某大型軸流式機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)及分析

錢巨林，李鈐，肖志懷，戴勇峰，肖惠民，于昊楠

某大型軸流式機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)及分析

錢巨林1，李鈐1，肖志懷*,2，戴勇峰3，肖惠民2，于昊楠2

（1. 國網(wǎng)新源水電有限公司富春江水力發(fā)電廠，浙江 桐廬 311504；2.武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院動(dòng)力系，湖北 武漢 430072；3.華中科技大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

通過機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)可以獲取真機(jī)各部位的振動(dòng)、擺度等指標(biāo)，再對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析就可以判斷機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)。對某大型軸流式機(jī)組進(jìn)行了頂轉(zhuǎn)子、變轉(zhuǎn)速、變勵(lì)磁、變負(fù)荷、協(xié)聯(lián)等穩(wěn)定性試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，下機(jī)架在承受全部自重時(shí)的撓度在安全范圍內(nèi)；機(jī)組存在一定量的質(zhì)量不平衡，可考慮對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)施現(xiàn)場動(dòng)平衡；不平衡磁拉力對上機(jī)架水平振動(dòng)影響較小，但對聯(lián)接法蘭擺度影響顯著；75%和62%導(dǎo)葉開度協(xié)聯(lián)點(diǎn)設(shè)置合理，但54%開度協(xié)聯(lián)點(diǎn)需調(diào)整；帶負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，聯(lián)軸法蘭擺度超過了國標(biāo)考核標(biāo)準(zhǔn)。聯(lián)機(jī)法蘭擺度超標(biāo)應(yīng)是機(jī)組無下導(dǎo)、轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)輪間大軸過長、轉(zhuǎn)動(dòng)部件質(zhì)量不平衡、不平衡磁拉力等因素共同作用的結(jié)果，降低聯(lián)軸法蘭擺度應(yīng)從這幾方面著手。

穩(wěn)定性試驗(yàn)；擺度；振動(dòng)；軸流式機(jī)組；聯(lián)軸法蘭

水力機(jī)組正朝著大型化、高速化和大容量方向發(fā)展，隨之而來的是機(jī)組穩(wěn)定性問題日益突出，國內(nèi)外一些大型或巨型電站均出現(xiàn)了不同程度的振動(dòng)，個(gè)別還比較嚴(yán)重，這極大地影響了機(jī)組的長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低了電廠的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)也給電網(wǎng)帶來了不穩(wěn)定因素。

機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)可獲取振動(dòng)、擺度、壓力脈動(dòng)等穩(wěn)定性指標(biāo)，是了解和掌握機(jī)組穩(wěn)定性能的有效手段。通過分析機(jī)組振動(dòng)、擺度的特點(diǎn)和規(guī)律，可掌握水力、機(jī)械和電磁三種不平衡因素的影響程度以及振因、振源，從而為機(jī)組運(yùn)行、檢修及技術(shù)改造提供科學(xué)依據(jù)[1-6]。

某大型軸流式機(jī)組常偏離較優(yōu)工況運(yùn)行，其大軸法蘭連接處振動(dòng)擺度一直偏大，特殊情形下此處振動(dòng)擺度達(dá)上千微米，存在巨大的安全隱患。針對該電廠機(jī)組法蘭、水導(dǎo)擺度偏大的問題，開展了機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)，以系統(tǒng)分析法蘭連接處主軸擺度偏大的原因，為后期科學(xué)合理地制定減少大軸擺度方案奠定基礎(chǔ)，也可以為其他類似機(jī)組的穩(wěn)定性研究提供參考[7-10]。

1 機(jī)組型式及測點(diǎn)

該水輪發(fā)電機(jī)組為大型立式機(jī)組（單機(jī)容量60 MW，轉(zhuǎn)輪直徑8 m），結(jié)構(gòu)比較特殊，為二導(dǎo)半傘式結(jié)構(gòu)，有上導(dǎo)而無下導(dǎo)，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子至轉(zhuǎn)輪之間軸長近11 m。

機(jī)組穩(wěn)定性試驗(yàn)測點(diǎn)包括：上導(dǎo)、水導(dǎo)的擺度（向、向），上機(jī)架、下機(jī)架、定子機(jī)座、頂蓋的振動(dòng)（向、向、向）。導(dǎo)軸承處擺度通過電渦流傳感器監(jiān)測，上機(jī)架、下機(jī)架、定子機(jī)座、頂蓋處振動(dòng)通過低頻振動(dòng)傳感器監(jiān)測。機(jī)組實(shí)時(shí)出力、導(dǎo)葉槳葉開度以及電站上游、尾水水位通過中控室來實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)讀取。

2 試驗(yàn)內(nèi)容

（1）頂轉(zhuǎn)子試驗(yàn)：4個(gè)工況點(diǎn)，油壓分別為20 bar、40 bar、60 bar、68 bar；

（2）變轉(zhuǎn)速實(shí)驗(yàn)：4個(gè)工況點(diǎn)，轉(zhuǎn)速分別為額定轉(zhuǎn)速（71.4 r/min）的60%、70%、80%、100%；

（3）變勵(lì)磁試驗(yàn)：4個(gè)工況點(diǎn)，勵(lì)磁電壓分別為額定電壓的25%、50%、75%、100%；

（4）變負(fù)荷試驗(yàn)：7個(gè)協(xié)聯(lián)工況點(diǎn)，負(fù)荷分別為30 M、35 M、40 MW、45 MW、50 MW、55 MW、60 MW。

（5）協(xié)聯(lián)試驗(yàn)：導(dǎo)葉開度分別為最大開度的75%、62%、54%。

機(jī)組對應(yīng)國標(biāo)允許限值（雙幅值）如表1所示。試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)詳見參考文獻(xiàn)[11-14]。

表1 機(jī)組對應(yīng)國標(biāo)允許限值（雙幅值）

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 頂轉(zhuǎn)子試驗(yàn)

在下機(jī)架下部安裝一個(gè)電渦流傳感器，傳感器的支架用鋼管固定在頂蓋上。傳感器安裝好后，用頂轉(zhuǎn)子油泵裝置，分別加載20 bar、40 bar、60 bar、70 bar油壓，每個(gè)工況停留5 min，撓度傳感器同步記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。

油缸頂起力計(jì)算如下：

油缸上頂力＝油壓力×π×油缸半徑2×

油缸個(gè)數(shù)

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的油缸上頂力和下機(jī)架抬起量，如表2所示。

表2 計(jì)算得到油缸的上頂力和下機(jī)架抬起量

注：油壓力為0時(shí)是靜止?fàn)顟B(tài)，油壓力為68時(shí)是全部頂起。

試驗(yàn)測得轉(zhuǎn)動(dòng)部件的重量為632.277 t，和設(shè)計(jì)重量640.5 t非常接近。下機(jī)架在承受全部自重狀態(tài)下的撓度為1.245 mm，在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

3.2 變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)

變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)各部振動(dòng)、擺度峰峰值隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢如圖1所示。

圖1 變轉(zhuǎn)速振動(dòng)趨勢圖（97%置信度）

由圖1可見：

（1）隨著轉(zhuǎn)速的增加，上導(dǎo)擺度和水導(dǎo)擺度變化不大，基本上在200～220 μm范圍內(nèi)變動(dòng)。但聯(lián)機(jī)法蘭擺度變化非常大，從200 μm左

右變到額定轉(zhuǎn)速的500 μm左右，已超過國標(biāo)考核標(biāo)準(zhǔn)。

（2）隨著轉(zhuǎn)速增加，上機(jī)架水平振動(dòng)通頻峰峰值從23 μm變化到額定轉(zhuǎn)速時(shí)的67.3 μm。轉(zhuǎn)頻幅值和轉(zhuǎn)速平方關(guān)系圖顯示兩者存在明顯的線性關(guān)系，頻譜分析也表明該信號工頻分量（50 Hz）的振動(dòng)幅值最大，說明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在一定的質(zhì)量不平衡。

（3）下機(jī)架、定子、頂蓋等部位振動(dòng)在不同轉(zhuǎn)速下都未超過50 μm。

3.3 變勵(lì)磁試驗(yàn)

變勵(lì)磁試驗(yàn)各部振動(dòng)、擺度峰峰值隨勵(lì)磁電壓的變化趨勢如圖2所示。由圖可見：

（1）隨著勵(lì)磁電壓（電流）的增加，上導(dǎo)擺度通頻峰峰值從240 μm左右增加到300 μm左右。水導(dǎo)擺度通頻峰峰值從200 μm左右增加到220 μm左右。聯(lián)接法蘭擺度＋和＋通頻峰峰值從350 μm左右增加到800 μm左右。各處擺度值均隨勵(lì)磁電壓（電流）的增加而變大。

（2）隨著勵(lì)磁電壓的增加，上機(jī)架向水平振動(dòng)通頻峰峰值從65 μm增加到130 μm，其余各部位振動(dòng)通頻峰峰值均在50 μm以內(nèi)，轉(zhuǎn)頻分量幅值沒有超過20 μm。

以上分析結(jié)果顯示：發(fā)電機(jī)明顯存在不平衡磁拉力，且對不同部位的影響差別很大；磁拉力對上機(jī)架水平振動(dòng)有影響，對聯(lián)接法蘭擺度有顯著的影響。

3.4 變負(fù)荷試驗(yàn)

協(xié)聯(lián)變負(fù)荷各部振動(dòng)、擺度峰峰值的變化趨勢如圖3所示。由圖可見：

（1）機(jī)組在各個(gè)負(fù)荷工況下，水導(dǎo)擺度＋向和＋向通頻峰峰值均沒有超過200 μm，上導(dǎo)擺度＋向和＋向采用95%置信度幅值在200 μm左右，擺度都沒有超過國標(biāo)考核標(biāo)準(zhǔn)的250 μm。

③壓漿參數(shù)中的壓力和漿量，必須是從大到小的進(jìn)行調(diào)整，初始壓力和漿量的確定取決于鉆孔內(nèi)涌滲水壓力和涌滲水量的大小，初始壓漿壓力應(yīng)大于孔內(nèi)涌水壓力，初始漿量應(yīng)大于孔內(nèi)涌水量。

（2）各個(gè)負(fù)荷工況下的聯(lián)機(jī)法蘭擺度＋和＋在500～700 μm之間波動(dòng)，已超過國標(biāo)考核標(biāo)準(zhǔn)，后期應(yīng)采取措施減輕聯(lián)機(jī)法蘭擺度，以確保機(jī)組能長期安全穩(wěn)定運(yùn)行。

圖2 變勵(lì)磁振動(dòng)趨勢圖

（3）機(jī)組在各個(gè)負(fù)荷工況下，各部位水平、垂直振動(dòng)都不超過50 μm，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 變負(fù)荷振動(dòng)趨勢圖（97%置信度）

3.5 協(xié)聯(lián)試驗(yàn)

導(dǎo)葉開度75%、54%時(shí)的協(xié)聯(lián)試驗(yàn)趨勢圖如圖4、圖5所示（62%導(dǎo)葉開度圖略）。

從振動(dòng)和擺度的角度來評判協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線：

（1）75%、62%導(dǎo)葉開度機(jī)組現(xiàn)有協(xié)聯(lián)點(diǎn)振動(dòng)、擺度都在區(qū)間的最小值，說明協(xié)聯(lián)工況點(diǎn)設(shè)置合理。

圖4 協(xié)聯(lián)導(dǎo)葉開度75%（定導(dǎo)葉變槳葉）試驗(yàn)趨勢圖

4 結(jié)論

通過對機(jī)組變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)、變勵(lì)磁試驗(yàn)、變負(fù)荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)的深入分析，可得出以下結(jié)論：

（1）下機(jī)架在承受全部自重狀態(tài)下的撓度在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)。

圖5 協(xié)聯(lián)導(dǎo)葉開度54%試驗(yàn)趨勢圖

（2）機(jī)組存在一定的質(zhì)量不平衡，可考慮對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)施現(xiàn)場動(dòng)平衡，進(jìn)一步提高機(jī)組穩(wěn)定性水平。

（3）存在不平衡磁拉力，對上機(jī)架水平振動(dòng)影響較小，但對聯(lián)接法蘭擺度有顯著的影響。

（4）由變負(fù)荷試驗(yàn)可知，除聯(lián)軸法蘭外，各測點(diǎn)振動(dòng)峰峰值和擺度峰峰值均在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，運(yùn)行狀態(tài)良好。聯(lián)機(jī)法蘭擺度在500～700 μm之間波動(dòng)，已超過國標(biāo)考核標(biāo)準(zhǔn)。

（5）75%和62%導(dǎo)葉開度協(xié)聯(lián)點(diǎn)設(shè)置合理，但54%開度協(xié)聯(lián)點(diǎn)需要調(diào)整。由于制造、安裝和運(yùn)行條件的差異，真機(jī)協(xié)聯(lián)關(guān)系曲線可能與模型機(jī)有差異。在條件允許的情況下，電廠應(yīng)開展全面系統(tǒng)的協(xié)聯(lián)試驗(yàn)，檢驗(yàn)、校正協(xié)聯(lián)曲線，以提高機(jī)組效率和穩(wěn)定性。

綜上所述，聯(lián)機(jī)法蘭擺度超標(biāo)應(yīng)是機(jī)組無下導(dǎo)、轉(zhuǎn)子與轉(zhuǎn)輪間大軸過長、轉(zhuǎn)動(dòng)部件質(zhì)量不平衡、不平衡磁拉力等因素共同作用的結(jié)果，降低聯(lián)軸法蘭擺度也理應(yīng)從這幾方面著手。

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Stability Test and Analysis of a Large Kaplan Unit

QIAN Julin1，LI Qian1，XIAO Zhihuai2，DAI Yongfeng3，XIAO Huimin2，YU Haonan2

( 1.Fuchunjiang Hydropower Plant of State Grid Xinyuan Co., Ltd., Tonglu 311504, China; 2.School of Power and Mechanical Engineering ,Wuhan University, Wuhan 430072, China; 3.School of Energy and Power Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China )

The stability tests of lifting rotor, variable speed, variable excitation and variable load are carried out for a large axial flow unit. Through the stability test, the vibration, swing and other indicators of the prototype unit can be obtained and the operating state of the unit can be judged. The analysis of the test data shows that the deflection of the lower frame is within the safe range when it bears the total dead weight. The problem of mass unbalance in the generator unit could be solved through on-site dynamic balancing of the generator rotor. Unbalanced magnetic tension has little effect on the horizontal vibration of the upper frame, but significantly influences the swing of the connecting flange. The on-cam operating conditions of 75% and 62% guide vane opening are set reasonably, but the on-cam operating condition of 54% needs to be adjusted. When running with load, the coupling flange swing exceeds the national standard. The excess of coupling flange swing may be caused by the combined action of such factors as unit without lower guide, long shaft between rotor and runner, mass unbalance of rotating parts, and unbalance of magnetic pull, etc. These factors should be taken into consideration in reducing coupling flange swing.

stability test；vibration；swinging；Kaplan unit；shaft coupling flange

TV734.2+1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.08.001

1006-0316 (2021) 08-0001-06

2021-01-14

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目：復(fù)雜多變網(wǎng)構(gòu)下水電機(jī)組穩(wěn)定性機(jī)理與機(jī)網(wǎng)協(xié)調(diào)控制研究（51979204）；國網(wǎng)新源水電有限公司富春江水力發(fā)電廠項(xiàng)目：國網(wǎng)新源水電富春江電廠水輪發(fā)電機(jī)組穩(wěn)定性測試與及轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析研究（SGTYHT/19-JS-217）

錢巨林（1967－），男，浙江諸暨人，高級工程師，主要從事水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組方面的研究工作，E-mail：julin-qian@sgxy.sgcc.com.cn。

通訊作者：肖志懷（1968－），男，湖北武漢人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)樗姍C(jī)組故障診斷、建模與優(yōu)化控制等，E-mail：xiaozhihuai@126.com。