喀臘塑克電站水輪機組振動的原因分析及處理

鄒斌

【摘要】本文以一水電站的水力機組出現(xiàn)振動、噪音的故障現(xiàn)象為依據(jù)，根據(jù) 專業(yè)人員在現(xiàn)場對該水電站的試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)，分析機組的振動原因和問題，并提出解決問題的建議。

【關(guān)鍵詞】水電站；試驗；原因分析

1、概述

喀臘塑克電站位于新疆省阿勒泰地區(qū)的額爾齊斯河流域，屬于壩后式電站?？εD塑克水庫調(diào)節(jié)特性為不完全多年調(diào)節(jié)，水庫總庫容24.19億m3，調(diào)節(jié)庫容19.18億m3，壩高121.5m，水庫特征水位：正常蓄水位739m，死水位680m，校核洪水位（P=0.02%）743.60m，設(shè)計洪水位（P=0.1%）741.70m。電站總裝機4×40MW=160MW，年利用小時數(shù)3707h，多年平均設(shè)備發(fā)電量5.19億kw.h，保證出力14.4MW。水輪機型號HLX100-LJ-246，額定轉(zhuǎn)n=300r/min，工作最大水頭96m，最小水頭32m，額定水頭79.5m，額定流量51.75m3/s。多年平均含沙量0.994kg/m3，多年平均輸沙量330.57萬t。水輪發(fā)電機組的振動是以水輪機為原動力，從振動發(fā)生的情況看，有的是水輪機本身的水力特性所決定的，有的是由一些偶然因素作用產(chǎn)生的。發(fā)電機是將水輪機的機械能轉(zhuǎn)換為電能的裝置，在轉(zhuǎn)換過程中，由于某些方面如設(shè)計、加工，安裝或參數(shù)配合不當也會引起發(fā)電機的磁振動。從結(jié)構(gòu)上講，水輪發(fā)電機組可以分成兩大部分；轉(zhuǎn)動部分和固定、支持部分。它們中任何一個部件存在機械缺陷時都可能引起機組的振動，而這些缺陷可能是由設(shè)計、加工，安裝等任何一個環(huán)節(jié)所引起。因此，一般來說水輪發(fā)電機組有四大振動部件；上機架、下機架、頂蓋、轉(zhuǎn)動部分，異常情況下還有其他振動部件，如定子鐵心等。水輪發(fā)電機組振動 的危害。振動是旋轉(zhuǎn)機械不可避免的現(xiàn)象，若能將其振幅限制在允許范圍內(nèi)，就能確保機組安全正常運行。但較大振動對機組安全是不利的，會造成如下危害。1；使機組各連接部件松動，使各轉(zhuǎn)動部件與靜止部件之間產(chǎn)生摩擦甚至掃膛而損壞。2；引起零部件或焊縫的疲勞，形成并擴大裂縫 甚至斷裂。3；尾水管低頻壓力脈動可使尾水管產(chǎn)生裂縫，當其頻率與發(fā)電機或電力系統(tǒng)的自振頻率接近時，將發(fā)生共振，引起機組出力大幅度波動，可能會造成機組從電力系統(tǒng) 中解列，甚至危及廠房及水工建筑物。

2、問題的原因

近期，喀臘塑克電站1號水輪發(fā)電機組噪音突然增大，運行人員對其振動、擺度進行了測試，其數(shù)值上與次測量值相比變化不大，只有水導+X方向水平振動和-Y方向的垂直振動超出正常范圍，水電公司領(lǐng)導與匯通安裝公司領(lǐng)導研究決定對1號水輪發(fā)電機組進行水下部件進行檢查，未發(fā)現(xiàn)異常狀況?？εD塑克水電站機組在投入運行以后，一直受到機組振動、噪音的困擾。通常在水電站中水輪發(fā)電機組發(fā)生振動和噪音的原因主要有三個方面，一是水力因素，即水力振動；二是機械因素，即機械振動；三是電磁因素，即電磁振動。但是，電站建成以來，1、2、3、4號水輪發(fā)電機均有不同程度的振動和噪音，為分析振動的具體原因，新疆額河建管局水電公司工作人員與匯通安裝公司技術(shù)人員及新疆電力科學院專家一起進行了專題試驗，以便提出解決辦法。

3、機組試驗結(jié)果及振動、噪音原因分析

3.1 廠家試驗成果分析

在廠家做的一次現(xiàn)場試驗中，①當機組在槳葉開度45.2%，導葉開度63.4%處開始出現(xiàn)異常響聲；至槳葉開度92.7%，導葉開度76.9%時異常響聲消失。當機組處于手動狀態(tài)，將槳葉角度固定在87.2%附近時，隨著導葉開度的增大，機組出力增加，至導葉開度為75%時達最大值35000kw，隨后機組的出力隨導葉開度的增大而呈下降趨勢，且機組水導處擺度值隨出力下降呈上升趨勢。從上述的試驗結(jié)果可以看出，機組的出力隨導葉開度的增大而呈下降趨勢，且機組水導處擺度值隨出力下降呈上升趨勢。②在現(xiàn)場試驗中，將機組轉(zhuǎn)速提高到額定轉(zhuǎn)速的120%，此時振動消失。生產(chǎn)廠家試驗的結(jié)果認為：機組振動是機組在安裝過程中，整套水輪發(fā)電機組的旋轉(zhuǎn)中心不是同心的，即主軸的軸心線與實際旋轉(zhuǎn)中心之間存在有一定的偏差而造成的。但是在生產(chǎn)廠家的試驗報告表示“在現(xiàn)場試驗中，廠家還將機組轉(zhuǎn)速提高到額定轉(zhuǎn)速的120%，此時振動消失”；從該現(xiàn)場試驗得出的結(jié)論，可以知道該水輪機的轉(zhuǎn)速若按照60.0HZ來運轉(zhuǎn)可大大減輕運轉(zhuǎn)振動。轉(zhuǎn)速與相應的水流流態(tài)有關(guān)，所以該水輪機水力振動的因素是否還需進行更專業(yè)的試驗。

3.2 新疆電力科學研究院的試驗成果分析

電力科學研究院做的試驗包括第1、2次變負荷試驗、升降負荷和定槳變導葉試驗、1次補氣試驗、動平衡試驗和配重后變負荷試驗、第2次定槳和補氣試驗。電力科學研究院對試驗的成果進行綜合分析的結(jié)論是：①運行實踐證明，當水輪機導葉開度達到和超過40%以下及85%以上，即功率10.0MW以下及35.0MW以上時，轉(zhuǎn)輪室就出現(xiàn)異常聲響。而從振動試驗數(shù)據(jù)分析，喀臘舒克電站發(fā)電機組存在兩個振動區(qū)域，一個低負荷振動區(qū)和一個高負荷振動區(qū)，1號機組在5.0MW-18.0MW附近和35.0MW以上工況振動、擺動和水壓脈動值比較大，而且35.0MW以上工況振動、擺動和水壓脈動值隨開度的增大顯著增大，轉(zhuǎn)輪室里也出現(xiàn)了異常聲響。從轉(zhuǎn)輪前壓力值變化與異常聲響的關(guān)系看，這種聲響與空化空蝕有關(guān)。②“轉(zhuǎn)輪室的異常聲響出現(xiàn)后機組構(gòu)件4倍轉(zhuǎn)頻的振動也明顯增大，這說明轉(zhuǎn)輪室的異常聲響極有可能是水力引起的空蝕振動噪聲。可以肯定的是目前的異常聲響不是轉(zhuǎn)輪葉片與轉(zhuǎn)輪室碰磨的聲音”。而且，初步判斷機組的的振動應該是與水輪機轉(zhuǎn)輪葉片開口不均勻而引起轉(zhuǎn)輪圓周水力不平衡也有關(guān)系。

3.3 喀臘塑克電站方面的分析

喀臘舒克電站提出了振動噪音的原因，一是水輪機過流部件（尤其是漿葉的實際葉型型線與設(shè)計的葉型型線之間）的加工工藝有偏差，導致水輪機轉(zhuǎn)輪圓周的水力不平衡；二是水輪機轉(zhuǎn)輪的安裝中心與實際的要求有偏差；三是沒有根據(jù)中國的電網(wǎng)頻率（50HZ）對國外的電網(wǎng)頻率（60HZ）制造的機組進行模型試驗，造成引進機組與實際機組在運行方面工況的差異。其中水力振動的振動幅度是隨著水流量的增大而增大，其原因是因為水輪機過流部件中的水力不平衡引起的；機械振動的振動幅度是隨著機組轉(zhuǎn)速的增大而增大，其原因是因為機組轉(zhuǎn)動部分的質(zhì)量不平衡引起的；電磁振動的振動幅度是隨著勵磁電流的增大而增大，其原因是由三相勵磁電流不平衡引起的。

4、分析結(jié)果

在上述兩家的試驗結(jié)論中，廠家的試驗結(jié)論著重強調(diào)機組安裝的原因引起機組的振動，但是在試驗的成果中，有明顯的水力振動的因素存在；電力科學研究院的試驗結(jié)論則著重強調(diào)水輪機轉(zhuǎn)輪過流部件的因素是引起機組振動的主要因素，基本否定了機組安裝的原因引起機組的振動。根據(jù)兩家的試驗過程中所體現(xiàn)的現(xiàn)象，我們初步判定，造成該水電站振動和噪音，主要的原因應該有以下幾個方面：一是水輪機的過流部件，主要是水輪機轉(zhuǎn)輪葉片的實際加工型線與設(shè)計的型線之間可能存在誤差；二是水輪機轉(zhuǎn)輪圓周的間隙引起的間隙空蝕引起水力不平衡而引起的振動現(xiàn)象，這是典型的水力振動頻率與葉片和機組的轉(zhuǎn)速有關(guān)；三是水輪機轉(zhuǎn)輪的開口不均勻，使得導葉的水流與轉(zhuǎn)輪葉片進出口的水流流動產(chǎn)生較大影響；四是機組在安裝過程中，整套水輪發(fā)電機組的旋轉(zhuǎn)中心不是同心的，即主軸的軸心線與實際旋轉(zhuǎn)中心之間存在有一定的偏差（此種幾率較?。?。其中轉(zhuǎn)輪葉片的葉型型線的加工誤差應該是主要原因。該水電站機組在投入運行后一直產(chǎn)生振動也能夠說明這些原因。

5、解決問題的建議

綜合上述的分析結(jié)果，針對這些問題，作者提出以下建議：

5.1 如果電廠在建成之前，購買電廠在簽訂購買設(shè)備合同時，應該要求生產(chǎn)廠家說明該設(shè)備是從那里引進？如果是引進的，則要求生產(chǎn)廠家說明是否經(jīng)過模型試驗；如果經(jīng)過模型試驗，應該提供模型試驗的參數(shù)。

5.2 機組在運行期間，應該注意起運行工況在額定范圍內(nèi)，定期對其進行檢查，如果有異常聲響或出現(xiàn)機組振動、噪音突然增大，應及時處理，必要時應停機對其水下部件進行檢查處理，避免轉(zhuǎn)輪中有雜物而影響機組運行工況及性能。

5.3 盡量避免發(fā)電機組機組在低負荷振動區(qū)域5.0MW至18.0MW以下附近工況和高負荷振動區(qū)域35.0MW以上工況運行。

6、結(jié)束語

通過實驗數(shù)據(jù)分析我更加充分的認識了水輪機發(fā)電機組振動原因，并提出了解決問題的建議，為解決同行業(yè)類似問題提供了借鑒，從而為水輪發(fā)電機的安全運行提供保障。

參考文獻：

[1]方友林.水輪發(fā)電機組振動過大的原因分析及處理方法研究[J].現(xiàn)代制造，2015（9）：51

[2] 張晉境，謝斐，黃霄，王蕓.曬谷坪電站臥式水輪發(fā)電機組振動問題分析與處理[J].水電與新能源，2015（10）：40-41

[3]孫文.水電站水輪發(fā)電機機組振動問題分析處理措施[J].城市建設(shè)理論研究：電子版，2016（10）