水力發(fā)電廠水輪機(jī)振動(dòng)異常故障及處理對(duì)策

蒙學(xué)良

摘要：隨著時(shí)代的進(jìn)步，水力發(fā)電廠的建設(shè)越來越完善。在水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中經(jīng)常會(huì)發(fā)生振動(dòng)，對(duì)機(jī)組的使用安全和穩(wěn)定帶來很多不利影響。使用者需要一定的理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，才能根據(jù)機(jī)組振動(dòng)的特征，及時(shí)正確地判斷機(jī)組振動(dòng)的原因并做出恰當(dāng)?shù)奶幚?，及時(shí)地防止事故的進(jìn)一步擴(kuò)大，避免設(shè)備損壞和人身傷亡等事故的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：水力發(fā)電廠水輪機(jī)振動(dòng)異常故障及處理對(duì)策

引言

我國(guó)水電工程的快速發(fā)展為我國(guó)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整奠定了良好的基礎(chǔ)，同時(shí)也對(duì)我國(guó)水電企業(yè)設(shè)備維護(hù)與養(yǎng)護(hù)工作提出了更高的要求。在現(xiàn)代水電站的運(yùn)行維護(hù)中，水輪機(jī)組異常振動(dòng)是常見的異?，F(xiàn)象。如何快速的判斷振動(dòng)源并進(jìn)行相應(yīng)的措施是有效保障機(jī)組運(yùn)行安全的關(guān)鍵，也是目前水電站設(shè)備維護(hù)與運(yùn)行安全的重要工作。在現(xiàn)代水電站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)總結(jié)中可以看出，水輪機(jī)組的振動(dòng)對(duì)水電站機(jī)組甚至廠房的安全、經(jīng)濟(jì)效益都有著重要的影響。在現(xiàn)代水輪機(jī)組想高比轉(zhuǎn)速與大容量方向發(fā)展的今天，水輪機(jī)組的振動(dòng)影響更為明顯。加快電廠機(jī)組振動(dòng)研究以及對(duì)策已經(jīng)成為應(yīng)先我國(guó)水利水電發(fā)展的關(guān)鍵。

1水輪機(jī)振動(dòng)對(duì)發(fā)電機(jī)組的影響

水力發(fā)電廠水輪機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)振動(dòng)是普遍現(xiàn)象，但是振動(dòng)頻率必須在可控范圍內(nèi)，這樣才不會(huì)阻礙水輪機(jī)正常運(yùn)行，如果振動(dòng)異常就會(huì)影響水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組的正常運(yùn)行，造成經(jīng)濟(jì)損失及人身安全威脅等，主要影響包括以下幾方面：水輪機(jī)振動(dòng)異常可能會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)組的零件造成影響，使部分零件處于疲勞工作狀態(tài)，振動(dòng)嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致零件損壞，造成安全隱患。振動(dòng)異常時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)使發(fā)電機(jī)組零件連接出現(xiàn)松動(dòng)，加劇振動(dòng)頻率，導(dǎo)致連接位置出現(xiàn)斷裂或連接零件破損的情況。振動(dòng)異常會(huì)對(duì)發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)位置造成一定程度的磨損，振動(dòng)嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)動(dòng)位置溫度過高，燒壞轉(zhuǎn)動(dòng)位置的零件，使滑環(huán)與電刷之間的磨損程度增加，發(fā)生電刷冒火花的情況。振動(dòng)異常會(huì)對(duì)尾水管壁造成影響，使尾水管中水流脈動(dòng)壓力過大，導(dǎo)致管壁出現(xiàn)裂縫，嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)整塊鋼板掉落現(xiàn)象。振動(dòng)異?？赡軙?huì)出現(xiàn)共振現(xiàn)象，導(dǎo)致水力發(fā)電廠整體設(shè)備出現(xiàn)故障，造成嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失。

2水輪機(jī)振動(dòng)異常故障原因

2.1機(jī)械振動(dòng)的原因

機(jī)械振動(dòng)最常見原因是轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，其次是機(jī)組軸線傾斜，還有就是導(dǎo)軸承缺陷。轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡，也就是轉(zhuǎn)子重心偏離旋轉(zhuǎn)軸線一個(gè)距離e，使得主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子重心以e為半徑繞主軸線旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生附加離心慣性力，這個(gè)附加的離心慣性力將迫使主軸產(chǎn)生彎曲變形，這種變形越靠近軸的兩端變形越小、越靠近離心力的作用點(diǎn)變形越大，主軸的空間運(yùn)動(dòng)形狀呈橄欖形，其投影呈弓形，故稱這種振動(dòng)為“弓狀回旋”型振動(dòng)。水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)軸線傾斜也會(huì)引起振動(dòng)和擺動(dòng)。對(duì)新安裝機(jī)組，軸線在安裝時(shí)要進(jìn)行測(cè)量調(diào)整，其擺度值通常都能處理在規(guī)定的范圍內(nèi)，因此，軸線傾斜一般不會(huì)引起劇烈振動(dòng)。但在運(yùn)行一段時(shí)間后，由于某些原因使軸線改變，就會(huì)引起機(jī)組振動(dòng)。

2.2水力振動(dòng)

引起水力振動(dòng)的因素有水力不平衡、尾水管中水流不穩(wěn)定、渦帶及空腔空蝕等。一般說來，水輪機(jī)組的振動(dòng)主要是水力振動(dòng)引起的。（1）轉(zhuǎn)輪水力不平衡。若進(jìn)入水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪的水流失去軸對(duì)稱，就必然出現(xiàn)不平衡的徑向力，這種情況就是水力不平衡，也會(huì)造成水輪機(jī)振動(dòng)。造成水力不平衡的因素，通常有蝸殼形狀不正確，不能保證軸對(duì)稱;導(dǎo)葉開度不均勻，引起流入轉(zhuǎn)輪水流不對(duì)稱和轉(zhuǎn)輪壓力分布不均勻;轉(zhuǎn)輪止漏環(huán)不均勻，造成壓力脈動(dòng)，產(chǎn)生橫向振動(dòng);流道有異物堵塞等。（2）尾水管中水壓力脈動(dòng)。水輪機(jī)在非最優(yōu)工況下運(yùn)行，旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)輪出口水流，會(huì)在尾水管中形成渦帶，造成壓力脈動(dòng)，引起機(jī)組振動(dòng)。經(jīng)驗(yàn)告訴我們，運(yùn)行在30%～70%最優(yōu)負(fù)荷的混流式水輪機(jī)，其尾水管內(nèi)的渦帶表現(xiàn)為正向螺旋狀渦流狀態(tài)，這樣一來，在尾水管內(nèi)將會(huì)產(chǎn)生顯著的壓力脈動(dòng)，其脈動(dòng)頻率大致為機(jī)組轉(zhuǎn)速頻率的1/3-1/5。尾水管壓力脈動(dòng)最大值出現(xiàn)在尾水管直錐段的上半部，此后，這種壓力脈動(dòng)必然沿水流方向逐漸減弱，最終在肘管后消失。尾水管壓力脈動(dòng)值一般小于水頭的10%，但超大型水輪機(jī)尾水管壓力脈動(dòng)值有時(shí)大大超過水頭的10%，甚至達(dá)20%～30%以上。這種壓力脈動(dòng)必然引起尾水管本身、壓力鋼管、頂蓋和推力軸承等的振動(dòng)，還會(huì)導(dǎo)致機(jī)組出力波動(dòng)，嚴(yán)重的情況下有可能造成引水管道共振和廠房振動(dòng)。（3）卡門渦列。如果平行流動(dòng)的水流中放置一個(gè)物體，而且這個(gè)物體是圓柱體的并順垂直流向安放的，當(dāng)水流速度不斷提升至雷諾數(shù)Re≥3.5×106時(shí)，在這個(gè)圓柱物體的后面會(huì)出現(xiàn)兩排平行的、按一定距離交錯(cuò)排列的、方向相反的渦列，我們把這種現(xiàn)象稱為卡門渦列。在水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪葉片、導(dǎo)葉等過流部件的尾部，也有可能出現(xiàn)這種卡門渦列并引起振動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)輪葉片尾部產(chǎn)生的卡門渦列頻率與葉片自振頻率接近時(shí)，葉片將產(chǎn)生共振，使轉(zhuǎn)輪葉片嚴(yán)重?fù)p壞。

2.3電氣原因

靜態(tài)氣隙原因，安裝水輪機(jī)定子與轉(zhuǎn)子時(shí)，沒有做到安裝同心，也可能是定子與轉(zhuǎn)子本身存在質(zhì)量問題，導(dǎo)致靜態(tài)氣隙不均勻，對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行過程中的氣隙磁場(chǎng)產(chǎn)生影響，出現(xiàn)氣隙磁場(chǎng)不均勻甚至損壞情況。氣隙磁場(chǎng)損壞后，會(huì)對(duì)水輪機(jī)定子及轉(zhuǎn)子產(chǎn)生影響，導(dǎo)致水輪機(jī)振動(dòng)異常。動(dòng)態(tài)氣隙原因，水輪機(jī)磁極出現(xiàn)松動(dòng)情況，氣隙在較小的空間位置變化，導(dǎo)致水輪機(jī)振動(dòng)異常。安裝和調(diào)試水輪機(jī)過程中，由于出現(xiàn)動(dòng)態(tài)氣隙情況，導(dǎo)致水輪機(jī)振動(dòng)異常。

3水力發(fā)電廠水輪機(jī)振動(dòng)異常處理對(duì)策

3.1機(jī)械原因處理對(duì)策

針對(duì)機(jī)械軸線不對(duì)稱導(dǎo)致水輪機(jī)振動(dòng)異常情況，要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)要求規(guī)范安裝水輪機(jī)。針對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)零件引發(fā)的振動(dòng)，要在安裝調(diào)試過程中采取相應(yīng)解決措施，避免轉(zhuǎn)子出現(xiàn)不平衡情況，保證其正常運(yùn)行。

3.2水力原因處理對(duì)策

針對(duì)水輪機(jī)發(fā)電機(jī)組內(nèi)部水力不平衡導(dǎo)致的振動(dòng)異常情況，需要采取控制水流速的辦法，根據(jù)不同季節(jié)及時(shí)間變化合理制訂水流速管理方案，減少水力不平衡對(duì)水輪機(jī)運(yùn)行帶來的影響。針對(duì)水輪機(jī)尾水管凹槽導(dǎo)致的振動(dòng)異常情況，需要在安裝水輪機(jī)設(shè)備時(shí)，對(duì)尾水管凹槽進(jìn)行優(yōu)化，使其符合正常運(yùn)轉(zhuǎn)要求，降低水輪機(jī)振動(dòng)異常概率。

3.3電氣原因處理對(duì)策

針對(duì)靜態(tài)氣隙原因?qū)е碌乃啓C(jī)振動(dòng)異常情況，安裝過程中，要準(zhǔn)確對(duì)靜態(tài)氣隙進(jìn)行測(cè)量，采取合理控制措施，保證轉(zhuǎn)子與定子質(zhì)量，調(diào)整好磁極之間的靜態(tài)氣隙空間位置，提高水輪機(jī)的支撐能力及動(dòng)態(tài)平衡精度。針對(duì)動(dòng)態(tài)氣隙原因造成的影響，對(duì)水輪機(jī)零件進(jìn)行加工時(shí)，要提高精準(zhǔn)度，保證零件質(zhì)量。運(yùn)輸水輪機(jī)的過程中要做好保護(hù)工作，規(guī)范合理地對(duì)水輪機(jī)進(jìn)行安裝調(diào)試，后期維護(hù)保養(yǎng)也要著重關(guān)注動(dòng)態(tài)氣隙，避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁極松動(dòng)問題，降低事故風(fēng)險(xiǎn)。

結(jié)語

除上述論述的故障原因外，水輪機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生還有許多因素。在實(shí)際的故障診斷與排除中，需要維修人員根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)機(jī)組各部件工況以及部件更換時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)的排除，以此避免振動(dòng)故障造成的機(jī)組安全隱患，保障水輪機(jī)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

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