沙坪二級(jí)水電站機(jī)組水導(dǎo)軸承振動(dòng)超標(biāo)原因分析

張華壘，李 昂

(國(guó)電大渡河檢修安裝有限公司，四川 樂(lè)山 614900)

沙坪二級(jí)水電站安裝有6臺(tái)單機(jī)出力58 MW的燈泡貫流式機(jī)組，為目前國(guó)內(nèi)單機(jī)容量最大的燈泡貫流式機(jī)組。工程于2011年1月動(dòng)工籌建，2012年5月開(kāi)始建設(shè)，首臺(tái)機(jī)組于2017年7月底投產(chǎn)發(fā)電，末臺(tái)機(jī)組于2019年5月投入商業(yè)運(yùn)行。機(jī)組額定轉(zhuǎn)速88.2 r/min，額定水頭14.3 m，最大水頭24.6 m，最小水頭5.9 m，額定流量457.66 m3/s。隨著機(jī)組投入運(yùn)行時(shí)間的增加，逐漸出現(xiàn)了1號(hào)、6號(hào)機(jī)組在汛期低水頭運(yùn)行時(shí)水導(dǎo)軸承振動(dòng)長(zhǎng)期超標(biāo)的現(xiàn)象。

1 設(shè)備運(yùn)行情況

1.1 振擺系統(tǒng)介紹

沙坪二級(jí)水電站機(jī)組振動(dòng)擺度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用北京華科同安公司開(kāi)發(fā)的TN8000水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)擺度監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)。

水導(dǎo)軸承和組合軸承的振動(dòng)傳感器都選擇北京豪瑞斯MLS-9低頻速度傳感器，在相應(yīng)軸承-X，+Y向位置焊接一個(gè)水平和一個(gè)垂直安裝板, 安裝板上各安裝1個(gè)振動(dòng)傳感器。

水導(dǎo)軸承和組合軸承的擺度傳感器都選用德國(guó)申克公司的IN-081一體化渦流傳感器，安裝在相應(yīng)軸承油槽蓋上端面鉛垂方向±45°位置，通過(guò)焊接支架固定對(duì)準(zhǔn)軸表面。6臺(tái)機(jī)組安裝位置相同，能準(zhǔn)確反應(yīng)實(shí)際振動(dòng)值和擺度值。

1.2 各部軸承振動(dòng)情況

同立式機(jī)組相同，燈泡貫流式機(jī)組運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)不可避免，但相對(duì)較大的振動(dòng)會(huì)對(duì)機(jī)組的安全運(yùn)行和使用壽命造成影響，如緊固件松動(dòng)，受力筋疲勞斷裂等。我國(guó)現(xiàn)行有關(guān)燈泡貫流式機(jī)組振動(dòng)允許振動(dòng)值如表1所示。

表1 燈泡貫流式機(jī)組各部位振動(dòng)允許值表[1]

2019年入汛以來(lái)，沙坪二級(jí)水電站6臺(tái)機(jī)組在14、16 m水頭局部負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，出現(xiàn)了1、6號(hào)機(jī)組水導(dǎo)軸承X向徑向振動(dòng)長(zhǎng)期超標(biāo)的現(xiàn)象，見(jiàn)表2，且呈現(xiàn)出機(jī)組運(yùn)行水頭越低，導(dǎo)葉開(kāi)度越大，機(jī)組振動(dòng)越大的情況。

表2 TN8000振擺監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)測(cè)量的振動(dòng)值表 μm

選取6號(hào)機(jī)組14 m水頭下水導(dǎo)振動(dòng)進(jìn)行頻譜分析，水導(dǎo)軸承振動(dòng)通頻值137.5 μm，各分頻中以轉(zhuǎn)頻為主，測(cè)值達(dá)84.8 μm，其余各倍頻還包括0.5倍頻、0.75倍頻、2倍頻、4倍頻和5倍頻，其測(cè)值較小，見(jiàn)圖1。

圖1 水導(dǎo)振動(dòng)頻譜圖

2 原因分析

2.1 軸承支架支撐剛度不足

水導(dǎo)軸承的傳感器支架安裝于導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的內(nèi)配水環(huán)上，導(dǎo)水機(jī)構(gòu)內(nèi)配水環(huán)并非基礎(chǔ)受力部件，是通過(guò)把合螺栓固定在管型座上，在機(jī)組運(yùn)行時(shí)本身就有一定振動(dòng)，所以水導(dǎo)軸承所測(cè)得的振動(dòng)值實(shí)際是內(nèi)配水環(huán)與水導(dǎo)軸承振動(dòng)值的疊加，當(dāng)兩個(gè)振動(dòng)發(fā)生正向疊加時(shí)，就會(huì)造成機(jī)組水導(dǎo)軸承振動(dòng)偏大[2]。

2.2 攔污柵淤堵造成水頭損失

沙坪二級(jí)水電站大壩有機(jī)組段和泄洪壩段，左岸為機(jī)組段，右岸為泄洪壩段，中間采用隔墻隔開(kāi)，機(jī)組段進(jìn)水設(shè)置有擋沙坎、攔污漂以阻止樹(shù)木、大量泥沙進(jìn)入機(jī)組。這種布置方式造成了布置在機(jī)組壩段兩側(cè)的機(jī)組進(jìn)水口(1、6號(hào))會(huì)形成回流，雜物易在該處淤積，實(shí)際運(yùn)行中也發(fā)現(xiàn)1、6號(hào)機(jī)組進(jìn)水口攔污柵壓差同比其它機(jī)組更大。

2019年汛期，處于沙坪二級(jí)水電站上游的金口河地區(qū)發(fā)生了泥石流，大量的生活垃圾、樹(shù)木等進(jìn)入河道，使機(jī)組攔污柵壓差明顯高于往年同期，加大了機(jī)組的水頭損失。

由于燈泡貫流式機(jī)組的特點(diǎn)是水頭越低，其水頭損失對(duì)機(jī)組運(yùn)行越敏感，機(jī)組的出力明顯減小，振動(dòng)、擺度增大[3]。而沙坪二級(jí)水電站1、6號(hào)機(jī)組攔污柵更容易淤堵加大水頭損失，造成在相對(duì)較低的水頭下運(yùn)行時(shí)，機(jī)組的水力不平衡越明顯，最終造成水導(dǎo)軸承長(zhǎng)期超標(biāo)運(yùn)行。

2.3 機(jī)組空蝕引起振動(dòng)偏大

水輪發(fā)電機(jī)組中，影響機(jī)組振動(dòng)的類(lèi)型很多，通常有間隙空化和空蝕、空腔空蝕、局部空化和空蝕，以及卡門(mén)漩渦等，這些空蝕會(huì)直接加劇水輪機(jī)振動(dòng)。尤其在含沙量較大的河流中，泥沙對(duì)機(jī)組導(dǎo)葉、槳葉的磨損程度加大。機(jī)組的空蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，更容易形成卡門(mén)漩渦，更會(huì)加劇水輪機(jī)振動(dòng)，從振擺監(jiān)測(cè)系統(tǒng)反應(yīng)出來(lái)就是水導(dǎo)擺度偏大，水導(dǎo)軸承振動(dòng)偏大[4]。

沙坪二級(jí)水電站在近兩年檢修過(guò)程中，對(duì)過(guò)流部件進(jìn)行全面檢查，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的空蝕現(xiàn)象。

2.4 協(xié)聯(lián)關(guān)系參數(shù)不準(zhǔn)確引起機(jī)組振動(dòng)

燈泡貫流式機(jī)組同軸流轉(zhuǎn)漿式機(jī)組相同，采用導(dǎo)葉、槳葉雙重調(diào)節(jié)，導(dǎo)葉、槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系的正確設(shè)置，能使機(jī)組在各個(gè)水頭都處于最優(yōu)工況。沙坪二級(jí)水電站6臺(tái)燈泡貫流式機(jī)組使用的是投運(yùn)之初安裝單位設(shè)定的協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線(xiàn)，沒(méi)有根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行試驗(yàn)調(diào)整，使部分機(jī)組沒(méi)有在最優(yōu)工況下運(yùn)行，槳葉不再具有無(wú)撞擊進(jìn)口，水流對(duì)葉片產(chǎn)生沖擊，在轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，由于槳葉沖角不斷變化，作用在葉片上的力及產(chǎn)生的葉片扭矩相應(yīng)變化，導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)加劇[5]。

2.5 異物卡塞在固定部件與轉(zhuǎn)動(dòng)部件之間造成機(jī)組振動(dòng)

沙坪二級(jí)水電站水庫(kù)途徑樂(lè)山市金口河區(qū)，沿途多條小河匯流進(jìn)大渡河，主河道和小河流周邊為主要聚集居住地，人口多，造成河道生活垃圾多。這些垃圾會(huì)穿過(guò)攔污柵進(jìn)入機(jī)組流道，其中的塑料垃圾、橡膠制品偶爾會(huì)卡在轉(zhuǎn)輪槳葉與轉(zhuǎn)輪室之間，造成機(jī)組各部振動(dòng)突然大幅增加。若機(jī)組長(zhǎng)期在異物卡塞狀態(tài)下運(yùn)行，也會(huì)造成水導(dǎo)軸承振動(dòng)超標(biāo)。

沙坪二級(jí)水電站機(jī)組在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，曾多次發(fā)生過(guò)各部軸承振動(dòng)突然大幅加劇的情況，雖然其中絕大多數(shù)通過(guò)多次調(diào)節(jié)負(fù)荷、開(kāi)停機(jī)操作，能讓各部軸承振動(dòng)恢復(fù)正常。但也曾兩次出現(xiàn)無(wú)論怎么調(diào)節(jié)負(fù)荷或開(kāi)停機(jī)都無(wú)法使其振動(dòng)恢復(fù)至正常的狀況，隨后經(jīng)停機(jī)打開(kāi)流道檢查，發(fā)現(xiàn)槳葉與轉(zhuǎn)輪室之間卡塞了橡膠制品，轉(zhuǎn)輪室球面也有明顯的摩擦痕跡，清理卡塞物后重新開(kāi)機(jī)，各部軸承振動(dòng)恢復(fù)正常。

2.6 其它原因

槳葉安裝角不同或槳葉接力器行程不同導(dǎo)致的葉道不一致、葉片生產(chǎn)加工產(chǎn)生的葉型不同，槳葉與轉(zhuǎn)輪間隙不均勻，導(dǎo)葉接力器行程不同或拐臂長(zhǎng)度不同等等原因?qū)е碌乃Σ黄胶獾榷紩?huì)導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)加劇。

沙坪二級(jí)水電在檢修過(guò)程中已經(jīng)對(duì)槳葉安裝角、導(dǎo)葉開(kāi)度值、內(nèi)外環(huán)向心球段開(kāi)檔尺寸、槳葉與轉(zhuǎn)輪室間隙進(jìn)行了檢查，其中存在主要問(wèn)題為多臺(tái)機(jī)組槳葉與轉(zhuǎn)輪室間隙比圖紙?jiān)O(shè)計(jì)值偏小。但相同的狀況下，只有1號(hào)和6號(hào)機(jī)組水導(dǎo)軸承振動(dòng)長(zhǎng)期超標(biāo)，分析認(rèn)為槳葉與轉(zhuǎn)輪室間隙偏小不是導(dǎo)致機(jī)組水導(dǎo)軸承振動(dòng)長(zhǎng)期超標(biāo)的主要原因。

3 結(jié) 語(yǔ)

沙坪二級(jí)水電站安裝的燈泡貫流式機(jī)組是目前國(guó)內(nèi)單機(jī)最大的燈泡貫流式機(jī)組，其振動(dòng)超標(biāo)具有一定的代表性，筆者簡(jiǎn)要介紹了設(shè)備運(yùn)行狀況及分析超標(biāo)的原因，希望對(duì)燈泡貫流式機(jī)組運(yùn)維人員判斷設(shè)備狀況、分析設(shè)備振動(dòng)原因有一定借鑒意義。