水輪發(fā)電機(jī)上導(dǎo)擺度超標(biāo)原因分析及處理

邵建林，廖 潤，謝 林，陳 杰

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水輪發(fā)電機(jī)上導(dǎo)擺度超標(biāo)原因分析及處理

邵建林，廖 潤，謝 林，陳 杰

（二灘水力發(fā)電廠，四川 攀枝花 617000）

本文以二灘水電站3號機(jī)為例，通過分析對上導(dǎo)擺度有影響的水力、機(jī)械、電磁力三個(gè)因素，結(jié)合頻譜圖分析及動(dòng)平衡試驗(yàn)，得出磁極線圈匝間短路和轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡是造成3號機(jī)上導(dǎo)擺度超標(biāo)的原因。通過處理磁極線圈匝間短路和轉(zhuǎn)子配重，成功地消除了上導(dǎo)擺度超標(biāo)的缺陷。為類似電站和機(jī)組解決上導(dǎo)擺度超標(biāo)問題提供參考。

上導(dǎo)擺度；頻譜圖分析；匝間短路；質(zhì)量不平衡

0 前言

二灘水電站裝有6臺由GE公司設(shè)計(jì)的550MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組。額定水頭165m，機(jī)組轉(zhuǎn)速為142.9r/min，發(fā)電機(jī)型號：SF550-42/12782。上導(dǎo)軸承安裝在上機(jī)架中心體內(nèi)，采用分塊扇形瓦結(jié)構(gòu)，瓦塊數(shù)量12塊，上導(dǎo)瓦相對瓦間隙和：0.32+0.05/-0mm，相臨瓦間隙差：不大于0.025mm。瓦塊合圍在上端軸軸領(lǐng)外圈，座放于下部瓦架上，瓦背抵靠在抗重螺栓上，機(jī)組運(yùn)行過程中的徑向荷載通過抗重螺栓和上導(dǎo)支撐傳遞至上機(jī)架，如圖1所示。

3號機(jī)上導(dǎo)擺度第一高限報(bào)警設(shè)定值為180 um。通過跟蹤觀察，2012年5月至2014年11月上導(dǎo)擺度+X長期處于超標(biāo)狀態(tài)，最大值達(dá)到250 um。上導(dǎo)擺度超標(biāo)運(yùn)行對機(jī)組的安全、穩(wěn)定存在隱患，需要對其進(jìn)行檢查、處理。

1 上導(dǎo)擺度超標(biāo)原因分析

引起機(jī)組振擺變化的因素有水力因素、機(jī)械因素和電磁因素。

圖1 上導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)圖

1.1 水力因素分析

影響機(jī)組振擺的水力因素有：尾水管內(nèi)低頻渦帶；尾水管中頻、高頻壓力脈動(dòng)；水輪機(jī)止漏環(huán)間隙不均；蝸殼、導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪水流不均；壓力管道中水流脈動(dòng)；水頭變化；負(fù)荷變化。水力不平衡引起的機(jī)組振擺變化首先體現(xiàn)在水導(dǎo)擺度的變化。將2012年5月至2014年11月期間水導(dǎo)擺度、上導(dǎo)擺度、水頭、負(fù)荷繪制成變化趨勢圖，發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)擺度、負(fù)荷、水頭的變化趨勢與上導(dǎo)擺度的變化趨勢并不一致，由此可排除水力因素是導(dǎo)致上導(dǎo)擺度變化的原因。

1.2 機(jī)械因素分析

影響機(jī)組振擺的機(jī)械因素有機(jī)組軸線變化、轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、轉(zhuǎn)動(dòng)部件與固定部件磨碰、導(dǎo)軸瓦間隙變化。

1.2.1 利用頻譜圖分析上導(dǎo)擺度超標(biāo)原因

頻譜分析就是把復(fù)雜的時(shí)間歷程波形，經(jīng)過傅里葉變換分解為若干單一的諧波分量來研究，以獲得信號的頻率結(jié)構(gòu)以及各諧波和相位信息。根據(jù)頻譜圖上的頻率、幅值結(jié)合機(jī)組振擺特征，可有效分析引起振擺的可能原因，見表1。

表1 機(jī)組振動(dòng)原因、頻率、特征關(guān)系表

利用機(jī)組狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)，取出上導(dǎo)擺度頻譜圖（如圖2所示）進(jìn)行分析。

圖2 上導(dǎo)擺度頻譜圖（處理前）

從頻譜圖中可以看出：上導(dǎo)擺度主要頻率為1倍頻即轉(zhuǎn)頻，1倍頻幅值為177.9μm。結(jié)合表一相關(guān)內(nèi)容分析認(rèn)為上導(dǎo)擺度超標(biāo)的可能原因?yàn)椋海?）轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡；（2）機(jī)組軸線問題；（3）導(dǎo)軸瓦間隙問題；（4）氣隙不均導(dǎo)致的磁拉力不平衡；（5）磁極線圈匝間短路導(dǎo)致的磁拉力不平衡。

1.2.2 盤車檢查機(jī)組軸線

2014年度機(jī)組檢修期間，對上導(dǎo)擺度進(jìn)行了盤車測量。（1）在下導(dǎo)軸領(lǐng)、上導(dǎo)軸領(lǐng)處沿圓周劃8等分線。（2）在下導(dǎo)軸領(lǐng)、上導(dǎo)軸領(lǐng)對應(yīng)位置固定部件上+X、+Y方向架設(shè)百分表，測針垂直指向轉(zhuǎn)動(dòng)部件被測表面。（3）百分表調(diào)零，啟動(dòng)高壓油潤滑系統(tǒng)，盤車測量（盤三圈，記錄第二、三圈數(shù)據(jù)）并記錄0°、180°方位下導(dǎo)軸領(lǐng)、上導(dǎo)軸領(lǐng)各測點(diǎn)的百分表讀數(shù)。（4）根據(jù)測量數(shù)據(jù)，利用矢量分解法計(jì)算上導(dǎo)擺度。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，上導(dǎo)盤車擺度為47 um，滿足要求，確定上導(dǎo)擺度超標(biāo)并非由機(jī)組軸線變化引起。

1.2.3 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡檢查

質(zhì)量力相對于旋轉(zhuǎn)中心線的對稱狀況是影響機(jī)組穩(wěn)定性的重要因素之一，可通過變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)檢查機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件的質(zhì)量平衡狀態(tài)對機(jī)組各部位振動(dòng)和擺度的影響。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的質(zhì)量不平衡較大時(shí)，主軸擺度隨轉(zhuǎn)速變化而變化的趨勢很明顯，且徑向軸承支架振動(dòng)幅值與機(jī)組轉(zhuǎn)速的平方近似成正比關(guān)系。

2014年12月18日，對3號機(jī)組進(jìn)行了變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)，隨著轉(zhuǎn)速的上升，機(jī)組上導(dǎo)擺度、下導(dǎo)擺度、上機(jī)架振動(dòng)均明顯增大；對比50％和100％額定轉(zhuǎn)速，上導(dǎo)擺度轉(zhuǎn)頻峰峰值增大約110um，下導(dǎo)擺度轉(zhuǎn)頻峰峰值增大約200um，上機(jī)架水平振動(dòng)增大約50um；機(jī)組存在明顯質(zhì)量不平衡，見表2。由此可見轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡是造成上導(dǎo)擺度超標(biāo)的一個(gè)原因。

表2 變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.2.4 導(dǎo)軸瓦間隙檢查

2014年度機(jī)組檢修期間，對上導(dǎo)瓦間隙進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)瓦間隙較上一輪機(jī)組檢修時(shí)的安裝間隙并未發(fā)生明顯變化，可見上導(dǎo)擺度超標(biāo)并非由瓦間隙變化引起。

1.3 電磁因素分析

磁拉力不平衡是影響機(jī)組穩(wěn)定性的重要因素之一，可通過升壓變勵(lì)磁試驗(yàn)檢查機(jī)組磁拉力不平衡對機(jī)組振動(dòng)和擺度的影響。

1.3.1 變勵(lì)磁試驗(yàn)檢查電磁因素

2014年12月18日，對3號機(jī)組進(jìn)行了升壓變勵(lì)磁試驗(yàn)，隨著勵(lì)磁電壓的上升，機(jī)組上導(dǎo)擺度、下導(dǎo)擺度、上機(jī)架振動(dòng)隨勵(lì)磁電壓的上升而有所增大；對比25％和100％勵(lì)磁電壓，上導(dǎo)擺度轉(zhuǎn)頻峰峰值增大約25um，下導(dǎo)擺度轉(zhuǎn)頻峰峰值增大約25um，上機(jī)架水平振動(dòng)增大約13um，機(jī)組存在磁拉力不平衡，見表3。由此可見磁拉力不平衡是造成上導(dǎo)擺度超標(biāo)的另一個(gè)原因。

表3 變勵(lì)磁試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.3.2 定轉(zhuǎn)子間隙檢查

二灘水電站定轉(zhuǎn)子之間間隙設(shè)計(jì)值為33.5mm，經(jīng)測量定轉(zhuǎn)子間隙并無異常，因此擺度超標(biāo)的原因不是定轉(zhuǎn)子間隙不均。

1.3.3 磁極檢查

對所有磁極進(jìn)行交流阻抗試驗(yàn)，對阻抗偏低的磁極進(jìn)行反復(fù)確認(rèn)，排除受附近磁極影響而交流阻抗偏低的磁極。經(jīng)檢測，#6、#8、#10、#16、#25、#27、#28、#39共8個(gè)磁極交流阻抗值偏低，存在匝間短路現(xiàn)象，其余磁極合格。由此可見磁極線圈短路是造成磁拉力不平衡的一個(gè)原因。

2 上導(dǎo)擺度超標(biāo)問題處理

2.1 磁極線圈匝間短路處理

（1）拆除與問題磁極連接的磁極連線及磁極壓板。

（2）對問題磁極及問題磁極的磁極鍵進(jìn)行編號。

在主鍵焊上吊裝工具后，分批將磁極鍵拔出。拔磁極鍵時(shí)采用橋機(jī)主起升鉤，慢速起吊，防止起升過快碰傷其他設(shè)備。同時(shí)做好防護(hù)措施，防止損傷周圍磁極及定子線棒。

（3）用專用工具將磁極緩慢吊出，放置在墊有膠皮的木方上，木方高度應(yīng)一致，使磁極整體保持水平；對線圈和鐵心進(jìn)行編號。

（4）用專用工具對線圈進(jìn)行脫庫處理，使鐵心和線圈分離。專用工具的六個(gè)承重面用膠皮進(jìn)行防護(hù)，保證承重面至少有一半面積與線圈接觸，防止掛住上托板并一起吊出。用橋機(jī)主鉤緩慢起升，注意觀察線圈與鐵心的碰觸情況，防止線圈層間被拉裂。

（5）用5T拉力計(jì)分別對每個(gè)線圈、鐵心進(jìn)行稱重并記錄。

（6）清除鐵心表面及托板上的玻璃膠和雜質(zhì)；清理環(huán)氧板與鐵心間的雜質(zhì)；在環(huán)氧板分層起皮的部位涂刷793環(huán)氧膠；鐵心表面重新涂刷J0405磁極鐵心表面絕緣漆；重新在托板和鐵心間填補(bǔ)玻璃膠，使間隙平整。

（7）將新線圈用酒精清掃干凈，待酒精揮發(fā)后，在線圈內(nèi)外表面均勻涂刷792雙組份環(huán)氧樹脂膠，室溫固化不小于24h。注意清除線圈底部凝固的環(huán)氧膠，重新刷膠時(shí)防止環(huán)氧膠在底部重新凝固成水滴狀。

（8）統(tǒng)計(jì)出鐵心、舊線圈和新線圈的重量，根據(jù)原磁極重量對新線圈和鐵心進(jìn)行分配組裝。

（9）新磁極組裝完成后，分別進(jìn)行直流電阻、絕緣電阻、交流阻抗和功率損耗試驗(yàn)，確保試驗(yàn)結(jié)果合格。

（10）根據(jù)原磁極重量，確定新磁極的安裝位置，確保新舊磁極重量基本一致，將新磁極安裝到位并打進(jìn)磁極鍵，恢復(fù)磁極連線及磁極壓板?；匮b完成后，對磁極進(jìn)行整體試驗(yàn)，試驗(yàn)合格。

2.2 轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡處理

經(jīng)變轉(zhuǎn)速、變勵(lì)磁試驗(yàn)測量，3號機(jī)所裝測點(diǎn)振擺幅值均滿足DL/T 507-2002《水輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)規(guī)程》的要求，但機(jī)組存在較大的質(zhì)量不平衡和一定的磁力不平衡。為提高機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性，決定進(jìn)行動(dòng)平衡處理。

根據(jù)綜合平衡分析的結(jié)果，兼顧機(jī)組空轉(zhuǎn)、空載工況，在轉(zhuǎn)子磁極中部、自編相位30°處加配重約47kg，在自編相位70°處加配重約100kg。

配重后機(jī)組在100％額定轉(zhuǎn)速工況下，上導(dǎo)擺度降幅約100um，下導(dǎo)擺度降幅約140um，上機(jī)架水平振動(dòng)降幅約20um；在100％空載額定電壓工況下，上導(dǎo)擺度降幅約70um，下導(dǎo)擺度降幅約60um，上機(jī)架水平振動(dòng)降幅約20um；配重效果明顯。動(dòng)平衡處理有效地減小了質(zhì)量不平衡，控制了磁力不平衡的影響。

3 3號機(jī)上導(dǎo)擺度運(yùn)行狀況（問題處理后）

動(dòng)平衡處理后，從機(jī)組在線監(jiān)測系統(tǒng)中取出上導(dǎo)擺度頻譜圖（如圖3所示）。

圖3 上導(dǎo)擺度頻譜圖（處理后）

從頻譜圖中可以看出：上導(dǎo)擺度主要頻率為1倍頻即轉(zhuǎn)頻，1倍頻最大幅值為41μm，較處理前下降明顯。

繪制2014年10月至2016年7月3號機(jī)上導(dǎo)擺度趨勢圖（如圖6所示），跟蹤觀察3號機(jī)上導(dǎo)擺度處理前后的運(yùn)行狀況

從圖表中可以看出，3號機(jī)通過動(dòng)平衡處理和磁極線圈匝間短路處理后，上導(dǎo)擺度下降明顯，運(yùn)行穩(wěn)定。3號機(jī)上導(dǎo)擺度超標(biāo)問題得到徹底解決。

圖4 上導(dǎo)擺度趨勢圖（處理后）

4 結(jié)論

水輪發(fā)電機(jī)組最常見、最主要的故障就是振動(dòng)故障，振動(dòng)直接影響機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。本文通過頻譜圖分析及現(xiàn)場試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)造成3號機(jī)上導(dǎo)擺度超標(biāo)的原因?yàn)檗D(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡和磁極匝間短路，而不是機(jī)組軸線、瓦間隙、水力不平衡等問題。通過磁極線圈匝間短路處理和轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡處理，徹底解決了3號機(jī)上導(dǎo)擺度超標(biāo)的問題。

水輪發(fā)電機(jī)在線監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用已非常普遍，但利用在線監(jiān)測系統(tǒng)里的頻譜圖、軸心軌跡圖、軸線姿態(tài)圖分析機(jī)組軸線狀況的經(jīng)驗(yàn)卻很欠缺。我們應(yīng)更深入地了解頻譜圖、軸心軌跡圖、軸線姿態(tài)圖這些分析圖，利用它們分析并解決機(jī)組的振擺問題，積累經(jīng)驗(yàn)，為真正實(shí)現(xiàn)狀態(tài)檢修奠定良好的基礎(chǔ)。

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Cause Analysis and Treatment of the Upper Guide Swing Beyond Standard on the Generating Unit of Ertan Hydropower Station

SHAO Jianlin, LIAO Run, XIE Lin, CHEN Jie

(Ertan Hydropower Plant, Panzhihua 617000, China)

The upper guide swing of unit 3 of Ertan Hydropower Station had been beyond the standard for a long time since May 2012.In order to solve the problem of excessive swing, by analyzing the influencing factors of hydraulic, mechanical and electromagnetic force, combined with frequency spectrum analysis and field test, it is concluded that the pole coil inter-turn short circuit and rotor mass imbalance were the cause of large swing of upper guide in unit 3. By processing the magnetic poles and coils inter-turn short circuit and rotor counter weight, the defect that the guide swing of unit3 is beyond standard was eliminated successfully.

the upper guide swing; spectrum analysis; inter-turn short circuit; mass imbalance

TM301.4+2

A

1000-3983(2018)01-0059-06

2017-05-15

邵建林（1984-），2008年6月畢業(yè)于四川大學(xué)水電學(xué)院熱能與動(dòng)力工程專業(yè)，現(xiàn)從事水輪發(fā)電機(jī)組檢修維護(hù)工作，工程師。