振擺監(jiān)測裝置在水電廠燈泡貫流式機(jī)組上的應(yīng)用及振動原因分析

王青華，蘇文俊

（1．蘭州江明水利水電工程設(shè)計咨詢有限公司，甘肅 蘭州 730000；2．三峽新能源西北分公司 清水綿諸風(fēng)電場，甘肅 清水 741400）

貫流式水輪發(fā)電機(jī)組適用于低水頭、側(cè)重于引水式的臥式水輪發(fā)電機(jī)組，對振動、擺度要求較高，通過振擺監(jiān)測裝置對X、Y坐標(biāo)軸方向承受的燈炮頭自身重量及集正推軸承和反推軸承為一體的組合式軸承進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

1 水輪基本參數(shù)

水輪機(jī)型式:雙調(diào)節(jié)（燈泡貫流式）；水輪機(jī)型號:GZ995a-WP-330；轉(zhuǎn)輪直徑:3.3 m；最大水頭:19.0 m；額定水頭:17.2 m；最小水頭:14.5 m；額定流量:80.9 m3/s；額定功率:12.82 MW；額定轉(zhuǎn)速:200 r/min；額定效率:93.9%；導(dǎo)葉最優(yōu)開度:53°，導(dǎo)葉最大開度:76°；槳葉最大開度:38°，最小開度:8°。

2 振動擺度監(jiān)視裝置及系統(tǒng)的構(gòu)成

振動擺度監(jiān)視控制裝置由傳感器、監(jiān)視儀表和連接電纜等部件組成。配接電渦流傳感器時組成擺度監(jiān)視系統(tǒng)，配接低頻振動傳感器時組成振動監(jiān)視系統(tǒng)。技術(shù)功能主要有實(shí)時監(jiān)測、實(shí)時分析、運(yùn)行記錄、特況錄波追記、在線分析等，儀表默認(rèn)設(shè)置為擺度監(jiān)視儀，通過儀表面板的鍵碼輸入可將該儀表設(shè)置為振動監(jiān)視儀。無論儀表設(shè)置為何種監(jiān)視狀態(tài)，均可接收13個通道信號，并將各通道的信號獨(dú)立顯示，同時輸出與顯示值對應(yīng)的模擬量信號。每一通道可設(shè)置4級不同顏色報警。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu):系統(tǒng)由一個或多個計算機(jī)節(jié)點(diǎn)組成，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)其功能分為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)服務(wù)節(jié)點(diǎn)、系統(tǒng)服務(wù)節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測分析節(jié)點(diǎn)等，每一個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)一臺電腦或一臺采集器，節(jié)點(diǎn)間通過以太網(wǎng)連接。根據(jù)系統(tǒng)規(guī)模和現(xiàn)場實(shí)際需求，可將一些功能節(jié)點(diǎn)合并到同一臺電腦上，以減少部署的設(shè)備數(shù)量；監(jiān)測數(shù)據(jù)服務(wù)、系統(tǒng)服務(wù)和WEB服務(wù)可部署在同一臺電腦上。系統(tǒng)參數(shù)、數(shù)據(jù)存儲、WEB服務(wù)等功能模塊安裝在一個獨(dú)立的服務(wù)器上（如果系統(tǒng)龐大，為提高系統(tǒng)性能可分別安裝在不同的服務(wù)器上）。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測分析節(jié)點(diǎn)都要從服務(wù)器下載參數(shù)，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)把數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器存儲。數(shù)據(jù)采集過程如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集示意

3 振擺測點(diǎn)布置

振擺測點(diǎn)布置合理和信號獲取都是發(fā)電機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)分析的重要環(huán)節(jié)，測點(diǎn)布設(shè)位置直接影響數(shù)據(jù)分析和故障診斷的可靠度。根據(jù)機(jī)組的振擺特性，各測點(diǎn)的布置取決于機(jī)組運(yùn)行規(guī)律和設(shè)備特點(diǎn)。振擺裝置實(shí)時巡檢13個點(diǎn)，其中X、Y振動方向4個點(diǎn)（組合軸承、水導(dǎo)軸承），X、Y方向擺度8個點(diǎn)（組合軸承、水導(dǎo)軸承、轉(zhuǎn)輪室、燈泡頭），尾水管壓力脈動1個點(diǎn)。機(jī)組運(yùn)行過程中可根據(jù)正常運(yùn)行時的振動、擺度參考范圍（表1）對振動、擺度進(jìn)行修正。

表1 機(jī)組正常運(yùn)行時振動、擺度范圍

4 影響燈泡貫流式機(jī)組振動及擺度的因素

一是水頭引起的振動。在偏離設(shè)計工況下運(yùn)行，特別是在低水頭下運(yùn)行時一般都存在一個振動區(qū)，通常為額定負(fù)荷的35%～75%。機(jī)組低水頭、低負(fù)荷運(yùn)行時，轉(zhuǎn)輪葉片的沖角變化較大，使葉片產(chǎn)生強(qiáng)烈的渦流，機(jī)組除嚴(yán)重空蝕外，還會引起旋轉(zhuǎn)部分和尾水管的振動。當(dāng)機(jī)組上下游水位波動較大時，若上游攔污柵堵塞嚴(yán)重，壓差過大或當(dāng)機(jī)組調(diào)速器的水頭設(shè)置與實(shí)際水頭不一致時，也會引起機(jī)組振動。

二是機(jī)組制造、設(shè)計、加工、安裝質(zhì)量或參數(shù)設(shè)置不合理引起的振動。水輪發(fā)電機(jī)是一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的水利發(fā)電裝置，在機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)換的過程中，定子與轉(zhuǎn)子外沿之間的氣隙不均勻，導(dǎo)致定子與轉(zhuǎn)子之間的磁拉力不平衡，從而引起發(fā)電機(jī)的電磁振動。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的重量不同、非標(biāo)的磁軛厚度部件會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)不平衡、軸瓦間隙大，從而引起振動。因此，機(jī)組旋轉(zhuǎn)部分的動平衡必須滿足要求。

三是導(dǎo)葉和葉片組合參數(shù)設(shè)置不正確引起的振動。燈泡貫流式機(jī)組一般采用導(dǎo)葉和槳葉雙重調(diào)節(jié)，協(xié)聯(lián)關(guān)系的正確設(shè)定可以使水輪機(jī)導(dǎo)葉和槳片開度隨著機(jī)組負(fù)荷的增加或減少而同時改變，形成最佳協(xié)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)水輪機(jī)的水力損失最小化，使得機(jī)組能夠在最佳工作條件下或接近最佳工作條件下運(yùn)行。橫丹水電站設(shè)計穩(wěn)定運(yùn)行范圍為最高水頭19 m、最低水頭14.5 m，水輪機(jī)可在空載或35%～100%額定功率范圍內(nèi)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)水輪機(jī)導(dǎo)葉和槳葉協(xié)聯(lián)的參數(shù)設(shè)置不正確時，機(jī)組出力受到限制，不能保證最佳運(yùn)行工況。轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動的過程中槳葉的葉沖角一直在變化，作用在葉片上的力和葉片的扭矩也發(fā)生變化，使機(jī)組產(chǎn)生徑向振動。槳葉動應(yīng)力急劇增加，導(dǎo)致葉片振動。導(dǎo)葉與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)配水環(huán)的連接處以及槳葉與轉(zhuǎn)輪輪轂的連接處產(chǎn)生疲勞裂紋。

四是空氣進(jìn)入機(jī)組轉(zhuǎn)輪引起的振動。在水流速度較大時，會在進(jìn)水口上端部位不斷形成漩渦，機(jī)組負(fù)荷逐漸增加時漩渦的旋轉(zhuǎn)深度隨之加大，將外界的大量空氣帶入水輪機(jī)的工作部件內(nèi)部。同時在水流和壓差的作用下，機(jī)組負(fù)荷越是加大，漩渦就越深，被帶入的空氣就越多，振動隨之越大；另一方面，空氣進(jìn)入轉(zhuǎn)輪也會引起工作部件產(chǎn)生氣蝕，氣蝕對機(jī)組振動也有一定的影響。

五是調(diào)速器系統(tǒng)引起的機(jī)組振動。調(diào)速器系統(tǒng)伺服引導(dǎo)閥動作穩(wěn)定可靠、靈敏性能好，但對調(diào)速器系統(tǒng)的油質(zhì)要求較高，當(dāng)因油質(zhì)問題造成調(diào)速器引導(dǎo)閥或主配閥卡塞時，調(diào)速器自動跟蹤并調(diào)節(jié)至給定負(fù)荷為止，導(dǎo)致調(diào)速器調(diào)節(jié)通流油量急劇變化，槳葉操作油管的振動加強(qiáng)，槳葉開度調(diào)整幅度變大，機(jī)組出現(xiàn)瞬時振動。

5 改進(jìn)措施及建議

一是調(diào)節(jié)庫區(qū)水位，保持機(jī)組高水頭運(yùn)行。按照來水流量調(diào)整機(jī)組出力，避開機(jī)組振動區(qū)；通過樞紐清污機(jī)、前池攔污柵定期清污避免壓差過大，避免空氣進(jìn)入流道，破壞水流穩(wěn)態(tài)，引起機(jī)組振動。

二是通過分析機(jī)組各組成部件的運(yùn)行狀態(tài)，開展針對性檢修、維護(hù)工作。充分利用振擺監(jiān)測系統(tǒng)，在機(jī)組定期檢修或年度檢修時對大軸軸線狀態(tài)、小軸端或發(fā)導(dǎo)軸承狀態(tài)進(jìn)行分析判斷。

大軸軸線狀態(tài):通過收集包括受油器小軸端或發(fā)導(dǎo)軸承X、Y徑向擺度頻率數(shù)據(jù)，組合軸承X、Y徑向擺度頻率數(shù)據(jù)，水導(dǎo)軸承X、Y徑向擺度頻率數(shù)據(jù)及徑相信號等。在機(jī)組大軸上選取兩個任意截面，根據(jù)截面上采集的軸心軌跡數(shù)據(jù)繪制出機(jī)組軸線空間軌跡圖，這樣就能掌握機(jī)組大軸的空間運(yùn)動軌跡、振動擺度的頻率參數(shù)、軸重心偏移軌跡趨向，配合機(jī)組投運(yùn)前設(shè)計院提供的機(jī)組工況參數(shù)曲線圖，全面分析機(jī)組大軸的靜態(tài)彎曲狀況和機(jī)組在各種工況下運(yùn)行時機(jī)組大軸動態(tài)彎曲情況，然后調(diào)整大軸軸線。

小軸端或發(fā)導(dǎo)軸承狀態(tài):首先，分析組合軸承工作狀態(tài)。觀測組合軸承X、Y徑向擺度頻率，X、Y徑向振動頻率，軸向Z振動頻率，觀測組合軸承瓦溫，軸承進(jìn)、出口油溫等監(jiān)測信號，并收集整理。其次，分析水導(dǎo)軸承工作狀態(tài)。觀測水導(dǎo)軸承X、Y徑向擺度頻率，X、Y徑向振動頻率，軸向Z振動頻率，觀測水導(dǎo)瓦溫，水導(dǎo)瓦進(jìn)、出口油溫等監(jiān)測信號，并收集整理。每個軸承部位通過正交的兩個電渦流傳感器可測出大軸運(yùn)動的軸心軌跡，很多故障特征數(shù)據(jù)與軸心軌跡有明顯的對應(yīng)關(guān)系?？茖W(xué)分析上述信號，還可找到軸承的缺陷，并加以修正。

大軸、組合軸承和水導(dǎo)軸承的任何故障和缺陷，都會對擺度、振動、溫度等產(chǎn)生影響，被監(jiān)測系統(tǒng)捕捉感知后，幅值、頻率、相位等都會發(fā)生改變，最終通過協(xié)聯(lián)關(guān)系匹配出相應(yīng)的故障原因，運(yùn)行單位要據(jù)此制定相應(yīng)的檢修計劃。

三是調(diào)速器系統(tǒng)檢修過程中，對引導(dǎo)閥過濾器進(jìn)行清洗，對引導(dǎo)閥活塞、主配活塞進(jìn)行檢查，測量其間隙及磨損情況，對調(diào)速器管路進(jìn)行沖洗；根據(jù)燈泡貫流式機(jī)組的特點(diǎn)，調(diào)速器系統(tǒng)在檢修后應(yīng)加注新油，并根據(jù)機(jī)組動態(tài)試驗(yàn)及修前的數(shù)據(jù)分析，確定適合當(dāng)前機(jī)組運(yùn)行的最佳導(dǎo)葉、槳葉協(xié)聯(lián)關(guān)系，使機(jī)組盡可能處于最優(yōu)工況運(yùn)行。

6 結(jié)束語

自1933年以來，燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組在我國得到了廣泛的應(yīng)用，是開發(fā)低水頭水力資源的一種新型機(jī)組，目前已成為水頭在25 m以下電站的主力機(jī)型。各水電站對燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行、檢修及維護(hù)已積累了比較豐富的經(jīng)驗(yàn)，為正確記錄橫丹水電廠燈泡貫流式水輪發(fā)電機(jī)組實(shí)際生產(chǎn)過程中的振動、擺度、壓力脈動等相關(guān)狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)故障早期征兆、故障原因，正確判斷故障發(fā)展趨勢提供了可靠的檢測依據(jù)。