巨型水輪發(fā)電機(jī)定子機(jī)座水平振動探討

王鵬宇，孔德寧，胡鎮(zhèn)良，宋 柯

（1.龍灘水電開發(fā)有限公司，廣西 天峨 547300；2.國電大渡河瀑布溝水力發(fā)電總廠，四川 漢源 625304）

0 前言

龍灘水電站是我國繼三峽工程后第二個安裝700 MW級水輪發(fā)電機(jī)組的水電工程。該工程也是同期相同單機(jī)容量項目中設(shè)備國產(chǎn)化率最高的特大型水電工程之一。其中發(fā)電機(jī)選擇國產(chǎn)的半傘式密閉自循環(huán)式全空冷發(fā)電機(jī)，是首個在700 MW級水輪發(fā)電機(jī)上使用全空冷技術(shù)水電站。

自2007年首臺機(jī)組發(fā)電以來總體運行指標(biāo)正常，滿足設(shè)計和合同要求。從發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定性監(jiān)測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，龍灘電站7臺機(jī)組定子機(jī)座水平振動偏大，引起了高度重視，進(jìn)行了認(rèn)真的分析研究。并比照同期建設(shè)的其他水電工程巨型機(jī)組一并進(jìn)行探討。

1 龍灘水電站發(fā)電機(jī)定子機(jī)座振動情況

發(fā)電機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1，定子機(jī)座為薄環(huán)板、斜立筋結(jié)構(gòu)，有16個主立筋。斜主立筋是阿爾斯通的專利技術(shù)，主要應(yīng)用于大型發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、機(jī)架，目的在于減小鐵芯和機(jī)座熱膨脹時因形變而產(chǎn)生的應(yīng)力。

表1 龍灘水電站發(fā)電機(jī)主要參數(shù)表

龍灘電站定子機(jī)座水平振動分別在X、Y兩個方向布置有速度型絕對值振動位移傳感器，測值為峰-峰值，頻率響應(yīng)0.5～200 Hz，測量范圍為1 000 μm，測量精度為±5%，測量元件滿足規(guī)范要求，并按技術(shù)監(jiān)督要求定期進(jìn)行檢驗，均檢驗合格。但各臺機(jī)組的定子機(jī)座水平振動監(jiān)測數(shù)值差別很大，與離線測試亦存在明顯偏差。通過檢查發(fā)現(xiàn)定子機(jī)座水平振動傳感器安裝位置高程不一致。根據(jù)GB/T 6075.5-2002《在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價機(jī)器的機(jī)械振動第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組》要求，傳感器應(yīng)安裝在支撐結(jié)構(gòu)傳遞力的代表性位置上。為尋找傳遞力的代表性位置，在垂直方向?qū)Χㄗ訖C(jī)座水平振動進(jìn)行測量。發(fā)現(xiàn)定子機(jī)座2/3處振動較大（具體測量情況見表2），因此將龍灘水電站7臺機(jī)組定子機(jī)座水平振動傳感器布置在定子機(jī)座X、Y方向高度2/3處，以保證測值是真實有效的。

龍灘水電站定子機(jī)座水平振動的真實情況見表3。

表2 機(jī)座振動位置對比

表3 1～7號機(jī)定子機(jī)座水平振動數(shù)據(jù)表

數(shù)據(jù)顯示，龍灘水電站各臺發(fā)電機(jī)的定子機(jī)座水平振動均超過GB/T 8564-2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的0.03 mm。但定子鐵芯水平振動數(shù)據(jù)均在合格范圍內(nèi)。這引起了工程建設(shè)單位和生產(chǎn)運行單位的高度重視，認(rèn)真分析了有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了相關(guān)試驗，進(jìn)一步分析振動產(chǎn)生的原因。

2 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)分析

2.1 振動監(jiān)測目的

機(jī)械設(shè)備振動原因多種多樣，不同特性不同強(qiáng)度的振動對不同類型設(shè)備產(chǎn)生的損害各異。對于水輪發(fā)電機(jī)定子機(jī)座振動，主要原因有定子剛度不足，受外力作用形變較大；轉(zhuǎn)子動不平衡力、水力不平衡機(jī)械不穩(wěn)定，通過連接構(gòu)件或電磁力傳遞到定子產(chǎn)生的振動；轉(zhuǎn)子本身不平衡電磁力直接作用在定子和鐵芯上，傳遞到定子機(jī)座產(chǎn)生的振動；主要構(gòu)件固有頻率與外界振動頻率耦合產(chǎn)生的自激振動；水輪機(jī)壓力脈動通過軸系和連接構(gòu)件傳遞的振動；其它機(jī)械摩擦等產(chǎn)生振動等。

定子機(jī)座振動對發(fā)電機(jī)的損害主要表現(xiàn)在經(jīng)長期高強(qiáng)度振動使鐵芯、線棒等部件加劇磨損，降低使用壽命；定子機(jī)座振動通過連接部件和電磁作用傳遞到轉(zhuǎn)動系統(tǒng)，影響正常運行質(zhì)量；結(jié)構(gòu)件受交變應(yīng)力影響，造成定子機(jī)座剛強(qiáng)度下降，甚至出現(xiàn)疲勞斷裂；嚴(yán)重時定轉(zhuǎn)子形變，發(fā)生旋轉(zhuǎn)、固定部件碰撞，造成發(fā)電機(jī)組損壞等。

因此，發(fā)電機(jī)定子振動監(jiān)測越來越受到電力行業(yè)設(shè)計、制造、運行等單位的重視，并不斷研究和總結(jié)，完善技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，力求控制在合理水平，防止設(shè)備損壞事故發(fā)生，以保證發(fā)電設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。

2.2 監(jiān)測與評價依據(jù)

對于水輪發(fā)電機(jī)組而言，振動監(jiān)測和分析評價現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)較多，但對于定子機(jī)座水平振動有明確規(guī)定的只有GB/T 8564-2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》。其中第15.3.1條規(guī)定在正常運行工況下定子鐵芯部分機(jī)座水平振動不允許超過0.03 mm（額定轉(zhuǎn)速在100～250 r/min范圍內(nèi)），定子鐵芯水平振動均要求100 Hz振動不允許超過0.03 mm。此外，GB/T 7894-2001《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》第4.3.9條只對鐵芯振動提出要求，在對稱負(fù)載工況下100 Hz的鐵芯水平雙幅振動值應(yīng)不大于30 μm。以上標(biāo)準(zhǔn)沒有說明要求適用發(fā)電機(jī)的具體定子結(jié)構(gòu)特點和尺寸要求。所有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)只對自動化元件安裝位置有原則性要求，傳感器應(yīng)安裝在支撐結(jié)構(gòu)傳遞力的代表性位置上。從龍灘現(xiàn)場實測可以發(fā)現(xiàn)，定子水平振動監(jiān)測自動化元件安裝的位置高低對監(jiān)測結(jié)果起到?jīng)Q定性作用。理論上講，發(fā)電機(jī)定子機(jī)座尺寸大小，采用剛性設(shè)計還是柔性設(shè)計等因素，對振動的要求應(yīng)有明顯差異。

同時，現(xiàn)行的GB/T 8564-2003《水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范》是在三峽、龍灘、拉西瓦、小灣等安裝700 MW級巨型水輪發(fā)電機(jī)的水電站尚未投產(chǎn)情況下修訂的，該標(biāo)準(zhǔn)是否適用于這些類型和結(jié)構(gòu)特點發(fā)電機(jī)值得研究，在進(jìn)行這些機(jī)組振動監(jiān)測、分析和評價過程中應(yīng)尤為慎重。

3 試驗分析

在龍灘水電站1號機(jī)組啟動試驗過程中發(fā)現(xiàn)了定子機(jī)座水平振動較大的現(xiàn)象，開始進(jìn)行分析。并在此后各臺機(jī)組啟動過程中進(jìn)行了有關(guān)振動原因分析的試驗。目的在于分析機(jī)組轉(zhuǎn)速、電壓、負(fù)荷對機(jī)座水平振動的影響[1]，并查閱和分析了機(jī)電安裝和生產(chǎn)運行期數(shù)據(jù)，較為全面地詮釋了振動產(chǎn)生的原因。下面重點以1號機(jī)組為例進(jìn)行簡要介紹。

3.1 變轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)分析

從變轉(zhuǎn)速試驗數(shù)據(jù)看（見表4），定子機(jī)座的水平振動盡管隨轉(zhuǎn)速的上升而上升，但在額定轉(zhuǎn)速下，定子機(jī)座的水平振動僅15 μm，遠(yuǎn)小于額定工況振動值（100 μm左右）。因此，動不平衡不是造成定子機(jī)座振動偏大的主要因素。

表4 1號機(jī)機(jī)座振動轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)表

3.2 變勵磁數(shù)據(jù)分析

從變勵磁試驗數(shù)據(jù)（見表5）和振動-電壓關(guān)系曲線（見圖1）看，定子機(jī)座的水平振動隨電壓變化上升顯著。該振動明顯是由于電磁不平衡力引起的。

表5 1號機(jī)機(jī)座振動電壓數(shù)據(jù)表

3.3 變負(fù)荷數(shù)據(jù)分析

從變負(fù)荷試驗的結(jié)果分析（見表6），定子振動并沒有隨負(fù)荷的增加而增大，與空載運行工況的振動基本一致。通過計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)長期記錄數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在穩(wěn)定負(fù)荷工況下，隨運行時間加長，發(fā)電機(jī)溫度上升，機(jī)座振動反而略有下降，直到溫度穩(wěn)定后，基本維持不變。額定工況下各臺機(jī)組振動下降8～12 μm。分析可能是發(fā)電機(jī)溫度上升后，鐵芯與機(jī)座結(jié)合更緊密，且機(jī)座在熱應(yīng)力作用下發(fā)生切向扭轉(zhuǎn)，定子整體剛度上升，使機(jī)座振動略有降低。

表6 1號機(jī)機(jī)座振動負(fù)荷數(shù)據(jù)表

3.4 頻譜分析

從發(fā)電機(jī)振動試驗數(shù)據(jù)的頻譜圖（見圖2）可以發(fā)現(xiàn)，1號機(jī)定子機(jī)座水平振動，主要振動分量為1倍、2倍、3倍轉(zhuǎn)頻，且隨定子電壓的上升而增大。其中2倍轉(zhuǎn)頻振動分量最大，在額定電壓下達(dá)到70 μm，1倍、3倍轉(zhuǎn)頻分量分別為30、20 μm。由于同是轉(zhuǎn)頻整數(shù)倍，會在某個頻率上存在峰值疊加，理論可達(dá)到120 μm，與實測振動水平相當(dāng)。其它機(jī)組也存在相同現(xiàn)象，只是幅值有所差異。

圖2 1號發(fā)電機(jī)定子機(jī)座電壓-振動-頻譜圖

3.5 振動原因的確定

定子機(jī)座水平振動隨電壓的上升而增大，變化規(guī)律明顯，與轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的變化沒有密切關(guān)聯(lián)關(guān)系。頻譜分析1/3～1/4的轉(zhuǎn)頻分量極低，無機(jī)座固有頻率分量，可以排除壓力脈動影響和自激振動可能。2倍轉(zhuǎn)頻振動分量較高，是由于轉(zhuǎn)子圓度不良（通常為橢圓），定子建壓后出現(xiàn)2倍轉(zhuǎn)頻的不平衡電磁力而引起的。檢查機(jī)組安裝轉(zhuǎn)子測圓數(shù)據(jù)和定轉(zhuǎn)子空氣間隙數(shù)據(jù)完全符合GB/T 8564-2003對轉(zhuǎn)子圓度和空氣間隙的要求。也就是說，轉(zhuǎn)子圓度不良產(chǎn)生的2倍轉(zhuǎn)頻不平衡電磁力是控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)的。以上各種振動影響因素排除后，只能認(rèn)為定子機(jī)座剛度不足是造成該現(xiàn)象的主要原因。龍灘水電站發(fā)電機(jī)定子機(jī)座采用柔性設(shè)計，主立筋與徑向存在一定夾角，目的在于通過切向形變降低定子鐵芯和定子機(jī)座本身熱應(yīng)力。

經(jīng)對各臺機(jī)組多次檢查，未發(fā)現(xiàn)定子機(jī)座連接不牢固和疲勞損傷現(xiàn)象。通過長期跟蹤分析，振動幅度沒有發(fā)現(xiàn)劣化傾向。發(fā)電機(jī)定子絕緣、鐵芯溫升等沒有發(fā)現(xiàn)異常。這說明該振動尚未對機(jī)組造成明顯損害。

4 其它水電站對比分析

與龍灘同期建設(shè)和投產(chǎn)的巨型水電工程較多，除三峽右岸外，還有拉西瓦、小灣、瀑布溝、構(gòu)皮灘等水電站，均安裝了600～700 MW級水輪發(fā)電機(jī)。為判斷定子機(jī)座振動問題是否存在共性，收集到了上述各電站部分機(jī)組定子機(jī)座水平振動數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了對比分析。

通過數(shù)據(jù)對比（見表7）發(fā)現(xiàn)，凡是采用了阿爾斯通的專利技術(shù)的柔性定子機(jī)座，均不同程度存在水平振動較大問題。而采用剛性設(shè)計的機(jī)組，雖然個別機(jī)組振動幅值超過標(biāo)準(zhǔn)要求，但相對柔性設(shè)計的機(jī)組要小得多。由于未對上述所列全部機(jī)組安裝質(zhì)量差異、測量元件誤差等進(jìn)行全面分析，不能確定具體原因，但剛性機(jī)座機(jī)組振動總體較小的統(tǒng)計學(xué)規(guī)律明顯。在調(diào)查過程中，從各個水電站機(jī)組穩(wěn)定性檢測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在定子機(jī)座振動方面存在以下特點：

表7 定子機(jī)座水平振動變負(fù)荷數(shù)據(jù)表

（1）柔性設(shè)計振動水平較大，均超過標(biāo)準(zhǔn)GB/T 8564-2003的要求，剛性設(shè)計總體較好，個別機(jī)組須進(jìn)一步分析；

（2）定子機(jī)座柔性設(shè)計且振動較大的機(jī)組，振動幅值均與電壓存在顯著關(guān)系，隨電壓的上升而上升，與負(fù)荷大小關(guān)系不大；

（3）頻譜分析，振動主要分量為1、2、3、4倍轉(zhuǎn)頻，其中2倍頻振動較大的機(jī)組相對較多。而定子鐵芯的100 Hz振動分量均符合規(guī)范要求。

從比較分析可以確定，對于巨型水輪發(fā)電機(jī)組定子機(jī)座水平振動取決于定子結(jié)構(gòu)型式，柔性結(jié)構(gòu)剛度弱于剛性結(jié)構(gòu)，水平振動相對較大。各已投產(chǎn)的巨型水電站目前尚未發(fā)現(xiàn)振動引起的定子機(jī)座、定子及鐵芯損傷案例。振動的幅值和頻率特性計算分析有一定的理論依據(jù)，但是否會造成損害，需要通過運行實踐的檢驗。在投產(chǎn)時間不長，數(shù)據(jù)積累并不豐富的情況下，刻意追求高標(biāo)準(zhǔn)并不一定符合設(shè)計、制造、安裝水平和設(shè)備運行的要求。

5 總結(jié)

（1）根據(jù)龍灘水電站定子機(jī)座振動跟蹤分析和檢查試驗，以及同類型機(jī)組運行情況，未發(fā)現(xiàn)設(shè)備損壞、故障和異常?？梢曰敬_定，在目前振動幅值下能夠保證發(fā)電機(jī)長期穩(wěn)定運行。建議各生產(chǎn)運行同行重視定子機(jī)座水平振動監(jiān)測，重點進(jìn)行劣化傾向分析，防止設(shè)備損壞。

（2）由于不同機(jī)型結(jié)構(gòu)型式有所差異，建議各水電站進(jìn)行現(xiàn)場實測，按規(guī)范要求將監(jiān)測元件布置在振動幅值最大位置，真實反映振動水平。按技術(shù)監(jiān)督工作要求，定期進(jìn)行監(jiān)測元件和設(shè)備的檢驗和維護(hù)，保證測量系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

（3）理論與實踐經(jīng)驗[2]表明，通過提高設(shè)備加工制造精度，改善現(xiàn)場安裝工藝水平，可以有效降低定子機(jī)座水平振動。建議對柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計水輪發(fā)電機(jī)組采用更高的過程質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)（定轉(zhuǎn)子圓度等），最大限度提升設(shè)備運行穩(wěn)定性能。

（4）技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)通常是對已有技術(shù)、設(shè)備應(yīng)用和運行經(jīng)驗的總結(jié)，往往落后于技術(shù)的發(fā)展。就定子機(jī)座水平振動而言，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)是否適用這種新型式、大容量的發(fā)電機(jī)值得商榷。建議各運行單位加強(qiáng)總結(jié)和交流，為標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善提供更科學(xué)、可靠的依據(jù)。

[1]王鵬宇，馬躍東.龍灘水電站700 MW全空冷水輪發(fā)電機(jī)運行分析[J].水力發(fā)電，2010，（1）.

[2]賀建華，陳昌林，鐸林，等.三峽右岸15～18號發(fā)電機(jī)振動及噪聲優(yōu)化改進(jìn)[J].大電機(jī)技術(shù)，2010，（1）.