水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)原因和處理措施分析

【摘要】水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)會(huì)讓水輪發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行產(chǎn)生問(wèn)題，會(huì)讓水輪機(jī)組出現(xiàn)故障。本文首先對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)帶來(lái)危害作出簡(jiǎn)要闡述，然后對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)原因進(jìn)行分析，之后結(jié)合筆者在新莊水電站工作的實(shí)際情況，提出幾點(diǎn)水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)處理措施，希望可以對(duì)業(yè)內(nèi)起到一定參考作用。

【關(guān)鍵詞】水輪發(fā)電機(jī)組;振動(dòng)原因;處理措施

前言：

在水電站中，水輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行可以保證水電站經(jīng)濟(jì)效益，如果水輪發(fā)電機(jī)組因?yàn)檎駝?dòng)出現(xiàn)故障情況，那么就會(huì)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)性與發(fā)電效益造成不利影響。水力原因、機(jī)械原因與電氣原因均有可能導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)情況，進(jìn)而產(chǎn)生運(yùn)行故障。

一、水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)帶來(lái)危害

在水電站中，水輪機(jī)占有核心地位，水輪機(jī)組可以轉(zhuǎn)化水勢(shì)能為機(jī)械能，在水電廠中，水輪發(fā)電機(jī)組的安全運(yùn)行可以保證其供電安全性、供電優(yōu)質(zhì)性和供電經(jīng)濟(jì)性，這和電網(wǎng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、安全性具有直接關(guān)系，這對(duì)于水電廠的社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益具有決定作用。在水輪機(jī)組的運(yùn)行中，水力原因、機(jī)械原因與電氣原因均會(huì)造成水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)情況，據(jù)統(tǒng)計(jì)，現(xiàn)階段，水輪發(fā)電機(jī)組大約有80%事故與故障和振動(dòng)有關(guān)。

水輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)會(huì)帶來(lái)五點(diǎn)主要危害：（1）會(huì)讓機(jī)組零部件出現(xiàn)疲勞損壞區(qū)，該區(qū)主要出現(xiàn)在金屬和焊縫之間，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)讓損害程度加重，可能會(huì)有裂縫出現(xiàn)，導(dǎo)致機(jī)組報(bào)廢;（2）發(fā)電機(jī)組部分緊固部件會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)甚至斷裂情況，會(huì)讓連接部件出現(xiàn)振動(dòng)情況，減少其使用壽命;（3）水輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)會(huì)讓機(jī)組旋轉(zhuǎn)部分磨損程度加劇;（4）水輪機(jī)組共振會(huì)對(duì)廠房以及多種設(shè)備造成影響;（5）水輪機(jī)組振動(dòng)會(huì)讓尾水管中形成渦流脈動(dòng)壓力，此壓力可能會(huì)讓水管壁開裂，可能會(huì)對(duì)尾水設(shè)備正常使用造成影響。

二、水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)原因

（一）水力原因

在水力方面，水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)的主要原因是水輪機(jī)會(huì)受到動(dòng)力水壓的干擾，這種水力原因往往是具有較大隨機(jī)性、很難進(jìn)行控制的。如果水輪機(jī)處于非設(shè)計(jì)環(huán)境工作，或是處于過(guò)度運(yùn)行狀態(tài)，那么由于不理想水流狀況，機(jī)組部分組件會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)加速，出現(xiàn)斷裂情況。對(duì)其原因進(jìn)行具體說(shuō)明，主要包含四個(gè)方面：

第一，通流器件中不平穩(wěn)的水力。在轉(zhuǎn)輪有水流進(jìn)入后，會(huì)有不對(duì)稱情況出現(xiàn)，會(huì)有不穩(wěn)定橫向作用力產(chǎn)生，這會(huì)讓器件出現(xiàn)喘振現(xiàn)象，在零載荷、低載荷運(yùn)行條件下，會(huì)有較高強(qiáng)度的振動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)。因此，不對(duì)稱的流通通道會(huì)讓流體出現(xiàn)不對(duì)稱現(xiàn)象。

第二，卡門渦流。在流體繞經(jīng)輪片在入口端輸出后，在輸出口處會(huì)有渦流列出現(xiàn)，在出現(xiàn)輪片正反面間斷流時(shí)，流體會(huì)撞擊輪片。如果輪片自身振動(dòng)頻率與撞擊頻率較為接近，可能會(huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，通常情況下，一般渦流列振蕩會(huì)在某一范圍開度、水頭時(shí)出現(xiàn)，進(jìn)而讓水輪機(jī)輪片底部有裂痕出現(xiàn)。

第三，渦流帶產(chǎn)生在尾部流通管。渦流帶這種流體形式較為復(fù)雜，在出現(xiàn)時(shí)普遍為螺旋形狀，渦流核心會(huì)朝著某一方向轉(zhuǎn)動(dòng)，可能會(huì)讓尾部流通管流體產(chǎn)生較大幅度的低壓脈沖，脈沖壓力數(shù)值出現(xiàn)最大值，會(huì)使得運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)不正?，F(xiàn)象。在發(fā)電機(jī)部件振動(dòng)頻率與渦流帶脈沖率出現(xiàn)共振時(shí)，單元器件會(huì)有振動(dòng)現(xiàn)象產(chǎn)生，讓發(fā)電量得到減少;在基底工程自由振動(dòng)頻率和渦流帶頻率接近時(shí)，基底工程會(huì)強(qiáng)烈振蕩。

第四，尾部流通管安裝位置低。通常情況下，如果尾部流通管安裝位置相對(duì)較低，就會(huì)讓流體輸出口有不穩(wěn)定流體出現(xiàn)，在拐彎之前，如果此類流體不夠穩(wěn)定，那么低尾管會(huì)讓彎道管入口和流體距離減小，在不穩(wěn)定流體的拐彎過(guò)程中，會(huì)受到周期作用力的干擾，進(jìn)而讓單元部件出現(xiàn)振蕩情況。

（二）機(jī)械原因

水輪發(fā)電機(jī)組作業(yè)運(yùn)行過(guò)程中必定會(huì)有強(qiáng)烈振動(dòng)產(chǎn)生。在機(jī)組振動(dòng)過(guò)程中，會(huì)有一定干擾力出現(xiàn)，機(jī)械本身的摩擦與慣性力以及其他作用力會(huì)產(chǎn)生干擾力，因此，在機(jī)械方面，其主軸剛度不足、轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、機(jī)組軸線不正等等因素均會(huì)讓水路發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)，在此過(guò)程中，機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)速與頻率相同，而隨著轉(zhuǎn)速平方的增大，振幅也會(huì)隨之加大。

（三）電氣原因

在水輪發(fā)電機(jī)組中，單元機(jī)組會(huì)因?yàn)殡姎庖l(fā)磁場(chǎng)力而產(chǎn)生振蕩，隨著電磁流量的增大，振動(dòng)幅度也會(huì)隨之?dāng)U大，其主要特征為發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)故障時(shí)運(yùn)行機(jī)組轉(zhuǎn)子接地、發(fā)電機(jī)組處于不對(duì)稱三相電流、磁場(chǎng)不均等。以運(yùn)行機(jī)組轉(zhuǎn)子接地為例，在水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，就會(huì)有轉(zhuǎn)子接地情況產(chǎn)生，進(jìn)而造成短路故障，進(jìn)而減小電阻值，在故障點(diǎn)得到大量電流經(jīng)過(guò)時(shí)，就可能會(huì)對(duì)電場(chǎng)穩(wěn)定性造成影響，使得發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)激烈的振蕩情況。

三、水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)處理措施

（一）水力原因造成振動(dòng)處理措施

為避免尾水管渦帶和氣蝕造成機(jī)組振動(dòng)現(xiàn)象，那么需要將導(dǎo)流翼板與導(dǎo)流瓦安裝在尾部流通管入口處，以減小并消除渦帶產(chǎn)生振動(dòng)，與此同時(shí)，通過(guò)補(bǔ)氣等方法也可以對(duì)振動(dòng)進(jìn)行減小和消除。

為防止卡門渦所引起的水輪機(jī)振動(dòng)，通常情況下，可以對(duì)卡門渦頻率與葉片固有頻率進(jìn)行改變，也可以對(duì)葉片型號(hào)進(jìn)行改變，削薄出水邊，進(jìn)而減小、消除正反側(cè)面形成交變漩渦力量。

為防止止漏間隙不當(dāng)導(dǎo)致振動(dòng)情況，需要對(duì)葉片固有頻率與卡門渦頻率進(jìn)行改變。在實(shí)際運(yùn)作中，我們可以發(fā)現(xiàn)對(duì)外止漏環(huán)間隙進(jìn)行適當(dāng)增大，可以讓機(jī)組振動(dòng)得到有效減小，這主要是因?yàn)檗D(zhuǎn)輪偏心運(yùn)動(dòng)會(huì)因?yàn)殚g隙的增大而減弱，進(jìn)而影響轉(zhuǎn)輪背面止漏環(huán)間隙壓力。與此同時(shí)，通過(guò)對(duì)補(bǔ)氣孔面積進(jìn)行增加處理，也可以有效防止因冒水而導(dǎo)致尾水位抬高現(xiàn)象出現(xiàn)。

（二）機(jī)械原因造成振動(dòng)處理措施

針對(duì)機(jī)械原因所造成的振動(dòng)，可以采用提升同心度與精密度等方法對(duì)其進(jìn)行處理。以新莊水電站水輪機(jī)組為例進(jìn)行分析，新莊水電站處于我國(guó)陜西省涇陽(yáng)縣燕王鄉(xiāng)新莊村，主要是利用涇河水源，在涇惠渠南干渠一號(hào)跌水所建設(shè)的渠道引水式水電站。在該水電站中，共安裝有兩臺(tái)ZDK283-LH-120型水輪發(fā)電機(jī)組，其設(shè)計(jì)水頭是12m，設(shè)計(jì)流量是16.4m3/s，其設(shè)計(jì)年發(fā)電量是768萬(wàn)度。發(fā)電設(shè)備組成部分主要包含了變壓器、水輪發(fā)電機(jī)組、真空開關(guān)以及線路等，電站規(guī)模為二級(jí)小型電站。

采用水輪機(jī)為立式、軸流定槳式水輪機(jī)，其最高、最低水頭分別為12m、10m，出力為800kW，流量為8.5m3/s，最高效率為83%，在轉(zhuǎn)速規(guī)定范圍上，其額定為428.6r/min，飛逸為847.8r/min，過(guò)速度主要為115%，過(guò)速、低速限制分別為140%、35%，吸出高程Hs主要為-1m，轉(zhuǎn)輪直徑為1200mm。

在運(yùn)行過(guò)程中，1#水輪機(jī)組產(chǎn)生較大振動(dòng)情況，上機(jī)架最大振動(dòng)幅度達(dá)到了0.15mm，工作人員針對(duì)此情況檢查機(jī)組定子、轉(zhuǎn)子磁極以及機(jī)架緊固螺絲等部位，在對(duì)此類因素進(jìn)行排查后，通過(guò)振動(dòng)測(cè)試的方法檢查機(jī)組各種運(yùn)行狀態(tài)。

經(jīng)過(guò)變速試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在此過(guò)程中，其具有明顯的振動(dòng)變化，其最大振幅可以超過(guò)0.07mm，也就是說(shuō)，在水輪機(jī)組振動(dòng)過(guò)程中，機(jī)械原因?yàn)橹饕蛩?。利用帶?fù)荷試驗(yàn)與空載試驗(yàn)中的勵(lì)磁電流恒定測(cè)試，發(fā)現(xiàn)對(duì)于振動(dòng)來(lái)說(shuō)，勵(lì)磁電流和有功負(fù)荷都會(huì)對(duì)此造成影響。實(shí)際測(cè)試1#水輪機(jī)組水輪機(jī)導(dǎo)軸承間隙，發(fā)現(xiàn)軸瓦間隙具有較大變化，其最大間隙大于0.45mm，之后可以重新調(diào)整機(jī)組上導(dǎo)和下導(dǎo)軸承間隙，保證此間隙在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。在啟動(dòng)水輪機(jī)組后，可以測(cè)試振動(dòng)機(jī)組狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)最大振幅在0.04mm之內(nèi)，消除了振動(dòng)現(xiàn)象，對(duì)此水電站振動(dòng)問(wèn)題做到合理解決，保證了水輪機(jī)組運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性。

（三）電氣原因造成振動(dòng)處理措施

針對(duì)電氣原因造成的水輪機(jī)組振動(dòng)情況，需要對(duì)其進(jìn)行定期的檢修測(cè)試，在水輪機(jī)組的運(yùn)行過(guò)程中，針對(duì)電氣原因造成的振動(dòng)問(wèn)題要做到早發(fā)現(xiàn)早解決，同時(shí)，需要對(duì)電氣方面的監(jiān)控保護(hù)力度予以加強(qiáng)，找到電氣原因造成的電氣故障，對(duì)其進(jìn)行有效處理。遵循定子線圈工藝過(guò)程交流耐壓標(biāo)準(zhǔn)，定子試驗(yàn)項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)，單個(gè)磁極、引線、集電環(huán)、刷架交流耐電壓標(biāo)準(zhǔn)與絕緣要求以及轉(zhuǎn)子繞組試驗(yàn)項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)，水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組各部位振動(dòng)允許值可以對(duì)水輪機(jī)組進(jìn)行電氣試驗(yàn)。在試驗(yàn)過(guò)程中，主要項(xiàng)目包含了調(diào)速器無(wú)水開閉導(dǎo)葉試驗(yàn)、蝸殼沖水試壓、機(jī)組空轉(zhuǎn)、帶負(fù)荷試驗(yàn)、甩負(fù)荷試驗(yàn)、發(fā)電機(jī)開停機(jī)試驗(yàn)等，同時(shí)，需要對(duì)水電發(fā)電機(jī)組全擺渡、凈擺渡、傾斜值進(jìn)行計(jì)算，對(duì)擺渡大小與方位進(jìn)行分析，對(duì)絕緣墊刮削厚度進(jìn)行計(jì)算，調(diào)整處理機(jī)組軸線，在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出廠之前與大修之后，需要對(duì)其進(jìn)行靜平衡試驗(yàn)。除此之外，還需要進(jìn)行接力器拉緊度試驗(yàn)、引水系統(tǒng)充水試驗(yàn)、鎖定投、退試驗(yàn)等。在引水系統(tǒng)充水試驗(yàn)中，試驗(yàn)?zāi)康闹饕獮闄z查引水系統(tǒng)充水時(shí)間，在操作過(guò)程中，需要檢查機(jī)組油壓裝置工作的正常性，對(duì)引水系統(tǒng)充水時(shí)間進(jìn)行仔細(xì)記錄。

結(jié)論：

綜上所述，水力原因、機(jī)械原因與電氣原因均會(huì)讓水輪發(fā)電機(jī)組出現(xiàn)振動(dòng)情況，對(duì)此，水電站維護(hù)人員、運(yùn)行管理人員需要通過(guò)振動(dòng)試驗(yàn)來(lái)增強(qiáng)機(jī)組振動(dòng)原因排查力度，針對(duì)振動(dòng)情況產(chǎn)生具體原因來(lái)制定解決措施，讓事故影響得到減輕，保證水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性，保證水電廠運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。

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