工技術(shù)結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力測試方法—X射線衍射法》和GB/T7704-2008《無損檢測X射線應(yīng)力測定方法》，轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力測試結(jié)果為84.5MPa，遠小于要求值國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定±150MPa。

2.3磁軛

發(fā)電機轉(zhuǎn)子九段厚環(huán)板磁軛疊裝時，經(jīng)與廠方代表多次協(xié)商進一步完善其傳統(tǒng)工藝而使用“最小二乘法”測量計算偏心值的規(guī)范工藝，通過施工人員精心施工，磁軛整體偏心值0.07mm遠小于允許偏差0.15mm；轉(zhuǎn)子整體（含磁極）0.04mm的偏心值遠優(yōu)于國標(biāo)。

2.4水輪機轉(zhuǎn)動部件安裝不平衡控制

清蓄電站轉(zhuǎn)輪與主軸的螺栓固定采用壓板形式，即用一個壓環(huán)將螺栓整體固定，而在壓環(huán)與螺栓間需要墊入一定量不銹鋼墊圈，這一步對靜平衡有一定影響。在轉(zhuǎn)輪與主軸組裝時，預(yù)先抽檢聯(lián)軸螺栓的外形尺寸，確保尺寸一致。在安裝螺栓后，要求穿入螺孔的深度一致，使墊入的不銹鋼墊圈數(shù)量也一致；壓環(huán)與主軸下法蘭面之間有幾十處焊縫，在盡量做好螺栓緊固和止動的前提下，在焊接時嚴(yán)格按圖紙要求控制好焊角高度、長度，確保焊縫均勻分布，達到質(zhì)量平衡分布目的。

2.5軸線的調(diào)整控制

清蓄電站機組是半傘式結(jié)構(gòu)，推力軸承采用彈簧簇支撐，具有自適應(yīng)調(diào)整的特點，且安裝鏡板的法蘭面與大軸軸線的垂直度已經(jīng)在制造過程中嚴(yán)格控制。要得到較好的軸線必須要保證鏡板安裝的水平。安裝過程中通過不帶轉(zhuǎn)子、帶轉(zhuǎn)子兩次盤車對軸線進行測量，采用在下機架與基礎(chǔ)間加墊的方式調(diào)整軸線，最終獲得非常好的軸線。盤車數(shù)據(jù)見表1、表2。

表1　1號機組水輪機和下端軸單獨盤車數(shù)據(jù)

表2　1號機組整體盤車數(shù)據(jù)

2.6動平衡

根據(jù)額定轉(zhuǎn)速運行情況，對1號機組進行了兩次配重。首次試加，在轉(zhuǎn)子上部5、6號磁極間的4.96kg和0.575kg螺栓去除，在上部12、13號磁極之間加8.6kg質(zhì)量塊和螺栓，總重量9.36kg。振動和擺度均比動平衡前有明顯減小，擺度各測點一倍頻基本在100μm以內(nèi)，上機架和下機架振動均較小。但上導(dǎo)擺度的判定值為200μm，略為偏大，決定對1號機組進行動平衡調(diào)整，進一步減小上導(dǎo)擺度幅值，將轉(zhuǎn)子上部2、13磁極間9.3拆除，在11、12磁極間安裝13.8kg質(zhì)量塊。質(zhì)量塊安裝完畢后，428.6r/min轉(zhuǎn)速發(fā)電方向空載工況下大軸擺度數(shù)據(jù)和機架振動數(shù)據(jù)來看，一倍頻幅值均已較小，除頂蓋垂直方向，其他振動測點幅值均較?。ㄒ姳?）。

表3　428r/min大軸擺度和機架振動數(shù)據(jù)

至此，1號機組發(fā)電方向空轉(zhuǎn)工況下的動平衡達到較理想水平。

3　磁拉力的控制措施

電磁振動的干擾力主要來自發(fā)電機電氣部分的電磁力，引起電磁振動的主要因素是轉(zhuǎn)子繞組短路和空氣間隙不均勻，它們直接造成磁路不對稱，產(chǎn)生磁拉力不平衡。這方面主要在安裝和制造階段控制定子機座和轉(zhuǎn)子磁極的精度著手。

3.1定子機座

廠家工藝方案只要求對機座組合縫的外縫進行封口焊接，2013年8月5日測量發(fā)現(xiàn)機座焊后部分定位筋座的圓度和垂直度超標(biāo)，其中：29個測點半徑值超標(biāo)，最大偏差值-0.59mm（允許偏差±0.375mm）；32根定位筋座的垂直度超標(biāo)，最大傾斜值0.65mm（基準(zhǔn)筋傾斜允許值不大于0.15mm，其余筋不大于0.25mm）。發(fā)生超標(biāo)的主要原因是廠家的定子機座組裝工藝方案不完善，未充分考慮機座焊接變形對定位筋座圓度和垂直度的不利影響及其應(yīng)對措施。決定采取使用千斤頂和手拉葫蘆頂撐收拉機座、內(nèi)縫焊接反變形調(diào)整機座、預(yù)裝定位筋測量后打磨筋座等處理方案。2013年9月7日完成了相關(guān)處理，定位筋座圓度和垂直度的最終實測數(shù)據(jù)滿足規(guī)范和廠家技術(shù)要求。為防止后續(xù)機組施工發(fā)生類似問題，經(jīng)過廠家設(shè)計部門充分論證，修訂了定子機座組裝工藝方案，在機座組圓后取消組合縫的外縫焊接。最終使得定子機座鴿尾筋座任意位置至中心柱距離相對差只有0.06、0.03、0.01、0.05mm（遠小于設(shè)計值0.1mm）；定子鐵芯上下部最大值與最小值之差0.82mm、0.16mm，也遠小于設(shè)計允許偏差1.5mm。最終鐵芯的圓度得到有效控制。

3.2定子鐵芯疊裝

定子鐵芯沖片材料選用磁導(dǎo)率高、單位損耗低、無取向的優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片，厚度分為0.35mm普通片和0.5mm特殊片。定子鐵芯采用分5段疊裝，相鄰兩層錯開1/2沖片搭接疊裝,疊一段要用整形棒整形保證尺寸。定子鐵芯采用上、下齒壓板壓緊結(jié)構(gòu)，通過設(shè)置于鐵芯背部的拉緊螺桿壓緊，并依靠螺桿上端加裝碟簧,以保證長期運行后，定子鐵芯仍能夠保持給定的壓力，疊壓后鐵芯內(nèi)徑和槽型尺寸應(yīng)滿足設(shè)計精度要求。

3.3轉(zhuǎn)子磁極

轉(zhuǎn)子磁極鐵心疊壓工藝更新改進。清蓄電站磁極鐵芯長度達3320mm，由于扎制鋼板的固有特點，磁極鐵心薄鋼板原材料沿扎制的垂直方向會存在一定的厚度偏差，因而引起磁極沖片在不同的部位的板厚也會存在一定的偏差，為了消除此偏差，磁極沖片排料方式進行了合理編排，以有效減少同板差造成鐵芯靴部和T尾部疊壓時積累產(chǎn)生的縫隙。為了保證鐵芯拉緊螺桿伸長量滿足設(shè)計要求，采用激光測長儀對螺桿伸長量進行控制。

鐵芯在疊裝后增加用直尺檢查以確保整形良好，為了防止在壓機壓緊過程中出現(xiàn)扭曲，改進了壓頭結(jié)構(gòu)，使壓力中心與沖片中心一致。在疊裝完畢后對磁極端板傾斜、旁彎、平直度等均進行了嚴(yán)格的檢查，以保證鐵芯的外形尺寸滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及組裝要求。

3.4轉(zhuǎn)子組裝

轉(zhuǎn)子磁軛為9層磁軛環(huán)疊裝方式，無需螺栓固定，中心體間與磁軛、磁軛與磁極間均采用冷打鍵組合楔形鍵固定，磁軛環(huán)分層疊裝時，逐層控制磁軛環(huán)與中心體的間隙值，從而保證所有鍵的打入深度盡可能保持一致。1號機組磁軛鍵與磁極鍵打入深度偏差控制在±1mm范圍內(nèi)，很大程度上減少了發(fā)電機轉(zhuǎn)子的不平衡因素。

磁極在工廠裝配后稱量，到現(xiàn)場后按指定的方掛裝，以達到重量靜平衡。然而，磁極的引線按設(shè)計圖紙從一側(cè)引出，磁極的引線及固定件將是單側(cè)分布，這些部件是轉(zhuǎn)子主要的不平衡量，所以在動平衡時，配重主要是平衡這一部分重量。

4　機組調(diào)試情況簡介

4.1定中心和瓦間隙調(diào)整

軸線的定中心基準(zhǔn)是以上止漏環(huán)的中心為基準(zhǔn)進行調(diào)整。雖然軸線的擺度值不大，但在瓦間隙調(diào)整中應(yīng)考慮盤車的擺度方位和大小。調(diào)整時，要求以保證相鄰的瓦間隙差不能大于0.02mm。通過1號機組的瓦間隙調(diào)整效果來看，各軸瓦的瓦溫值都在設(shè)計范圍，狀態(tài)良好。

4.2調(diào)試振動情況

清蓄1號機組整機調(diào)試自2015年9月4日開始，至10月底全部結(jié)束。調(diào)試期間，對1號機組的振動檢測及調(diào)整也同步完成。最終無論在發(fā)電工況還是抽水工況，1號機組的軸系振動均達到GB/T11348.5-2008標(biāo)準(zhǔn)的A級振動水平，可長期運行。調(diào)試各階段機組振動具體情況如下：

發(fā)電方向空載工況下，各部位振動一倍轉(zhuǎn)頻分量0.5mm/s，其通頻值仍比較大，水導(dǎo)擺度和頂蓋振動幅值波動較大，此現(xiàn)象主要是水力不平衡引起的。在空載工況下導(dǎo)葉開度（流量）比較小，是因流道內(nèi)水流比較復(fù)雜導(dǎo)致。

帶負(fù)荷時，部分負(fù)荷下檢測到低頻渦帯頻率，但幅值不大。240～260MW時渦帶頻率完全消失，機組振動處于最佳狀態(tài)。滿負(fù)荷抽水工況運行時，大軸擺度幅值較小，且非常穩(wěn)定，未出現(xiàn)波動，說明機組運行平穩(wěn)，具體情況如表4、表5。

甩負(fù)荷試驗時，最高轉(zhuǎn)速發(fā)生在甩100%負(fù)荷過程，達到559r/min，未發(fā)生機械故障或異常聲音。該機組在甩負(fù)荷后，機組軸系擺度和機架振動均未發(fā)生變化。

調(diào)相工況時，無論是PC工況還是GC工況，1號機組運行都非常平穩(wěn)。

表4　各部位振動情況　單位：mm/s

表5　各導(dǎo)軸承擺度情況　單位：um

5　結(jié)語

對振動影響較大的機組主要部件在制造安裝過程中的質(zhì)量管控意義重大，清蓄電站制造和安裝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)有些重要部件適當(dāng)提高了標(biāo)準(zhǔn)，機組振動達到了遠優(yōu)于國標(biāo)的效果，可為類似電站推廣和借鑒。

[1]劉玉斌.惠州抽水蓄能機組振動在線監(jiān)測系統(tǒng)[J].水力發(fā)電，2010（09）.

[2]王志剛.蓄能機組軸線問題及機組運行擺度偏高分析處理[J].水電站機電技術(shù)，2003（03）.

TV743

B

1672-5387（2016）08-0100-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.031

2016-06-29

陳泓宇（1975-），男，高級工程師，主要從事電站基建和電廠技術(shù)管理工作。