水電站水輪發(fā)電機組振動問題分析及處理措施

楊周平

(四會市江谷水庫管理處，廣東 四會526200)

振動對于水輪發(fā)電機組是極其嚴重的危害，它不但降低機組的工作效率，影響機組安全運作，還會加快損壞機組部件，導致事故的發(fā)生。由于水輪發(fā)電機組在運行中產(chǎn)生振動現(xiàn)象是不可避免的，所以如何解決處理發(fā)電機組振動故障是水電站必須面對的問題，下面通過對機組振動現(xiàn)象及其危害性的分析，討論如何處理及預防水輪機振動。

1 工程概況

某水電站位于廣東肇慶，由一、二級電站組成。電站工程由大壩、壓力引水隧洞、調壓井、高壓埋管、發(fā)電廠房、升壓站及附屬建筑物組成。一級水電站主要配合干渠引水發(fā)電，容量2×1250kW，水輪機型號為HL123-LJ-120，額定水頭17.5m，單機額定流量7.5m3/s。

二級電站為引水式，容量1×2000kW，水輪機型號為HL220-WJ-84，額定水頭46.6m，額定流量5.39m3/s。該機組在調試期間出現(xiàn)了不同程度的振動問題。通過詳細析機組振動故障的原因，并制定了調整處理方案，經(jīng)治理后徹底消除了該機組的振動故障。

2 機組振動分析

2.1 機組振動的危害性

對水輪發(fā)電機組而言，振動是旋轉機械不可避免的現(xiàn)象。振動除了使機組效率降低，還會帶來一系列危害，甚至會威脅機組的正常運行和安全，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1)機組振動會造成某些部件的有害彈性變形和塑性變形，使一些零部件材料發(fā)生疲勞、裂紋及斷裂，引起機組零部件金屬焊縫中疲勞破壞區(qū)的形成和擴大，使之發(fā)生裂紋甚至斷裂損壞而報廢。

2)振動使機組各部位緊固連接部件松動，導致這些緊固件本身的斷裂，加劇其連接部分的振動，促使它們迅速損壞。

3)振動加重機組轉動部件之間的相互磨損。

4)尾水管中的水流脈動壓力可使尾水管壁產(chǎn)生裂縫，嚴重的可使整塊鋼板剝落。

5)振動導致機組出力不足，運行范圍縮小，壽命縮短。

6)振動也可引起機組基礎廠房構件和引水壓力鋼管等的共振，有時會釀成嚴重事故，可能使整個設備和廠房毀壞。

7)過大的振動不僅導致機組運行參數(shù)的波動，影響機組的負荷分配及供電質量，縮短機組的使用壽命，危及電站安全運行和電力系統(tǒng)的經(jīng)濟運行。

2.2 機組振動原因

造成水輪發(fā)電機組振動的原因很多而且復雜，機組振動除了機器本身轉動或固定部分引起的振動外，還需考慮發(fā)電機的電磁力以及作用于水輪機過流部分的流動壓力對系統(tǒng)及其部件振動的影響。因此，一般將引起水輪機組振動的原因分為電磁、機械、水力三個方面。

1）電磁引起的振動。主要由發(fā)電機電磁不平衡引起，常見的有轉子磁極線圈層間短路、勵磁回路兩點接地、空氣間隙不均勻、定子三相不平衡等。切除勵磁電流，空載運行如振動消失，證明是電磁方面引起的震動。

2）機械引起的振動。主要有轉動部分重量不平衡、機組軸不正、主軸聯(lián)結不同心、軸承缺陷、推力或導軸承調整不當，以及靜、轉部分偏磨等。

3）水力引起的振動。如尾水管中渦帶引起振動、機組偏離最佳運行工況區(qū)運行、止漏環(huán)間隙不均、蝸殼及導葉引水不均的轉輪進口水流沖擊、卡門渦列、空腔汽蝕、間隙射流等。將機組改調相如振動消失就是水力振動，如不消失即為機械振動。

3 機組振動防治方法

3.1 避振運行

為滿足經(jīng)濟運行要求，應避開各臺機組出現(xiàn)振動和空蝕的運行范圍。一級電站主要結合灌溉引水發(fā)電，水頭、流量變幅大，最高水頭22m，最低水頭12m，灌溉期間為中、低水頭，小流量用水較多。在這種情況下，運行主要以減小汽蝕和機組振動為主，降低機組故障率。對一級電站歷史運行資料進行了整理，找出了不同水頭下機組單機運行的最小流量及當時運行工況。同時結合HL123-LJ-120 型水輪機運轉特性曲線，為了確保安全，降低汽蝕，減輕機組振動，單機運行最小流量應限制在4.5m3/s 以上。水輪機導葉開度達到一定程度后，導葉開度再繼續(xù)增大，而功率變化量不大，導葉開度的增大反而破壞蝸殼中進水流態(tài)，加重汽蝕，使機組振動加劇。結合實際運行及水輪機運轉特性曲線，導葉開度達到88%時，不再增加開度，以減輕汽蝕和振動。

二級電站主要以水庫棄水發(fā)電，水頭變幅不大。運行記錄表明當導葉開度低于40%時，振動明顯，噪音增大。同時導葉開度超過85%時，再繼續(xù)增大，功率變化量不大，而機組振動加劇。結合實際運行及HL220-WJ-84 水輪機運轉特性曲線，導葉開度限制在40%～85%之間運行，以減輕汽蝕和振動。

3.2 尾水管適時適量補氣

水輪機在非設計工況下運行時，由于轉輪出口處的旋轉水流及脫流旋渦和汽蝕等影響，在尾水管內常引起水壓脈動。尤其是在尾水管內出現(xiàn)大渦帶后，渦帶以近于固定的頻率在管內轉動，引起水流低頻壓力脈動。當管內水流一經(jīng)發(fā)生，壓力脈動就會激起尾水管壁、轉輪、導水機構、蝸殼、壓力管道的振動。渦帶壓力脈動對機組運行的影響主要在于振動、擺度、功率擺動及其它附加影響。小水電站一般采用尾水管補氣來減少尾水管的渦帶壓力脈動，補氣效果的關鍵在于自然補氣的補氣量。水輪機尾水管真空度數(shù)值大，空蝕影響也大，數(shù)值小，水能得不到充分利用。

水電站機組偏離最佳運行工況（一般是40%～70%的額定工況）時，運行人員定時監(jiān)測尾水管真空表數(shù)值，當真空度超過規(guī)定值時，調節(jié)補氣短管閥門開度，控制進氣量的大小，使真空度維持在一定的數(shù)值。根據(jù)經(jīng)驗，在海拔1000m 以下地區(qū)，尾水管真空度數(shù)值一般以13.33～20kPa 為宜。機組在高負荷狀態(tài)下補氣會導致效率下降，此時關閉補氣閥停止補氣，通過尾水管適量補氣可降低尾水管渦帶脈動壓力，減輕機組振動。補氣運行中應注意真空度不能太低，以免造成水能過量損失。

3.3 加強軸承維護

推力軸承存在缺陷，如推力頭與軸配合不嚴密、卡環(huán)不均勻壓縮、推力頭與鏡板間的墊變形或破壞等都會使機組的軸發(fā)生變化，致使運行中大軸擺度忽大忽小，呈不穩(wěn)定狀態(tài)。當導軸瓦間隙不均勻、軸瓦及螺栓松動、軸承潤滑及冷卻不良、軸承與固定止漏環(huán)不同心等都會發(fā)生干摩擦，引起機組的橫向振動。軸線不符合要求和軸承缺陷引起的振動，通常與機組的轉速和出力相關，轉速提高、出力加大時振動更嚴重。電站在檢修中注意機組軸線對正，將主軸旋轉中心線調到機組中心線上作為主要質量標準，若軸線與機組中心線產(chǎn)生較大差值，會對機組的安全、穩(wěn)定運行十分不利。機組調整中心同推力瓦受力調整配合進行。調整推力瓦受力時，要使轉輪位于轉輪室中心，并使各推力瓦受力均勻。調整導軸承間隙值大小，使電機軸法蘭、導軸承軸頸、集電環(huán)等各部件擺度符合規(guī)范要求。運行中加強軸承監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，防止由于推力軸承和導軸承存在缺陷造成機組較大的振動或故障。

3.4 注重過流部件修復

水流通過蝸殼的作用形成環(huán)流,再通過分布均勻的固定和活動導葉均勻作用于轉輪激發(fā)轉輪旋轉，如果導水葉葉片、流道的形狀與尺寸差別較大，作用于轉輪的水流失去軸對稱時就產(chǎn)生一個不平衡橫向力，引起轉輪振動。其次當水流繞流葉片時的卡門渦列可造成水輪機固定導葉、 活動導葉和轉輪葉片的共振，發(fā)生共振時除噪聲大外，葉片的動應力也很大，加上其頻率很高，極容易使水輪機發(fā)生疲勞甚至斷裂。此外水流通過水輪機時的空腔汽蝕、間隙射流等也會產(chǎn)生強烈振動和噪音。

在水電站的檢修中，注重過流部件的修復，導葉間隙調整注意間隙大小均勻及導葉片表面粗糙度，使導葉葉道流速分布均勻，以減輕壓力脈動。轉輪汽蝕補焊修復注重葉片出水邊的厚度、葉型曲線及輪葉表粗糙度，以降低空蝕及渦列引起的振動。

4 振動防治效果

水電站應根據(jù)站內各臺機組振動的不同特點，確定各自不同但經(jīng)濟合理的防治方案。一級電站振動防治方案以避振運行、檢修中加強軸瓦維護為主，其它為輔助方法。二級電站振動防治方案以避振運行、機組偏離最佳運行工況時尾水管適時適量補氣、檢修中注重過流部件修復為主，其它為輔助方法。自電站對機組振動進行綜合防治以來，機組振動強度降低，大軸擺度符合要求，轉輪等過流部件檢修周期內汽蝕程度降低，機組噪音減弱，運行工況良好，延長了大修周期，降低了運行成本，達到預期效果。

5 結語

總之，為做好水輪發(fā)電機振動的防治工作，就必須根據(jù)水輪機的實際振動情況，將引起水輪機組振動原因大致分為電力、水力、機械三方面的因素來研究,分析振動發(fā)生的原因，振動的特性，為水電廠生產(chǎn)管理、運行、檢修人員提供參考意見,從而制定出相應的預防和消振措施。

［1］盛國林.水輪發(fā)電機組振動分析及轉子動平衡試驗[J].水利電力機械，2004（05）.

［2］夏明軍.水輪發(fā)電機振動判定的探討[J].赤子，2012（13）.