水電機組擺度周期性波動問題的分析和研究

李志華,汪安海,徐楠楠,曾學(xué)杰,萬 路,李 虎,周科衡

(1.西安熱工研究院有限公司,西安 710032;2.華能瀾滄江水電股份有限公司,昆明 650206)

0 前言

“雙碳” 目標背景下,水力發(fā)電在電網(wǎng)系統(tǒng)承擔(dān)調(diào)相、調(diào)頻、調(diào)峰的優(yōu)勢日益凸顯,對機組安全穩(wěn)定運行的要求也越來越高。上機架是水電機組上導(dǎo)軸承徑向受力的傳遞構(gòu)件,上導(dǎo)擺度大、上機架振動超標等問題在電廠頻繁出現(xiàn),相關(guān)學(xué)者對此進行了深入的研究[1-4]。二灘水電廠通過頻譜分析和動平衡試驗對上導(dǎo)擺度超標問題進行了分析[5],發(fā)現(xiàn)匝間短路造成的不平衡磁拉力是導(dǎo)致上導(dǎo)擺度超標的主要因素;緊水灘水電站采用軸線調(diào)整、受力與中心調(diào)整和發(fā)電機氣隙調(diào)整等方法有效地解決了上導(dǎo)擺度超標問題[6];王建等人通過對上機架剛度不足引起的振擺特征進行分析,發(fā)現(xiàn)上機架千斤頂?shù)腻e誤安裝方式可引起剛度不足和機組振擺超標[7];李延頻等人采用動平衡試驗方法處理了三門峽水電站3 號機組發(fā)電機振擺超標的問題,并取得了較好的效果[8];毛子首等人分析了上機架和定子系統(tǒng)剛度引起的機組振動特征及動態(tài)特性[9];張軍等人從工程實踐角度出發(fā),總結(jié)了鋼結(jié)構(gòu)連接方式的優(yōu)劣,客觀分析了焊接熱影響區(qū)、殘余應(yīng)力、低溫冷脆等缺點對機組振動的影響[10]。關(guān)于燃煤、核電及抽蓄機組的振動和擺度治理研究也有很多,且取得了較好的動平衡治理效果[11-15];一些學(xué)者和技術(shù)人員還結(jié)合工程案例從信號的處理、故障診斷、振擺算法等角度對振動和擺度進行了分析計算,為電站故障診斷和振動問題的處理提供了參考依據(jù)[16-20]。由上述研究現(xiàn)狀可知,關(guān)于機組上機架振擺超標的原因分析和處理措施的文獻已有很多,但是影響機組上導(dǎo)軸承擺度呈周期性波動的因素涉及電氣、測量、機械、金屬材料、安裝施工等不同領(lǐng)域,目前相關(guān)的分析研究相對較少。

基于此,本文以某水電站機組為例,從上導(dǎo)擺度峰峰值和平均值測量原理出發(fā),通過機組運行參數(shù)進行驗證,得出上導(dǎo)擺度峰峰值呈周期性波動是由大部件金屬結(jié)構(gòu)的非對稱蠕變造成的結(jié)論,且詳細地記錄了分析過程。

1 問題描述

某水電站安裝有4 臺混流式水輪發(fā)電機組。機組軸系由三段組成,自下而上分別為水輪機主軸、發(fā)電機主軸和滑轉(zhuǎn)子,發(fā)電機采用密閉自循環(huán)空氣冷卻系統(tǒng),現(xiàn)場5 瓣組圓,自并勵靜止可控硅整流勵磁裝置。上機架支臂為14 個,呈螺旋狀沿中心體外緣均勻分布,支臂徑向中心線和上機架中心體切線的夾角為76°?，F(xiàn)場裝配中心體和支臂,并將其焊接為一體,支臂和基礎(chǔ)板之間采用工字鋼過渡并與基礎(chǔ)板把合,上機架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機組上機架結(jié)構(gòu)示意圖

該電站自首臺機組投產(chǎn)以來,發(fā)電機組上導(dǎo)軸承擺度存在如下異常波動規(guī)律:上端軸擺度峰峰值隨時間在24h 內(nèi)呈正弦變化規(guī)律,具體如圖2所示,波動峰值出現(xiàn)在6∶00～9∶00 時段,谷值在17∶00～19∶30 時段。當(dāng)4 臺機組停機后再次開機,從開機至并網(wǎng)的短時間內(nèi)表現(xiàn)不盡相同,但是在帶負荷連續(xù)運行24h 以上時,上端軸擺度峰峰值均出現(xiàn)周期性波動,且運行時間越久,4 臺機組表現(xiàn)的波動規(guī)律和幅值越一致;同時,對比同一臺機組的擺度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),夏季波動幅度低于冬季波動幅度。以上異?，F(xiàn)象困擾著電站技術(shù)人員,且會影響設(shè)備的安全運行。

圖2 機組上導(dǎo)軸承擺度多日和日間擺度波動曲線

2 問題分析

為了分析4 臺機組上導(dǎo)軸承擺度峰峰值呈周期波動的原因,首先從擺度峰峰值的測量基本原理和測量系統(tǒng)構(gòu)成出發(fā)。主軸擺度峰峰值是指發(fā)電機在運行過程中,主軸相對固定部分的間隙極值大小,其測量系統(tǒng)包括信號采集系統(tǒng)和傳感器信號系統(tǒng)。其中傳感器信號系統(tǒng)由非接觸渦流探頭、固定托盤支架以及信號傳輸線纜等組成。根據(jù)傳感器系統(tǒng)構(gòu)成,則可知主軸擺度間隙峰峰值的變化情況,主要有以下3 種表現(xiàn)形式:(1)主軸晃動幅度不變,探頭基座位置變化;(2)探頭基座位置不變,主軸晃動幅度變化;(3)探頭基座位置變化且主軸晃動幅度變化。這三種情況均可能會出現(xiàn)采樣起止時刻和擺度起止時刻不重疊的情況,根據(jù)峰峰值的計算原理可知,如果采樣起止時刻和擺度起止時刻重疊,則主軸擺度間隙峰峰值不受基座蠕變的影響;如果采樣起止時刻和擺度起止時刻不重疊,則主軸擺度間隙峰峰值會受探頭基座蠕變的影響,且隨著探頭基座向主軸蠕變,峰峰值會變小,反之則變大。

為了進一步判斷表現(xiàn)形式(1)～(3)哪種更加接近機組軸系擺度峰峰的真實變化規(guī)律,以4 號機組為例進行了測試。在4 號機組上機架中心體油盆底部X向加裝臨時渦流探頭,并將上機架Y向渦流探頭更換為帶溫度補償?shù)臏u流探頭,而上機架X向探頭不做任何改動,時刻記錄機組帶負荷運行時上導(dǎo)擺度的峰峰值,測量結(jié)果如圖3所示。圖中X向擺度為原探頭測量數(shù)據(jù),Y向擺度為油盆底部X向新加裝探頭測得數(shù)據(jù),下導(dǎo)Y向擺度為上機架Y向帶有溫度補償?shù)臏u流探頭測得數(shù)據(jù)。

圖3 4 號機組不同測點數(shù)值變化

從圖3 中可以看出油盆底部探頭測得擺度峰峰值周期性波動消失,并且?guī)в袦囟妊a償?shù)奶筋^測得的數(shù)據(jù)依然存在周期波動。經(jīng)過反證法和排他性因素分析,上導(dǎo)擺度波動符合主軸晃動幅值不變,探頭基座位置發(fā)生變化,即符合表現(xiàn)形式(1)。

3 動靜態(tài)數(shù)據(jù)分析

為了分析驗證探頭蠕變產(chǎn)生的部位和可能原因,根據(jù)上機架結(jié)構(gòu)特點和探頭安裝位置,技術(shù)人員現(xiàn)場測量了機組在停機狀態(tài)下,基坑溫度、油盆蓋板和主軸之間間隙、上機架支臂與基坑之間的間隙三個量的變化。臨時測點布置如下:在基礎(chǔ)板焊接探頭支架安裝非接觸渦流探頭,在支臂外緣處焊接直角金屬貼片,測量二者的間隙(以下稱“間隙1”),用于表征機架徑向間隙和蠕變量,并實時記錄基坑溫度。為了測量上機架支臂在X方向和Y方向的蠕變值并驗證渦流探頭測量結(jié)果的可靠性,分別在X方向和Y方向支臂與基礎(chǔ)之間增設(shè)機械百分表,其測量結(jié)果分別稱為“間隙2” 和“間隙3”,機械百分表只可監(jiān)測靜態(tài)上機架間隙的蠕變過程數(shù)據(jù)。非接觸渦流探頭及機械百分表的具體布置如圖4 和圖5所示。

圖4 4 號機組非接觸渦流探頭安裝位置示意圖

圖5 4 號機組機械百分表安裝位置

發(fā)電機基坑周圍主要材料為基坑鋼板內(nèi)襯和鋼筋混凝土,且根據(jù)混凝土和金屬的物理特性可知,上機架金屬部件的熱傳導(dǎo)率及線性膨脹系數(shù)約為混凝土的50 倍,并且鋼板內(nèi)襯厚約35mm,因此基坑內(nèi)基礎(chǔ)板的位移和蠕變相對較小、較慢,在數(shù)據(jù)分析時可看成死點。

3.1 靜態(tài)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)圖4 和測量原理可知,機組在停機下記錄的間隙數(shù)值反映了機組上機架和基礎(chǔ)板之間的相對距離,且通過分析可知,基坑內(nèi)基礎(chǔ)板的位移和蠕變相對較小較慢,因此該相對間隙可認為是上機架的蠕變量。4 號機組2022年1月19～23日處于停機狀態(tài),監(jiān)測間隙1 和基坑溫度的變化,結(jié)果如圖6所示。

圖6 4 號機組基坑溫度和間隙1 變化曲線

4 號機組在1月19～23日處于停機狀態(tài),停機后基坑溫度持續(xù)降低,由原來的27.5℃降至21.5℃,變化接近6℃,間隙1 由起始的580μm 降至410μm,總歷經(jīng)時間為110h。從圖6 中可以看出,間隙1 和溫度隨時間的增加呈類線性下降趨勢。具體數(shù)據(jù)為:1月19日02 ∶00,溫度和間隙1 分別為27.6℃和586.5μm,1月20日02 ∶00 溫度和間隙1 分別為25.6℃和556.5μm,間隙1 在24h 內(nèi)變化了30.0μm,溫度變化了2.0℃;1月22日15∶00,溫度和間隙1分別為22.7℃和446.0μm,1月23日15∶00 溫度和間隙1 分別為21.6℃和411.5μm,間隙1 在24h 內(nèi)變化了34.5μm,溫度變化了1.1℃。

人工讀取4 號機組上機架X、Y向百分表測量的間隙數(shù)值,繪制相應(yīng)的溫度、間隙變化曲線,如圖7和圖8所示,根據(jù)測點布置的位置,圖中“ -” 表示向內(nèi)側(cè)移動,“ +” 表示向外側(cè)移動。

圖7 間隙2 及溫度的變化曲線(X 向)

圖8 間隙3 及基坑溫度的變化曲線(Y 向)

從圖7 和圖8 可以看出,上機架X、Y向間隙2、間隙3 及溫度均隨時間的增加呈下降趨勢,該變化趨勢與間隙1 變化趨勢相同,數(shù)值相近。X向和Y向支臂與基礎(chǔ)板之間的間隙縮脹量并不一致,Y向較X向大40μm,即X向和Y向支臂在相同溫度變化時出現(xiàn)了非對稱蠕變。

通過靜態(tài)數(shù)據(jù)分析可知,機組上機架隨基坑溫度下降而產(chǎn)生蠕變,表現(xiàn)規(guī)律為:間隙1 隨基坑溫度的降低而減小,即溫度越低,間隙越小,基礎(chǔ)板和機架支臂的距離越小。機械百分表測得的數(shù)據(jù)變化趨勢和渦流探頭測得的數(shù)據(jù)規(guī)律一致,方向相同,但機架X向和Y向的蠕變量不一致。

3.2 瞬態(tài)過程數(shù)據(jù)分析

4 號機組在2022年1月17日和23日分別啟動并網(wǎng)帶負荷運行,其中17日啟停兩次,分別為10∶00和16∶00,23日啟停一次,為15∶00,間隙1 和基坑溫度隨機組啟動的瞬變過程如下。

啟動中和啟動后基坑溫度符合如下規(guī)律:機組啟動中因通入冷卻水,基坑溫度迅速由25℃降低至18℃;機組并網(wǎng)后,隨著發(fā)電機電磁發(fā)熱、鼓風(fēng)發(fā)熱、摩擦發(fā)熱等發(fā)熱量的增加,抑制了基坑溫度下降的速度,基坑溫度最終維持在15℃±0.5℃范圍。啟動過程中基坑溫度經(jīng)歷了先快速下降,而后緩慢下降,最終維持在某一發(fā)熱和散熱的平衡狀態(tài)。停機后基坑溫度符合如下規(guī)律:機組惰走期間,基坑溫度先由15.6℃經(jīng)5min 上升至17.6℃,后經(jīng)5min 上升至19.87℃,再經(jīng)5min 上升至20.0℃,又經(jīng)70min 上升至25.5℃,隨著金屬部件、轉(zhuǎn)子和定子等蓄熱的持續(xù)釋放,最終維持在26.5℃。待發(fā)電機上蓋板、下蓋板和風(fēng)洞處的熱輻射交換量大于蓄熱部件釋放的熱量后,基坑溫度開始緩慢下降,停機后,基坑溫度經(jīng)歷了先快后慢下降,再穩(wěn)定的溫度變化規(guī)律。因蓄熱部件的熱量釋放和基坑蓋/壁周圍的熱輻射交換均比較緩慢,所以停機溫度變化較啟動時緩慢的多,具體數(shù)據(jù)如圖9所示。

機組啟動時,間隙1 并未發(fā)生明顯改變,經(jīng)5min后間隙1 值由539μm 升至545μm,后經(jīng)歷15min 降至416μm,再經(jīng)歷15min 持續(xù)降至382μm,之后緩慢下降,最終維持在360μm±5μm,間隙1 從開始變化至最終穩(wěn)定共持續(xù)了約90min,大概呈現(xiàn)了先升后降,先快后慢并經(jīng)較長時間穩(wěn)定的變化規(guī)律。機組停機后惰走期間,間隙1 由376μm 升至447μm,機組完全停穩(wěn)5min 后,間隙1 升至461μm,后經(jīng)5min 升至468μm,再經(jīng)5min 升至473μm,又經(jīng)70min 上升至497μm,隨著基坑內(nèi)新的熱平衡的建立,間隙1 數(shù)值也逐漸升至513μm,并隨著基坑溫度的穩(wěn)定而穩(wěn)定。通過瞬態(tài)過程數(shù)據(jù)的分析可知,基坑溫度變化和間隙1 變化一一對應(yīng),即溫度高間隙1 變大,溫度低間隙1 變小。

根據(jù)靜態(tài)數(shù)據(jù)間隙1、間隙2、間隙3 隨溫度降低而減小,瞬態(tài)數(shù)據(jù)間隙1 隨溫度升降而增減且變化幅值和溫度變化一一對應(yīng),可以得出,當(dāng)機架和基礎(chǔ)板之間的間隙1 變小,則支臂和中心體(大部件金屬構(gòu)件)沿徑向向外側(cè)蠕變;當(dāng)機架和基礎(chǔ)板之間的間隙1 變大,則支臂和中心體沿徑向向內(nèi)側(cè)蠕變。

3.3 運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

作者統(tǒng)計了該電站4 號機組2021年9月的運行數(shù)據(jù),主要有調(diào)速器導(dǎo)葉開度、機組有功功率、無功功率、冷卻水溫、上導(dǎo)瓦溫、空冷器冷熱風(fēng)溫度、油槽油溫、上機架振動等數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)只有集電環(huán)室溫度與上導(dǎo)擺度一一對應(yīng),且相關(guān)性較強,具體數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 4 號機組擺度和溫度變化關(guān)系

集電環(huán)室通過格柵窗口與廠房內(nèi)空氣形成熱交換,因此集電環(huán)室溫度一定程度上反映了環(huán)境溫度,特別是負荷工況無明顯變化長周期運行后,環(huán)境溫度和集電環(huán)室溫度一一對應(yīng)。從圖中可知,機組擺度最大出現(xiàn)在環(huán)境溫度最低的早上,擺度最小則出現(xiàn)在環(huán)境溫度最高的下午。考慮到空氣輻射換熱的遲滯性和慣性,集電環(huán)室的最低及最高溫度一般較環(huán)境溫度晚2～3h,因此上導(dǎo)擺度最大值出現(xiàn)在8∶00 左右,最小值出現(xiàn)在17∶30 左右。

4 結(jié)論

本文從水電機組上導(dǎo)擺度周期性波動出發(fā),根據(jù)擺度測量原理、機架結(jié)構(gòu)特征、問題排查分析、運行參數(shù)分析以及啟停過程機架和基礎(chǔ)板的間隙變化規(guī)律等,可得出如下結(jié)論:

(1)機組集電環(huán)室溫度滯后于環(huán)境溫度,因此機組上導(dǎo)擺度極值出現(xiàn)在6 ∶00～9 ∶00 時段,谷值在17∶00～19∶30 時段;

(2)根據(jù)測量原理可知,上導(dǎo)擺度間隙峰峰值變化可有三種組合情況,通過在油盆底部增加臨時探頭實時采集上導(dǎo)擺度的變化,可知機組主軸并未發(fā)生改變,進而證明了表現(xiàn)形式(1)符合上導(dǎo)周期性波動的描述;

(3)通過增加臨時探頭測量和分析機架和基坑間隙瞬靜態(tài)變化可知,基坑溫度和間隙1 的變化一一對應(yīng),且當(dāng)間隙1 變小,則支臂和中心體沿徑向向外側(cè)蠕變,當(dāng)間隙1 變大,則支臂和中心體沿徑向向內(nèi)側(cè)蠕變;

(4)通過運行數(shù)據(jù)可知,機組上導(dǎo)擺度和集電環(huán)室溫度一一對應(yīng),上導(dǎo)擺度幅值和周期與機組其他參數(shù)均無相關(guān)性。