巨型水輪發(fā)電機定子低頻振動改善性處理

李 政 張 崗

（華能瀾滄江水電股份有限公司糯扎渡水電廠，云南普洱 665005）

巨型水輪發(fā)電機定子低頻振動改善性處理

李 政 張 崗

（華能瀾滄江水電股份有限公司糯扎渡水電廠，云南普洱 665005）

國內(nèi)已投產(chǎn)的600～700MW容量等級的部分巨型水輪發(fā)電機組，其定子機座水平振動較大，雖然對降低定子機座水平振動進行了探索性的研究與處理，但實際效果不明顯。糯扎渡水電站采用轉(zhuǎn)子磁軛重新熱打鍵和磁極圓度調(diào)整的措施，摸索出了改善定子低頻振動的方法，本文著重介紹低頻振動處理過程，供水電同行參考借鑒。

巨型機組；定子低頻振動；處理

糯扎渡水電站位于云南省普洱市思茅區(qū)和瀾滄縣交界處，是瀾滄江中下游河段梯級規(guī)劃“二庫八級”電站的第五級。電站水庫具有多年調(diào)節(jié)能力，機組額定水頭187m，總裝機容量5850MW（9×650MW），是瀾滄江上最大的電站。電站由9臺發(fā)電機組組成。本文以電站8號機組為例進行分析。

1 現(xiàn) 狀

糯扎渡水電站自2012年9月投產(chǎn)以來，在線監(jiān)測系統(tǒng)顯示：7～9號機組定子機座水平振動偏大，特別是8號機組，其定子機座水平振動峰值達到281μm，遠遠超出國家標(biāo)準(zhǔn)。2014年10月—2015年6月的電站7～9號機組水平振動月平均值統(tǒng)計見表1。

表1 7～9號機組定子機座水平振動每月平均值單位：μm

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，定子機座水平振動以2倍頻為主，1倍頻次之，振動數(shù)值隨發(fā)電機勵磁電流的增大而增大，變化規(guī)律明顯，空轉(zhuǎn)無勵磁時振動值在30μm以內(nèi)，與機組轉(zhuǎn)速無明顯關(guān)聯(lián)，穩(wěn)定性試驗發(fā)現(xiàn)低負荷50MW時振動值達到最大，隨負荷的增加振動數(shù)值呈緩慢下降趨勢，下降幅值在20μm以內(nèi)?？梢耘卸ㄔ撜駝用黠@受電磁不平衡力影響。

不同結(jié)構(gòu)設(shè)計的機組對比監(jiān)測：電站1～6號機組采用剛性結(jié)構(gòu)設(shè)計，其定子機座水平振動值在40μm以內(nèi)；7～9號機組采用柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計，其相關(guān)數(shù)值在110μm以上。從數(shù)值上可以確定柔性結(jié)構(gòu)的剛度弱于剛性結(jié)構(gòu)，水平振動相對較大。

2 振動原因分析

針對水輪發(fā)電機定子機座振動大的情況，委托哈動所開展了關(guān)于“大型水輪發(fā)電機定子振動評估及技術(shù)解決方案”課題研究，結(jié)果表明，機組振動主要原因有電磁力引起、機組運行中定子或者轉(zhuǎn)子圓度發(fā)生變化導(dǎo)致氣隙不均勻、安裝時定轉(zhuǎn)子圓度不均勻引起氣隙不均勻、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)本身導(dǎo)致、安裝質(zhì)量和控制標(biāo)準(zhǔn)不高等。

3 轉(zhuǎn)子圓度處理過程

從振動結(jié)論來看，影響振動的因素較多，但仍不能明確電站機組機座水平振動大的主因，綜合現(xiàn)場施工條件，電站確定了以轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整實現(xiàn)定子振動改善的處理方案，并根據(jù)8號機組在88%額定轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)子磁軛與轉(zhuǎn)子支架分離的問題，轉(zhuǎn)子圓度處理過程中對磁軛重新進行熱打鍵，確保熱打鍵理論緊量達到設(shè)計要求的3.8mm?，F(xiàn)場除了嚴(yán)格控制圓度處理工藝外，還對機組進行軸線調(diào)整、軸瓦間隙調(diào)整、推力受力調(diào)整、對轉(zhuǎn)子支架進行剛度校核并增設(shè)立筋和環(huán)筋。

3.1 準(zhǔn)備工作

收集整理處理前數(shù)據(jù)，拆機前重點測量48個磁極上、中、下氣隙值，待拆機將轉(zhuǎn)子吊至安裝間后進行轉(zhuǎn)子測圓架安裝，測量48個磁極上、中、下三點半徑。測量過程中保證磁極編號與機組在線監(jiān)測系統(tǒng)使用的磁極編號一致。

3.2 轉(zhuǎn)子磁軛墊片取出

拆除所有磁極，以掛磁極的中間位置測量每個磁極處的磁軛外徑，測量上、中、下三點。檢查發(fā)現(xiàn)磁軛片在周向存在輕微的錯位。

在磁軛通風(fēng)槽內(nèi)加入履帶式加熱片，每層48個，沿高度方向均分為5段，共240個加熱片，每個4kW，總加熱功率960kW，外接4臺開關(guān)柜；保溫層用130塊6100mm×610mm×40mm保溫被將磁軛內(nèi)、外、上、下均覆蓋好。

預(yù)案估算最高溫度200℃，約需30h，設(shè)定采取多種措施確保墊片全部取出的預(yù)案，避免磁軛與主力筋之間的間隙內(nèi)無殘留墊片。實際歷時約8h，溫度達80℃時已將所有磁軛墊片取出，取墊平穩(wěn)輕松。

測量原磁軛墊片的厚度，等待轉(zhuǎn)子自然冷卻。

3.3 轉(zhuǎn)子支架加固

3.3.1 筋板焊接

為了提高轉(zhuǎn)子支架的翹曲安全系數(shù)，在轉(zhuǎn)子支架上、下環(huán)板上增加環(huán)形筋，同時考慮熱打鍵的作用。每個環(huán)板上增加2條環(huán)形筋板，兩筋板徑向間距為1000mm，環(huán)形筋高度為200mm，厚度為20mm，采用多名焊工對稱焊接方法，焊接前預(yù)熱坡口及其附近部位，溫度提至80℃左右。

3.3.2 立筋焊接

為提高轉(zhuǎn)子剛度，在轉(zhuǎn)子支架支臂上位于上、下環(huán)板間的位置，增加V形筋，同時考慮熱打鍵的作用，每個支臂上增加2條V形筋板，V形筋邊長為250mm，厚度為30mm。采用分段、退步焊接方法（詳見圖1，紅色部分為V形筋）。焊接完成后進行焊縫打磨、100%探傷。

圖1 立筋焊接

3.4 轉(zhuǎn)子磁軛墊片配置和熱打鍵

3.4.1 測量

測量磁軛外徑、磁軛與大立間的間隙d。計算出磁軛圓度，磁軛上、中、下三點垂直度。

根據(jù)設(shè)計要求熱打鍵理論值t1=3.80mm，理論上配置墊片的厚度為t=t1+d，最終配置的墊片厚度需結(jié)合轉(zhuǎn)子圓度確定，比如轉(zhuǎn)子上部平均圓度R為-0.47mm，中部為-0.20mm，下部為0.18mm。12號大力筋處間隙d上部為6.68mm，中部為6.78mm，下部為6.78mm；12號大力筋處磁軛實際圓度r上部為-0.98mm，中部為-0.18mm，下部為0.60mm。12號墊片配置的厚度為：上部T=t1+d-（r-R）= 3.80+6.68-（-0.98+0.47）=10.99mm，中部為10.56mm，下部為10.16mm。

結(jié)合現(xiàn)場墊片有0.30mm、0.50mm、1mm、2mm、3mm五種規(guī)格，最終墊片配置厚度上部為10.80mm，中部為10.60mm，下部為10.40mm，上、中、下之間配置不同厚度的墊片。

3.4.2 焊接

將不同規(guī)格的墊片點焊，并分上、中、下部焊接在基礎(chǔ)板上，最終形成一個整體。

3.4.3 熱打鍵

主立筋結(jié)構(gòu)（見圖2），磁軛加溫至105℃，主立筋溫度為60℃，形成55℃溫差，24個墊片全部放入，歷時12h。

圖2 主立筋結(jié)構(gòu)

3.5 轉(zhuǎn)子磁極墊片配置和圓度調(diào)整

3.5.1 磁極掛裝

圓度控制指標(biāo)：將各磁極上、中、下半徑的平均值與整個磁極半徑的平均值偏差控制在±0.125mm以內(nèi)。根據(jù)磁極墊片厚度的調(diào)整實現(xiàn)圓度控制要求（圖3中數(shù)字標(biāo)示處為磁極墊片安裝位置），每個磁極墊片安裝位置共計5處。

圖3 磁極墊片安裝

配置的磁極墊片有0.20mm、0.50mm、1mm、2mm四種規(guī)格，墊片長度與磁極高度保持一致?，F(xiàn)場結(jié)合磁軛圓度按照±0.125mm偏差控制，計算出每個磁極的加墊厚度，將不同規(guī)格的磁極墊片點焊形成一個整體，計算過程中需考慮靜態(tài)下氣隙值、定子鐵芯的平均測量直徑。若轉(zhuǎn)子直徑超差，則通過磁極墊片來校正。

磁極絕緣、交流阻抗等試驗合格后，開展磁極掛裝工作，先回裝基準(zhǔn)磁極和對稱位置的磁極，并測量該磁極的半徑、垂直度，以基準(zhǔn)磁極為例，計算出的磁極墊片配置厚度應(yīng)為2.50mm，由2個1mm和1個0.50mm墊片組成，片間采用點焊固定并形成一個整體。

后續(xù)掛裝的磁極，以先掛裝的兩個磁極的墊片厚度及磁軛圓度為依據(jù)進行掛裝。

3.5.2 磁極鍵更換

目前，機組的磁軛與磁極通過雙鴿尾形式連接，所采用的鏈條鍵存在無法打緊的問題，此次轉(zhuǎn)子處理將磁極鍵更換為加工的整體階梯鍵，每對鍵由兩個階梯鍵組成（見圖4）。

圖4 一對磁極鍵

3.6 其他輔助性措施

主要的輔助性措施包括將機組軸線調(diào)整、對三個導(dǎo)軸承進行間隙調(diào)整、推力受力調(diào)整等工作。

3.7 處理效果

3.7.1 機組140%Ne過速試驗

與額定轉(zhuǎn)速工況相比，過速時機組導(dǎo)軸承擺度、定子機座和上機架振動、轉(zhuǎn)子不圓度等指標(biāo)有明顯上升，但數(shù)值均在國家標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)；轉(zhuǎn)子半徑與轉(zhuǎn)速成線性關(guān)系，隨轉(zhuǎn)速的上升轉(zhuǎn)子半徑增大；140%Ne過速時轉(zhuǎn)子磁軛與轉(zhuǎn)子支架發(fā)生了分離。

3.7.2 機組零起升壓試驗

逐步升高勵磁電流后，在磁拉力的作用下，機組擺度、振動及轉(zhuǎn)子不圓度和偏心距均出現(xiàn)了明顯上升，其中轉(zhuǎn)子不圓度由空轉(zhuǎn)無勵磁時的3.52%升至升壓后的4.72%，偏心距由0.09mm升至0.22mm，定子機座水平振動由24μm升至80μm。

3.7.3 機組穩(wěn)定性試驗

機組帶負荷后，定子機座振動在低負荷時達到最大值117μm，隨著負荷的增加，轉(zhuǎn)子不圓度和定子機座振動呈緩慢下降趨勢，不圓度由4.74%下降至4.33%，定子機座振動由117μm下降至99μm；全負荷段下轉(zhuǎn)子圓度變化在0.20%以內(nèi)，變化較小。

3.7.4 氣隙變化及振動特性

從機組在線監(jiān)測系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)子圓度圖來看，轉(zhuǎn)子處理前后的氣隙變化不明顯，相關(guān)數(shù)據(jù)對比見表2。

表2 處理前后轉(zhuǎn)子數(shù)據(jù)對比

處理前振動主要以2倍頻為主，1倍頻次之；處理后為1、2倍頻共同占主要振動分布源，1倍頻幅度有所增加。

3.8 轉(zhuǎn)子處理的初步建議

a.轉(zhuǎn)子磁軛重新熱打鍵對定子機座水平振動的改善作用明顯；建議進一步探索通過適當(dāng)增加熱打鍵的緊量，以進一步降低定子機座的水平振動。

b.靜態(tài)下提高轉(zhuǎn)子圓度偏差的控制指標(biāo)，對定子機座水平振動的改善不明顯，建議靜態(tài)調(diào)整完成后結(jié)合帶勵磁試驗的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)在機坑里再次調(diào)整磁極，提高動態(tài)下的轉(zhuǎn)子圓度，最終進一步降低定子機座水平振動幅度。

c.隨轉(zhuǎn)速上升轉(zhuǎn)子半徑增大的現(xiàn)象，可能與新型磁極鍵無法打緊有關(guān)，對磁極鍵的優(yōu)化工作還需進一步探索。

4 結(jié) 語

作為巨型電站低頻振動的改善性處理，糯扎渡電站邁出了重要的一步。低頻振動處理后，8號機組從低轉(zhuǎn)速至140%Ne轉(zhuǎn)速，其振擺數(shù)據(jù)均滿足規(guī)范要求；低頻振動改善效果明顯，定子機座水平振動由281μm降至117μm，滿足修訂后的國家規(guī)范要求。從效果分析看，為同類型電站處理類似問題提供了經(jīng)驗。

［1］ 楊光勇，楊治全，葉超.小灣水電站1號機組轉(zhuǎn)子圓度處理分析［J］.機電信息，2015，447（21）：146-149.

［2］ 姬升陽，李政卿，胡成學(xué).三峽水電站發(fā)電機轉(zhuǎn)子圓度處理［J］.水電與新能源，2010，91（5）：24-26.

［3］ 王鵬宇，孔德寧，胡鎮(zhèn)良，等.巨型水輪發(fā)電機定子機座水平振動探討［J］.水電站機電技術(shù)，2011，34（5）：29-32.

［4］ GB／T 8562—2003水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004.

［5］ GB／T 7894—2009水輪發(fā)電機基本技術(shù)條件［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

Low-frequency vibration improvement handling of large hydraulic stator

LI Zheng，ZHANG Gang
（Huaneng Lancang River Hydropower Co.，Ltd．Nuozhadu Hydropower Station，Puer 665005，China）

A part of large hydraulic units with capacity level of 600～700MW have been put into operation in China.The horizontal vibration of stator frame is larger.The reduction of stator frame horizontal vibration is exploratory studied and handled，but actual effect is not prominent.Nuozhadu Hydropower Station adopts the measures of rotor yoke secondary hot keys and pole roundness adjustment measures.Methods of improving low frequency vibration are explored.In the paper，low frequency vibration treat process is mainly introduced as reference of hydro-power peers.

large units；stator low-frequency vibration；treatment

TV734.2

B

1673-8241（2016）09-0047-04

10.16617／j.cnki.11-5543／TK.2016.09.011