大梁子水電站1號水輪發(fā)電機(jī)組振動超標(biāo)的處理

蔡之奎

(馬關(guān)大梁子發(fā)電有限責(zé)任公司，云南 馬關(guān) 663700)

1 概 述

1.1 工程概況

大梁子水電站位于云南省馬關(guān)縣南部的仁和鎮(zhèn)響水河段，是流域規(guī)劃的第五梯級電站，電站裝機(jī)容量2×16 MW(水輪機(jī)型號HLA542—LJ—135，發(fā)電機(jī)型號SF16000—8/2860)，額定容量20 MVA/16 MW，額定電壓10.5 kV，額定轉(zhuǎn)速750 r/min，額定引用流量13.5 m3/s，額定水頭279 m，總庫容113.6萬m3，有效庫容30萬m3；引水系統(tǒng)總長4 658.1 m，有壓隧洞長4 032 m。

電站運(yùn)行維護(hù)人員定期使用袖珍式數(shù)字測振儀(型號HG—2504)對水輪發(fā)電機(jī)組上導(dǎo)瓦座、下機(jī)架、水導(dǎo)瓦各個方向的振動情況進(jìn)行測量，從而達(dá)到對機(jī)組振動的監(jiān)測。

電站機(jī)組各部位振動允許值以設(shè)備出廠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)(見表1)。

電站1號機(jī)組在較長的時期內(nèi)下導(dǎo)水平振動超出允許范圍，X、Y水平方向振動差值超過了0.02 mm，且下導(dǎo)、水導(dǎo)瓦溫超過60 ℃，經(jīng)多次檢修均無明來改善。各導(dǎo)垂直方向振動值均在允許范圍內(nèi)(見表2)。

1.2 機(jī)組振動的危害

水電站機(jī)組振動是不可避免的現(xiàn)象，但較大振動會引起機(jī)組零部件和焊縫疲勞破壞區(qū)的形成或擴(kuò)大，使連接部件松動，加速轉(zhuǎn)動部件的磨損。若是由于尾水管低頻水壓脈動引起機(jī)組振動過大，則可能使尾水管壁產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重的可使整塊鋼板剝落；機(jī)組與廠房振動頻率相同時則會引起共振，其后果更為可怕，輕者使機(jī)組和廠房毀壞，甚至?xí)斐伤畾S房等。

所以，水電站日常運(yùn)行管理要加強(qiáng)對機(jī)組振動的監(jiān)測，保證機(jī)組振動限制在允許范圍內(nèi)，從而確保機(jī)組安全正常運(yùn)行。

2 振動原因分析

從機(jī)組振動的發(fā)生情況來看，有的是水輪機(jī)本身的水力特性所決定的，有的是由一些偶然因素作用產(chǎn)生的，設(shè)計(jì)、加工、安裝或參數(shù)配合不當(dāng)也會引起機(jī)組的振動。但是，電站2號機(jī)組振動情況良好(見表3)，與1號機(jī)組為同一套設(shè)計(jì)圖，可以排除設(shè)計(jì)因素引起1號機(jī)組振動過大。

表2 1號機(jī)組檢修前振動檢測記錄 mm

表3 2號機(jī)組振動檢測記錄 mm

引起立軸懸式混流機(jī)組振動的原因眾多，可以分為3大類：水力因素、電磁因素和機(jī)械因素。

2.1 水力因素

水力因素主要有：水力不平衡、尾水管低頻水壓脈動、空腔氣蝕、卡門渦列、間隙射流等。水力不平衡引機(jī)組振動主要表現(xiàn)為在空載或低負(fù)荷運(yùn)行時振動強(qiáng)烈；尾水管低頻水壓脈動引機(jī)組振動主要表現(xiàn)為尾水管聲音異常，有較強(qiáng)的爆破聲；空腔氣蝕引起機(jī)組振動主要表現(xiàn)為機(jī)組的頂蓋和推力軸承垂直振動增加；卡門渦列引起機(jī)組振動是由于卡門渦列的沖擊頻率與轉(zhuǎn)輪產(chǎn)生共振，表現(xiàn)為有較強(qiáng)的且頻率比較單一的噪聲和金屬共鳴聲。

電站機(jī)組運(yùn)行聲響正常，各導(dǎo)垂直振動正常，導(dǎo)葉、轉(zhuǎn)輪氣蝕和磨損情況良好，尾水管補(bǔ)氣和氣蝕情況良好，據(jù)此可以排除水力因素引起1號機(jī)組振動超標(biāo)。

2.2 電磁因素

電磁因素引起振動的特征是振動隨勵磁電流的增大而增大，主要有轉(zhuǎn)子繞組短路、空氣間隙不均勻、發(fā)電機(jī)突然短路和發(fā)電機(jī)三相不對稱運(yùn)行等。

電站1號機(jī)組從空轉(zhuǎn)運(yùn)行穩(wěn)定后到滿負(fù)荷運(yùn)行其振動值變化不大，基本穩(wěn)定在同一振動水平；而且機(jī)組轉(zhuǎn)子、定子電氣預(yù)防性試驗(yàn)結(jié)果合格，機(jī)組運(yùn)行保電氣參數(shù)正常，據(jù)此可以排除電磁因素引起1號機(jī)組振動超標(biāo)。

2.3 機(jī)械因素

機(jī)械因素引起的振動特征是振動頻率等于機(jī)組的轉(zhuǎn)動頻率或整倍數(shù)的機(jī)組轉(zhuǎn)動頻率，主要有：轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、機(jī)組軸線不正、軸瓦間隙大、導(dǎo)軸承缺陷、推力頭松動等。引起轉(zhuǎn)子(包括其組合件：轉(zhuǎn)輪、轉(zhuǎn)軸、聯(lián)軸器、鍵座等)質(zhì)量不平衡產(chǎn)生的因素較多，帶來的后果是使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生偏心質(zhì)量，旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生離心力，從而引起機(jī)組振動；機(jī)組軸線不正將會產(chǎn)生不平衡離心力、增大轉(zhuǎn)子弓狀回旋半徑、引起迷宮中較強(qiáng)的壓力脈動，有時還會引起機(jī)組的自激振動，一般通過盤車校正機(jī)組軸線；推力頭松動時，機(jī)組運(yùn)行時的振動忽大忽小，呈不穩(wěn)定狀態(tài)，而且也會給機(jī)組盤車帶來困難。

針對引起機(jī)組振動的機(jī)械原因逐項(xiàng)分析，情況如下：

(1) 電站1號機(jī)組推力頭與軸頸為過盈配合，推力頭拔出采用4根螺栓硬拔出，且較費(fèi)力；推力頭安裝時，必須先將其加熱至65 ℃以上方能套入軸頸。據(jù)此判斷1號機(jī)組推力頭并未松動。

(2)電站1號機(jī)組上、下、水導(dǎo)瓦為巴氏合金瓦，檢修時檢查軸承完好。

(3)電站1號機(jī)組水導(dǎo)瓦為筒狀瓦，由對稱的兩瓣組成。機(jī)組檢修回裝時，自下往上調(diào)整各導(dǎo)瓦間隙，上、下、水導(dǎo)瓦雙邊間隙按照0.2、0.3 mm和0.5 mm控制，符合設(shè)備出廠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

(4)電站1號機(jī)組下導(dǎo)X方向水振動比Y方向水平振動大了0.02 mm多，綜合上述原因排查分析，很可能是推力瓦與鏡面之間配合出現(xiàn)了問題，機(jī)組在旋轉(zhuǎn)時還存在X方向的擺動。推力瓦打受力發(fā)現(xiàn)每次鏡板的位置改變后，就會有不同的推力瓦的受力較小，說明鏡面已不平整或已成氈帽型。因此，機(jī)組盤車數(shù)據(jù)很可能失真。

(5) 轉(zhuǎn)子質(zhì)量是否平衡，需要開展動平衡試驗(yàn)方可知曉。

3 處理措施

3.1 部件檢測

將1號機(jī)組推力頭和鏡板送回原廠家檢測，結(jié)果：上導(dǎo)軸承瓦面最大凸點(diǎn)達(dá)到0.08 mm；鏡板鏡面出了弧度，平整度達(dá)到0.09 mm(凹)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了規(guī)范要求的0.01 mm；且鏡板把合面凸點(diǎn)與鏡面凹點(diǎn)一致，說明鏡板已成氈帽型。

由設(shè)備廠家負(fù)責(zé)對不合格部位進(jìn)行加工處理。

3.2 把控回裝工藝

3.2.1 調(diào)整鏡板水平

在鏡板表面4個對稱點(diǎn)(+X、-Y、-X、+Y)布設(shè)百分表，在調(diào)整鏡板時的等腰三角形兩腰線上布設(shè)精度基本相同的2個水平儀，并將1、4、6三塊推力瓦的抗重螺栓用鎖定板進(jìn)行鎖定，依照相應(yīng)點(diǎn)來提升其余5塊推力瓦。推力頭回裝后，待推力頭溫度降至與室溫相近時安裝卡環(huán)(見圖1)。

3.2.2 推力瓦打受力

推力瓦打受力采用人工錘擊法，主要靠多年積累的經(jīng)驗(yàn)和手感。步驟如下：

(1) 在上導(dǎo)(水導(dǎo))處裝設(shè)2塊互相垂直的百分表(千分表)，還應(yīng)在鏡板與上導(dǎo)軸瓦座垂直方向裝設(shè)1塊百分表(千分表)。

(2) 選擇錘子和扳手，用受力較好的推力瓦支柱螺栓試力。

(3) 均勻用力(較小用力為宜)依次打緊每個支柱螺栓。

(4) 對原受力較小的支柱螺栓補(bǔ)打。

(5) 檢查性試打(3圈以上)。

(6) 根據(jù)推力瓦受力和百分表(千分表)讀數(shù)判斷推力瓦受力已調(diào)整合格。

圖1 調(diào)整鏡板水平示意

3.2.3 盤車

由于電站機(jī)組裝機(jī)容量較小，盤車采用人工盤車。先調(diào)整轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)輪至中心位置，再按工藝要求開展發(fā)電機(jī)單獨(dú)盤車和整機(jī)組連軸盤車兩個階段，計(jì)量表計(jì)使用百分表(見表4)。

表4 1號機(jī)組盤車最終數(shù)據(jù) 10-2 mm

3.2.4 導(dǎo)瓦間隙調(diào)整

盤車結(jié)束后，自下往上調(diào)整各導(dǎo)瓦間隙，上、下、水導(dǎo)瓦雙邊間隙按照0.2、0.3 mm和0.5 mm控制，盡量雙邊間隙等同。

3.3 試機(jī)

按規(guī)范要求，認(rèn)真做好各開機(jī)前的準(zhǔn)備工作，按試機(jī)流程試機(jī)。1號機(jī)組檢修后振動得到了很大程度的改善，振動值已在設(shè)備出廠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，而且基本解決了下導(dǎo)X、Y方向振動不平衡的情況(見表5)。

表5 1號機(jī)組檢修后振動檢測記錄 mm

3.4 動平衡試驗(yàn)

參考電站2號機(jī)組振動檢測情況，1號機(jī)組檢修后振動值雖然已在設(shè)備出廠設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，但其振動值仍偏大；則應(yīng)考慮其轉(zhuǎn)子質(zhì)量是否平衡，需要開展動平衡試驗(yàn)。

經(jīng)動平衡試驗(yàn)，在轉(zhuǎn)子上下端4個位置共配重13.8 kg，具體配重位置與配重質(zhì)量如下所示(見圖2)。

4 處理結(jié)果及原因

經(jīng)過上述處理，電站1號機(jī)組各導(dǎo)振動得到了明顯改善，達(dá)到了較好的狀態(tài)(見表6)。同時，1號機(jī)組各導(dǎo)軸承瓦運(yùn)行溫度也有所降低，從原來的60 ℃以上降至55 ℃左右。

圖2 動平衡試驗(yàn)配重示意

表6 1號機(jī)組動平衡試驗(yàn)后振動檢測記錄 mm

根據(jù)原因分析、處理措施及結(jié)果，可以判斷出導(dǎo)致電站1號機(jī)組振動超標(biāo)且X、Y方向水平振動不平衡的根本原因是鏡板變形、上導(dǎo)軸承瓦面有凸點(diǎn)及轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡；由于根本原因的存在，導(dǎo)致推力瓦水平度和盤車數(shù)據(jù)失真，從而致使機(jī)組軸線不正。

5 結(jié) 語

水電站機(jī)組產(chǎn)生振動在現(xiàn)有的科學(xué)技術(shù)之下是不可避免的，在最大程度上減少因?yàn)闄C(jī)組振動而產(chǎn)生的不安全事件和事故是電站運(yùn)行管理過程中非常重要的工作。對于已經(jīng)投入運(yùn)行的機(jī)組，一旦出現(xiàn)振動異常問題，尤其是垂直振動異常，就要迅速分析導(dǎo)致振動異常的原因，確定導(dǎo)致異常振動的性質(zhì)，采取有效的防范和處理措施，防止事態(tài)擴(kuò)大而造成事故。檢修過程中，要嚴(yán)格按照工藝要求，保證檢修質(zhì)量，提高安裝精度，確保機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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