水電站機(jī)組下導(dǎo)擺度突變原因分析及處理

周耘辛 張鵬 周清武

摘要： 老撾南公1水電站80 MW水輪發(fā)電機(jī)組在調(diào)試中出現(xiàn)了下導(dǎo)擺度突然增大的異常情況。為了查找導(dǎo)致該變化的原因并消除故障，主要從動靜摩擦、質(zhì)量不平衡、機(jī)組軸線、軸承滑轉(zhuǎn)子等方面開展了排查工作。結(jié)果表明：機(jī)組下導(dǎo)擺度突變是由于軸承滑轉(zhuǎn)子發(fā)生傾斜缺陷造成的。為此，通過開展動平衡試驗和采取監(jiān)測探頭下移等措施，使下導(dǎo)擺度數(shù)據(jù)得到明顯改善，達(dá)到了預(yù)期目的。對該水輪發(fā)電機(jī)下導(dǎo)擺度突變現(xiàn)象的原因分析及故障處理，可為其他類似故障診斷提供一定的參考。

關(guān) 鍵 詞： 水輪發(fā)電機(jī)組; 下導(dǎo)擺度; 異常突變; 故障處理; 滑轉(zhuǎn)子傾斜; 南公1水電站; 老撾

中圖法分類號： ?TV734.2+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： ?A

DOI： 10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.03.035

0 引 言

水輪發(fā)電機(jī)組各部位振動擺度作為反映機(jī)組運(yùn)行工況的重要動態(tài)指標(biāo)，對機(jī)組長期安全穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。新裝機(jī)組調(diào)試是檢驗機(jī)組設(shè)計、制造及安裝的重要環(huán)節(jié)，在調(diào)試過程中，時常會遇到一些難以預(yù)料的突發(fā)情況，有的突發(fā)情況的原因直觀易找，有的突發(fā)情況的原因復(fù)雜隱蔽，如機(jī)組異常擺度現(xiàn)象? [1] 會造成調(diào)試中斷，而這類問題的原因通常比較復(fù)雜，需要對機(jī)組結(jié)構(gòu)件的剛強(qiáng)度、主軸加工精度、滑轉(zhuǎn)子緊量? [2] 、軸領(lǐng)表面熱彎曲變形? [3] 、軸線盤車、導(dǎo)瓦間隙、轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡? [4] 、動靜摩擦? [5] 等諸多因素逐一仔細(xì)排查，直至找到真實原因。

老撾南公1水電站共裝有2臺80 MW混流式水輪發(fā)電機(jī)組，發(fā)電機(jī)為懸式結(jié)構(gòu)，額定水頭為175 m，額定轉(zhuǎn)速為333.3 r/min。發(fā)電機(jī)采用一根軸結(jié)構(gòu)，推力軸承為單波紋彈性油箱，與上導(dǎo)軸承共用一個油槽，下導(dǎo)軸承和上導(dǎo)軸承分別有8塊巴氏合金瓦。下導(dǎo)軸承主要由下導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子、下導(dǎo)軸瓦（含絕緣層）、支柱螺栓、油冷卻器、油槽密封蓋等部件組成。

2號機(jī)組首次啟動后，機(jī)組達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后的振動擺度等各項指標(biāo)均良好（上導(dǎo)47 μm、下導(dǎo)103 μm、水導(dǎo)35 μm）。在正常運(yùn)行約30 min時，下導(dǎo)擺度發(fā)生突變，由103 μm突增至750 μm;隨之水導(dǎo)增至82 μm，上導(dǎo)擺度為46 μm，幾乎無變化，下機(jī)架水平振動均增長了約10 μm，各項瓦溫數(shù)據(jù)無明顯變化。表1給出了下導(dǎo)擺度突變前后的數(shù)據(jù)對比，并結(jié)合圖1趨勢曲線，反映出下導(dǎo)擺度突變是在瞬間發(fā)生的。另外，在開、停機(jī)過程中，發(fā)現(xiàn)低轉(zhuǎn)速時下導(dǎo)擺度存在階躍現(xiàn)象，即機(jī)組轉(zhuǎn)速在30 r/min時，擺度值突變240 μm。通過開展變轉(zhuǎn)速試驗，發(fā)現(xiàn)下導(dǎo)擺度隨機(jī)組轉(zhuǎn)速的上升而降低，有明顯的陀螺效應(yīng)。為此，在下導(dǎo)軸領(lǐng)處安裝了百分表，錄像記錄的擺度值也證實了這一點。

下導(dǎo)瓦安裝總間隙為380 μm。按照國家規(guī)范要求，下導(dǎo)擺度不得超過其總間隙的75%，即285 μm，該機(jī)組在空轉(zhuǎn)狀態(tài)時的下導(dǎo)擺度突變值已遠(yuǎn)超國家規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)? [6] ，不利于機(jī)組長期穩(wěn)定運(yùn)行，必須排查原因并消除故障。

1 原因分析與排查

通常，引起機(jī)組振動擺度異常的原因有：機(jī)械不平衡、電磁不平衡、水力不平衡。機(jī)械不平衡一般反映為振動頻率與轉(zhuǎn)速一致，且與轉(zhuǎn)速平方成正比;電磁不平衡一般反映為振動隨勵磁電流增大而明顯增大;水力不平衡主要反映為振幅隨負(fù)荷或接力器行程的增減而增減? [7] 。

由于該機(jī)組下導(dǎo)擺度突變問題發(fā)生在機(jī)組空轉(zhuǎn)工況，且機(jī)組其他各項指標(biāo)均無異常，故可不考慮發(fā)電機(jī)電磁力和水輪機(jī)水力等因素的影響。本文主要從軸承與機(jī)架、動靜摩擦、質(zhì)量不平衡、機(jī)組軸線、軸承滑轉(zhuǎn)子等可能引起下導(dǎo)擺度突變的機(jī)械部位進(jìn)行了原因分析與排查。

1.1 軸承及機(jī)架

從在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析來看，下導(dǎo)擺度異常突變值較大，已超出導(dǎo)瓦總間隙380 μm一倍，不合常理。由此推測，可能存在監(jiān)測探頭松動、導(dǎo)瓦間隙變化? [8] 、機(jī)架剛度不足、機(jī)架基礎(chǔ)螺栓松動等原因。經(jīng)停機(jī)檢查，監(jiān)測探頭和機(jī)架基礎(chǔ)螺栓松動被很快排除;機(jī)架剛度檢查通過在機(jī)架不同部位架設(shè)百分表監(jiān)測，顯示實際運(yùn)行振動幅值較小，故可排除;導(dǎo)瓦間隙檢查滿足廠家設(shè)計要求，拆除導(dǎo)瓦檢查槽型絕緣、支柱螺栓? [9] 及鎖定均未發(fā)現(xiàn)異常。

根據(jù)監(jiān)測和檢查結(jié)果，可以排除因軸承及機(jī)架存在缺陷而造成下導(dǎo)擺度突變的可能性。

1.2 動靜摩擦

在拆除下導(dǎo)油箱密封蓋時，發(fā)現(xiàn)密封蓋接觸式油擋有明顯磨損痕跡，該油擋材質(zhì)為聚四氟乙烯，由于油擋與滑轉(zhuǎn)子接觸間隙不均易造成因局部摩擦導(dǎo)致受熱膨脹? [10] 。從在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析來看，當(dāng)下導(dǎo)擺度由103 μm突變到400 μm后緩慢增長，最終穩(wěn)定在750 μm。這說明下導(dǎo)擺度真實突變值為400 μm左右，下導(dǎo)擺度值的增長加劇了油擋與滑轉(zhuǎn)子的摩擦，因此，可初步判斷400～750 μm這段緩慢增長是由接觸式油擋與滑轉(zhuǎn)子持續(xù)摩擦發(fā)熱膨脹所致。接觸式油擋密封間隙經(jīng)處理后，重新開機(jī)至空轉(zhuǎn)工況，下導(dǎo)擺度值穩(wěn)定在470 μm，這也證實了上述分析。

1.3 質(zhì)量不平衡

新裝機(jī)組首次啟動時，需從穩(wěn)定性的角度評價機(jī)組的設(shè)計、制造和安裝質(zhì)量，分析各工況下質(zhì)量不平衡、磁力不平衡、水力不平衡等因素對機(jī)組穩(wěn)定性的影響。因此，在排除磁力不平衡和水力不平衡等因素后，原因排查主要從質(zhì)量不平衡來開展分析，通過采用機(jī)組動平衡方法改變運(yùn)行狀態(tài)來幫助分析和查找原因? [11] 。

該機(jī)組在下導(dǎo)擺度發(fā)生突變后，因動靜摩擦影響造成下導(dǎo)擺度值達(dá)750 μm，當(dāng)消除油擋摩擦問題后再次開機(jī)，到額定空轉(zhuǎn)狀態(tài)下導(dǎo)擺度值仍有476 μm，主要是一倍轉(zhuǎn)頻，上機(jī)架振動偏大，為34 μm，其他數(shù)據(jù)均正常，說明不平衡主要位于轉(zhuǎn)子下部。

動平衡試配重公式為

m=（5～25） G n 2R? （1）

式中： m 為試配重質(zhì)量，kg; G 為轉(zhuǎn)子重量，kg; n 為轉(zhuǎn)速，r/min; R 為配重半徑，m。

機(jī)組轉(zhuǎn)子重量為183 800 kg，配重半徑為0.72 m。根據(jù)式（1）計算得出試配重范圍 m ≈11.5～57.4 kg。具體配重情況描述如下。

（1） 第1次試配重。在轉(zhuǎn)子下圓盤逆轉(zhuǎn)速160°處試加配重塊54 kg。試配重后的下導(dǎo)擺度減小至324 μm。

根據(jù)動平衡理論，單平面動平衡方法中影響系數(shù) α?? [12] 的公式如下：

α → = A → ?1-A → ?0 P →?? （2）

式中： A? → ?0為擺度初始值，μm; P? → 為試配重量，kg; A? → ?1為配重后擺度值，μm。

根據(jù)式（2） 計算得到的影響系數(shù)為 α? → =（476-324）/54=2.81（μm/kg），通過第1次試配重得出的影響系數(shù)，擺度和振動數(shù)據(jù)減小，效果明顯。

（2） 第2次試配重。根據(jù)第1次配重情況，調(diào)整至相位100°，配重量為21 kg。試配后，機(jī)組擺度和振動都有所減小，其中上導(dǎo)、水導(dǎo)及機(jī)架振動都達(dá)到優(yōu)良，2次配重后的數(shù)據(jù)如表2所列。

根據(jù)轉(zhuǎn)子2次配重后的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了初步分析，分析結(jié)果表明，通過動平衡的方法對改善下導(dǎo)擺度有一定的效果，但該方法的作用有限。從表2數(shù)據(jù)來看，第2次試配重后下導(dǎo)擺度已降至294 μm，但下機(jī)架水平振動有所增長，上述特征說明質(zhì)量不平衡已達(dá)到零界點。另外，在動平衡試驗時，通過對機(jī)組多次開、停機(jī)，發(fā)現(xiàn)在低轉(zhuǎn)速時下導(dǎo)擺度存在階躍現(xiàn)象，即機(jī)組轉(zhuǎn)速在30 r/min時，下導(dǎo)擺度會突變至240 μm，隨后緩慢增長。經(jīng)綜合分析，認(rèn)為質(zhì)量不平衡不是造成下導(dǎo)擺度問題的主要原因。

1.4 機(jī)組軸線

通過首次啟動在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，機(jī)組手動開機(jī)至空轉(zhuǎn)工況前30 min，振動擺度等各項指標(biāo)均良好。由此說明，在安裝階段，軸線盤車數(shù)據(jù)是滿足國家規(guī)范要求的，但若在機(jī)組空轉(zhuǎn)工況時水發(fā)軸法蘭處出現(xiàn)連軸螺栓松動、斷裂等突發(fā)情況，也會造成下導(dǎo)擺度值突變。

機(jī)組調(diào)試中，盤車采用電動盤車工具，重新盤車需拆除軸頭以上的所有部件，其工作量較大、耗時較長。為此，參建各方爭議較大，主要認(rèn)為主軸及連軸螺栓剛強(qiáng)度設(shè)計和制造出現(xiàn)問題的概率較低，況且相同的另一臺機(jī)已順利完成各項試驗的檢驗。考慮到造成下導(dǎo)擺度值突變原因的復(fù)雜性，為了更準(zhǔn)確地找到真實原因，最終確定采用大工作量的重新整體盤車檢查方案。

由表3盤車數(shù)據(jù)可知：下導(dǎo)最大全擺度在0.03 mm以內(nèi)? [7] ，水導(dǎo)最大全擺度在0.07 mm以內(nèi)。根據(jù)盤車計算測量位置至鏡板距離，再計算各部位相對擺度：下導(dǎo)為0.01 mm/m（國標(biāo)允差0.02 mm/m），水發(fā)軸法蘭為0.02 mm/m（國標(biāo)允差0.02 mm/m），水導(dǎo)為 0.007 ?mm/m（國標(biāo)允差0.04 mm/m）。機(jī)組軸線各部位盤車結(jié)果均滿足國標(biāo)要求，與安裝階段數(shù)據(jù)對比基本一致，未見異常，故可排除因機(jī)組軸線存在缺陷造成下導(dǎo)擺度突變的可能性。

1.5 軸承滑轉(zhuǎn)子

為檢查滑轉(zhuǎn)子狀態(tài)，可在機(jī)組軸線盤車的同時檢查滑轉(zhuǎn)子不同部位的擺度。該機(jī)組下導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子高度為700 mm，經(jīng)現(xiàn)場實測，有足夠空間能在下導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子上、中、下3個部位各架設(shè)百分表盤車測量。

由表4可知：滑轉(zhuǎn)子上、中、下3個部位盤車數(shù)據(jù)呈相反趨勢，且越往下部趨勢越明顯，可判斷滑轉(zhuǎn)子已出現(xiàn)傾斜，并存在一定不同心。至此，可認(rèn)為滑轉(zhuǎn)子傾斜是造成下導(dǎo)擺度突變的原因。

2 滑轉(zhuǎn)子傾斜原因分析

該項目發(fā)電機(jī)軸采用一根軸設(shè)計，轉(zhuǎn)子圓盤支架與軸焊接成整體后，在廠內(nèi)完成精加工。其中滑轉(zhuǎn)子采用熱套工藝，在熱套至主軸預(yù)定位置后與主軸整體加工而成，以保證其加工精度。

主軸在出廠驗收和現(xiàn)場安裝盤車檢查數(shù)據(jù)均滿足廠家設(shè)計要求，這也充分解釋了機(jī)組在首次啟動前30 min各項振動擺度數(shù)據(jù)均良好的現(xiàn)象。通過研究下導(dǎo)擺度突變過程細(xì)節(jié)，并結(jié)合盤車數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，判斷下導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子傾斜可能原因如下：

（1） 滑轉(zhuǎn)子在熱套某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，造成滑轉(zhuǎn)子未熱套至主軸預(yù)定位置，隨后轉(zhuǎn)序精加工，誤認(rèn)為是正確加工。

（2） 在機(jī)加工過程中因發(fā)熱膨脹或其他不明原因，造成滑轉(zhuǎn)子偏移主軸預(yù)定位置，精加工后出廠檢測數(shù)據(jù)顯示正常。

當(dāng)在機(jī)組運(yùn)行后，滑轉(zhuǎn)子因離心力和熱膨脹作用，某一側(cè)重新復(fù)位至主軸預(yù)定位置，此時已加工定型，滑轉(zhuǎn)子上端面與主軸倒角處端面出現(xiàn)微量錯位臺階，從而造成滑轉(zhuǎn)子傾斜。

3 故障處理

在不同水電站項目，運(yùn)行機(jī)組在離心力和慣性力作用下，滑轉(zhuǎn)子因熱套過盈量不足或摩擦發(fā)熱膨脹導(dǎo)致其整體松動、浮動等問題時有發(fā)生? [13] 。對于類似問題的處理一般有以下2種方法：

（1） 提高滑轉(zhuǎn)子與主軸的裝配預(yù)緊量? [14] ，比如重新加工、熱工噴涂等，可以徹底解決問題，但具有處理周期長、工作量大等特點。

（2） 在滑轉(zhuǎn)子頂部加焊擋塊? [15] ，利用擋塊強(qiáng)行壓住滑轉(zhuǎn)子，防止其浮動，可快速改善滑轉(zhuǎn)子浮動問題，省時省力，但不能徹底解決滑轉(zhuǎn)子誤加工后下沉引起的擺度偏大問題。

在機(jī)組調(diào)試中發(fā)生滑轉(zhuǎn)子傾斜突變，相比滑轉(zhuǎn)子松動、整體上浮等缺陷引起的擺度變化的情況更為少見，而且具有一定的隱蔽性，原因查找難度大，以往處理經(jīng)驗也難以借鑒。由于該項目的發(fā)電機(jī)是采用一根軸的設(shè)計，若返廠重新加工處理滑轉(zhuǎn)子需拆除整個轉(zhuǎn)子，工程量和工期耗費(fèi)巨大，并會帶來發(fā)電、市場等方面的重大經(jīng)濟(jì)損失，因此現(xiàn)場處理未優(yōu)先采用該處理方案。

通過研究滑轉(zhuǎn)子盤車數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)原下導(dǎo)探頭位置與導(dǎo)瓦存在一定的不同心，其盤車數(shù)據(jù)相比滑轉(zhuǎn)子工作面要大，說明原探頭位置未能真實反映下導(dǎo)實際擺度。為解決該問題，現(xiàn)場重新制作探頭支架，將該探頭下移至油槽內(nèi)靠近到導(dǎo)瓦處，現(xiàn)探頭位置如圖2所示。調(diào)整位置后，現(xiàn)探頭更接近導(dǎo)瓦工作面，更能真實地反映下導(dǎo)實際擺度。

探頭調(diào)整位置后，重新開機(jī)至空轉(zhuǎn)和帶負(fù)荷工況，此時顯示下導(dǎo)擺度值恢復(fù)正常，機(jī)組各部位擺度和振動水平穩(wěn)定且滿足國家規(guī)范要求（數(shù)據(jù)見表5），啟、停機(jī)過程中的低轉(zhuǎn)速擺度階躍現(xiàn)象也已消失。該機(jī)組隨后經(jīng)過了過速試驗、甩負(fù)荷試驗、72 h連續(xù)試運(yùn)行等試驗考核，并在重點監(jiān)護(hù)下完成了一個多月的商業(yè)運(yùn)行，下導(dǎo)擺度值已沒有變化，機(jī)組其他各部位的擺度振動也都較小，連續(xù)運(yùn)行平穩(wěn)。

根據(jù)該機(jī)組調(diào)試、試運(yùn)行和商業(yè)運(yùn)行期間的擺度振動結(jié)果，可以認(rèn)為在擺度突變后，將下導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子復(fù)位至主軸預(yù)定位置，下導(dǎo)滑轉(zhuǎn)子已穩(wěn)定牢固，滑轉(zhuǎn)子現(xiàn)有緊量滿足設(shè)計要求。至此，該故障問題得以成功解決，說明下導(dǎo)擺度探頭位置下移的處理方案是合理的，處理結(jié)果也得到了外方咨詢工程師的認(rèn)可，避免了大量工作量和重大經(jīng)濟(jì)損失。

4 結(jié) 論

新裝機(jī)組調(diào)試是檢驗機(jī)組設(shè)計、制造及安裝的重要環(huán)節(jié)，機(jī)組異常擺度現(xiàn)象會造成調(diào)試中斷，造成這類問題的原因通常比較復(fù)雜。本文針對老撾南公1水電站2號機(jī)組首次啟動試驗中發(fā)生的下導(dǎo)擺度突變的問題，從軸承與機(jī)架、動靜摩擦、質(zhì)量不平衡、機(jī)組軸線、軸承滑轉(zhuǎn)子等可能引起下導(dǎo)擺度突變的機(jī)械部位進(jìn)行了系統(tǒng)性分析與排查，同時，通過數(shù)據(jù)分析，找到了問題癥結(jié)所在并根據(jù)具體情況采取了簡單易行、合理可靠的方法解決了該問題，從而得出以下結(jié)論。

（1） 該機(jī)組首次啟動時下導(dǎo)擺度發(fā)生突變，主要為軸承滑轉(zhuǎn)子傾斜所致，但下導(dǎo)軸承滑轉(zhuǎn)子傾斜至預(yù)定位置后穩(wěn)定牢固。將下導(dǎo)擺度探頭調(diào)整至油槽內(nèi)更靠近到導(dǎo)軸承瓦的位置后，機(jī)組在調(diào)試、試運(yùn)行和商業(yè)運(yùn)行期間的下導(dǎo)擺度值再也沒有發(fā)生變化，機(jī)組其他各部位的擺度振動值也都較小;機(jī)組各軸承的擺度和振動水平穩(wěn)定且滿足國家規(guī)范要求;啟停機(jī)過程中低轉(zhuǎn)速擺度階躍現(xiàn)象也已消失。

（2） 水輪發(fā)電機(jī)軸承滑轉(zhuǎn)子的制造、裝配質(zhì)量與機(jī)組運(yùn)行振動擺度水平有較強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性。當(dāng)其設(shè)計或制造環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題時，難以從根本上消除故障或解決問題的代價會很大，相關(guān)單位應(yīng)高度重視，加強(qiáng)設(shè)計把關(guān)和制造、安裝的工藝控制。

（3） 對于采用熱套工藝組裝的軸承滑轉(zhuǎn)子，應(yīng)在主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計上采取防止滑轉(zhuǎn)子因軸向移動引起傾斜的預(yù)防措施。

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（編輯：趙秋云）

Analysis and treatment of lower guide swing mutation of Namkong-1 Hydropower Station

ZHOU Yunxin 1，ZHANG Peng 1，ZHOU Qingwu 2

（ 1.China International Water & Electric Co.，Ltd.，Beijing 101100，China; 2.Dongfang Electric Machinery Co.，Ltd.，Deyang 618000，China ）

Abstract：

During the commissioning of an 80MW hydro-generator unit of Namkong-1 Hydropower Station in Laos，there was an abnormal situation which was the sudden increase of the lower guide swing.In order to find out the cause of the change and eliminate the fault，an investigation was carried out from the aspects of dynamic and static friction，mass imbalance，unit axis and bearing sliding rotor.The results showed that the mutation of the lower guide swing of the unit was caused by the tilt of the bearing sliding rotor.Through measures such as dynamic balance test and lowering the position of monitoring probe，the lower guide swing data was significantly improved and the expected purpose was achieved.This article introduced the cause analysis and fault handling of the mutation of the lower guide swing of the hydro-generator，which can be used as a reference for improving the efficiency and accuracy of similar fault diagnoses.

Key words：

hydro-generator unit;lower guide swing;abnormal mutation;fault handling;sliding rotor tilt;Namkong-1 Hydropower Station;Laos