水電站水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組振動問題分析處理方法的探討

劉景友

摘要：眾所周知，水輪發(fā)電機(jī)組內(nèi)部常常會因為各種原因而出現(xiàn)振動，這種振動現(xiàn)象的破壞能力是非常強(qiáng)的，輕則會造成機(jī)組結(jié)構(gòu)的疲勞破壞，重則引起整個機(jī)組的共振，破壞固定導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪結(jié)構(gòu)，從而降低水電站的經(jīng)濟(jì)效益，甚至威脅水電站運行的安全性和穩(wěn)定性。所以，深人探究引起水輪發(fā)電機(jī)組振動的原因至關(guān)重要，同時這也是目前流體動力領(lǐng)域內(nèi)非常值得研究的課題之一?；诖?，本文對水電站水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組振動問題進(jìn)行了分析，以供相關(guān)人員的參考。

關(guān)鍵詞：水電站;水輪發(fā)電機(jī);機(jī)組振動

引言

水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組在工作中振動不僅會對某些部件造成彈性形變或塑性形變，從而使部件出現(xiàn)裂紋、斷裂等現(xiàn)象，還會造成發(fā)電機(jī)組部件之間的連接部件出現(xiàn)松動現(xiàn)象，縮短各部件的使用壽命，因此為了有效提高發(fā)電機(jī)機(jī)組的工作效率和各部件的使用年限，相關(guān)工作人員需要不斷改進(jìn)發(fā)電機(jī)機(jī)組振動問題的處理方法。

1 水輪發(fā)電機(jī)組振動原理

在機(jī)組運轉(zhuǎn)的狀態(tài)下，在水輪機(jī)作為其原動力的前提下，水能的作用能夠直接有效激發(fā)水輪發(fā)電機(jī)組振動，還能夠間接維持機(jī)組振動。流體、機(jī)械、電磁三者是相互影響相互作用的，由于氣隙在不對稱的狀態(tài)下，由于發(fā)電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間的磁拉力不平衡的情況，當(dāng)流體激起機(jī)組轉(zhuǎn)動部分振動時會造成機(jī)組的振動，而發(fā)電機(jī)的磁場和水輪機(jī)的水流流場也會受到轉(zhuǎn)動部分的運動狀態(tài)的影響。

2 水輪發(fā)電機(jī)組振動故障特點

振動故障的特點具體有如下三點：①漸變性。根據(jù)GB/T7894-2009中的規(guī)定，水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)速不會很高，明顯要低于其他旋轉(zhuǎn)機(jī)械。因此機(jī)組故障的發(fā)展具有漸變性，很少發(fā)生突發(fā)惡性事故。這個特性一般隨著水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷增加，振動會有明顯變化，可以通過專門振動儀對機(jī)組進(jìn)行實時狀態(tài)監(jiān)測，事前捕捉故障預(yù)兆，提早防范事故發(fā)生。②復(fù)雜多樣性。水輪發(fā)電機(jī)組的振動受到機(jī)械、電磁、水力三種因素影響，而且這三者之間還存在相互影響。這就使機(jī)組振動機(jī)理復(fù)雜，相關(guān)故障的振源分析困難，難以通過直接、簡便的診斷方式發(fā)掘出故障的主導(dǎo)原因。③不規(guī)則性。水電站受到具體設(shè)計、施工、地質(zhì)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)投資情況等多方面的影響，不同水電站的情況都不相同。這種不規(guī)則性導(dǎo)致了通用型故障診斷系統(tǒng)的設(shè)計難以滿足水電站的實際需要，需要專門針對各大類水電站進(jìn)行專門開發(fā)。

3 水輪發(fā)電機(jī)組振動故障成因

3.1 機(jī)械因素

（1）主軸的剛度或者直徑不夠，軸承之間具有較大的間隙等原因都可能導(dǎo)致機(jī)組振動，同時機(jī)組的負(fù)荷變化也會嚴(yán)重影響到機(jī)組的振幅。（2）機(jī)組轉(zhuǎn)動部分的結(jié)構(gòu)不平衡，或者工藝質(zhì)量不高，沒達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求也會使機(jī)組產(chǎn)生振動。這種情況下，當(dāng)機(jī)組的轉(zhuǎn)速變大時，機(jī)組振幅也會變大。（3）緊固件松動、水輪發(fā)電機(jī)組未能中心對稱以及軸線彎折等情況出現(xiàn)時，水輪發(fā)電機(jī)組會在低負(fù)荷以及空載時出現(xiàn)很明顯的振動現(xiàn)象。（4）機(jī)組內(nèi)的轉(zhuǎn)動部件和固定部件之間因為摩擦而產(chǎn)生振動，這種振動現(xiàn)象的振幅較大，同時伴隨著撞擊的聲音。

3.2 水力振動

水力振動大致可以分為由尾水管渦帶引起的振動、卡爾門渦列引起的振動、狹鋒射流引發(fā)的振動、協(xié)聯(lián)關(guān)系不正確引發(fā)的振動等。（1）尾水管渦帶引起的振動。當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組的工作的實際負(fù)荷與設(shè)計負(fù)荷相一致的時候，轉(zhuǎn)輪流出的水流方向才會與軸承的轉(zhuǎn)向相同。實際負(fù)荷大于或者小于設(shè)計負(fù)荷都有可能引起尾水管里面壓力脈動，這個脈動的頻率f等于水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速n除以經(jīng)驗值Z，再除以60。其中的經(jīng)驗值Z一般為3～4，偶爾取到1～5。頻率的值以及其幅度會根據(jù)發(fā)電機(jī)組的工作狀況而做出相應(yīng)的改變。當(dāng)尾水管內(nèi)的壓力脈動頻率值與過水系統(tǒng)水壓脈動頻率值相似時，水輪發(fā)電機(jī)組整個過流系統(tǒng)的水壓脈動就會不斷地變強(qiáng)，發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生振動;假如水輪發(fā)電機(jī)組在“飛逸”泄水的工作狀態(tài)下，水輪發(fā)電機(jī)的尾水管進(jìn)水的地方，就會因為水流的沖擊而產(chǎn)生更大的壓力脈動，從而導(dǎo)致水輪發(fā)電機(jī)組的振動超出標(biāo)準(zhǔn)。（2）卡爾門渦列引起的振動?？栭T渦列即當(dāng)水輪發(fā)電機(jī)組的轉(zhuǎn)輪葉片和導(dǎo)葉在大沖角或者在尾部不平滑的出水邊上時，在水流繞流葉片的上表面和下表面，邊界層因為脫流而在繞流物后面出現(xiàn)的漩渦。假如水輪發(fā)電機(jī)組的葉片、導(dǎo)葉以及固定導(dǎo)葉出現(xiàn)振動，其原因很有可能就是卡門渦列的形成?？栭T渦列引起的振動的振動頻率f等于斯特勞哈系數(shù)Sr乘以繞流流速V，再除以板厚或者圓柱體直徑d。其中斯特勞哈系數(shù)Sr一般的取值范圍為0.20～0.27。（3）狹鋒射流引發(fā)的振動。狹鋒射流即在軸流式水輪發(fā)電機(jī)組中，轉(zhuǎn)輪葉片的外邊緣與內(nèi)壁之間，會由于轉(zhuǎn)輪葉片的工作面與背面之間的流體壓力差，而出現(xiàn)一股射流，這股射流具有高速、低壓的特點。轉(zhuǎn)輪在轉(zhuǎn)動過程中，隨著轉(zhuǎn)輪葉片的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)室的內(nèi)壁受到的流體壓力會變化，一會兒高，一會兒低，就容易使水輪機(jī)組發(fā)生振動。并且狹鋒射流引發(fā)的振動的振動頻率f等于水輪機(jī)葉片數(shù)Z1與水輪機(jī)轉(zhuǎn)速n的乘積除以60。其中水輪機(jī)葉片數(shù)一般為6片。

3.3 電氣因素

（l）發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動部件在轉(zhuǎn)動過程中可能會受到很多不平衡力，比如定轉(zhuǎn)子之間不均勻的空氣隙所引起的作用力。這種情況下，上機(jī)架的振動狀況會比較顯著，同時振動的幅度也會隨勵磁電流的變化而發(fā)生變化。（2）發(fā)電機(jī)定子繞組內(nèi)部所形成的諧波會產(chǎn)生磁拉力，然而小波數(shù)的磁拉力很容易使得定子產(chǎn)生振動。這種振動現(xiàn)象同樣會在上機(jī)架處更為顯著，且振幅隨定子電流成正比例變化。（3）定子鐵芯出現(xiàn)松動也會使機(jī)組產(chǎn)生振動現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速對振動的強(qiáng)弱影響較為明顯，通常情況下，機(jī)組振動頻率一般為電流頻率的雙倍。（4）如果在安裝時未能良好的固定定子繞組，那么當(dāng)電氣負(fù)荷和電磁負(fù)荷較高時，機(jī)組也很容易產(chǎn)生振動現(xiàn)象。

4 水電站水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組振動問題的處理措施分析

4.1 注意對過流部件檢測

水力發(fā)電機(jī)機(jī)組在工作中，水流通過壓力管、蝸殼及導(dǎo)水葉形成環(huán)量，最終激發(fā)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。在此過程中維護(hù)人員需要對流道、蝸殼、導(dǎo)水葉、出水流量等進(jìn)行檢查，避免轉(zhuǎn)輪因為水流沖向轉(zhuǎn)輪的水流不對稱，造成水力不平衡而引起轉(zhuǎn)輪運行過程中振動。同時維護(hù)人員還需要加強(qiáng)對轉(zhuǎn)輪進(jìn)行檢查，尤其是轉(zhuǎn)輪葉片是否出現(xiàn)斷裂或葉片中卡有影響過流的物體，避免當(dāng)水流不平穩(wěn)而引起振動，避免出現(xiàn)因振動而導(dǎo)致水輪機(jī)出現(xiàn)疲勞或斷裂。除此之外，還需要加強(qiáng)對發(fā)電機(jī)組各部件之間的檢查工作，及時發(fā)現(xiàn)潛在的問題，并進(jìn)行處理，將問題消滅在萌芽之中，嚴(yán)格按照規(guī)程要求，定期對設(shè)備進(jìn)行檢查、維護(hù)、保養(yǎng)及檢修，是及時發(fā)現(xiàn)和消除機(jī)組振動問題不可缺少的重要手段。與此同時，水電站還要加強(qiáng)運行人員及維護(hù)人員的技術(shù)培訓(xùn)與學(xué)習(xí)，以此提高自身專業(yè)素質(zhì)，在遇見一些問題時能夠及時作出正確的分析處理，有效降低水電站因為設(shè)備問題而造成的損失，要重點學(xué)習(xí)水電站水輪機(jī)組振動問題的分析和處理方法，培養(yǎng)一線人員聽、看、嗅、摸早期研判的能力。，從而降低機(jī)組振動對水電站發(fā)電造成的影響。

4.2 加強(qiáng)對軸承進(jìn)行維護(hù)

推力軸承存在缺陷也是造成水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組振動的主要因素，當(dāng)機(jī)組中的推力頭與軸之間存在配合不嚴(yán)密，或者由于卡環(huán)不均勻而引起壓縮墊出現(xiàn)破壞等，都會引起機(jī)組軸發(fā)生變化，造成運行中的大軸出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，同時導(dǎo)軸瓦間隙不均勻、軸承潤滑和冷卻不良以及軸承與固定止漏環(huán)安裝出現(xiàn)不同心等現(xiàn)象也會增加機(jī)組的橫向振動。為了有效降低機(jī)組發(fā)電機(jī)機(jī)組振動，相關(guān)維護(hù)人員需要加強(qiáng)對以上部件的檢查，及時發(fā)現(xiàn)問題并做好維修工作，對此需要做到以下幾點：第一，定期檢查水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組軸線對正情況，同時將主軸旋轉(zhuǎn)中心線調(diào)至機(jī)組中心線上，如果在檢查中發(fā)現(xiàn)軸線與機(jī)組中心線出現(xiàn)偏差較大時，則會對機(jī)組的安全與穩(wěn)定造成影響，因此維護(hù)人員需要及時進(jìn)行檢查和維護(hù);第二，維護(hù)人員在調(diào)整推力瓦受力過程中，需要將轉(zhuǎn)輪位于轉(zhuǎn)輪室中心，同時保證各推力瓦受力均勻，從而有效提高發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性;第三，維護(hù)人員在調(diào)整軸承間隙值過程中，需要保證電機(jī)軸、導(dǎo)軸承軸頸、集電環(huán)等符合要求，并在檢修過程中需要按時進(jìn)行軸承檢測，若出現(xiàn)異?，F(xiàn)象則需要及時進(jìn)行有效處理，避免因為推力軸、導(dǎo)軸承等存在缺陷而造成機(jī)組振動增加，影響發(fā)電機(jī)機(jī)組正常運行。

5 水輪發(fā)電機(jī)組振動處理實例

5.1 工程概況

磨子潭水電站1號機(jī)組，水輪機(jī)型號為HLA551-LJ-228，發(fā)電機(jī)型號SF22-24/5500，，定子鐵心直徑5500mm，額定出力22000kW，采用風(fēng)冷卻的方式進(jìn)行冷卻。2019年4月，在磨子潭水電站1號機(jī)組增容改造后的首次啟動運行過程中，發(fā)電機(jī)上機(jī)架振動幅度較大，最大徑向振幅大0.2mm以上，且隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷提升，發(fā)電機(jī)上機(jī)架振幅不斷增大。通過對振動特點以及振動問題產(chǎn)生原因進(jìn)行詳細(xì)探究，制定出解決振動的方案。

5.2 振動原因分析

通過對磨子潭水電站1號機(jī)組振動特征進(jìn)行研究分析可以得出，一是發(fā)電機(jī)的振動幅度隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化，而且在振動幅度較大，嚴(yán)重影響機(jī)組的正常運行;二是發(fā)電機(jī)運行時首次啟動運行，可以排除因電磁力不平衡而引起的振動;三、檢查排除軸瓦間隙調(diào)整不符合要求，出現(xiàn)軸瓦間隙一邊偏大，軸線在發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)中心不斷搖擺而引起振動，四、檢查推力頭卡環(huán)有間隙，機(jī)組水平出現(xiàn)問題而引起機(jī)組振動。五，檢查水輪機(jī)流道及轉(zhuǎn)輪，因增容改造時間較長，流道內(nèi)是否出現(xiàn)有加大物體，引起水力不平衡導(dǎo)致機(jī)組振動;六、檢查導(dǎo)水葉破斷銷是否斷裂，引起水力不平衡而導(dǎo)致機(jī)組振動等等。針對上述問題，組織人員一一排查，查出引起振動的原因，從易到難的檢查，確定導(dǎo)水葉破斷銷完好無損，軸瓦間隙符合規(guī)范要求，推力頭卡環(huán)無間隙，轉(zhuǎn)輪及流道沒有較大異物，同時檢查了轉(zhuǎn)輪迷宮環(huán)間隙都在合格范圍內(nèi)。經(jīng)過全方位的排查摸索確定，引起振動的主要原因為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動不平衡而引起振動。當(dāng)然，振動也會因為轉(zhuǎn)輪選型存在問題導(dǎo)致水力不平衡，尾水管真空過大而且引起。從現(xiàn)場實際情況來看，排查振動原因的原則還是從易到難，也就是先排除因發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子動不平衡而引起的振動，再排除因水力不平衡而引起的振動，直至振動振幅在合格范圍內(nèi)。

5.3 處理措施

通過水輪發(fā)電機(jī)組動不平衡測量儀進(jìn)行檢測，并通過數(shù)據(jù)分析，確定發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子最大不平衡點方位。（1） 根據(jù)實踐經(jīng)驗，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子輪輻引出線的對稱方位第一次試加配重塊，配重塊重量按照規(guī)范計算配加30kg，按照要求在第一次試加的位置附近各試加二次，重量相同。（2）通過三次試加配重塊，最終確定轉(zhuǎn)子不平衡方位及不平衡量，經(jīng)計算不平衡量為110kg，方位在轉(zhuǎn)子引出線對稱方向的三個磁極位置。（3）進(jìn)行實際配重。在轉(zhuǎn)子引線對稱位置配重90kg，啟動機(jī)組測量振動值為0.1mm，振動振幅值減少50%以上，與標(biāo)準(zhǔn)不大于0.06mm有差距，繼續(xù)根據(jù)振動值，在引出線對稱相鄰磁極位置再增加30kg的配重塊，在啟動機(jī)組測得振動，振動幅度為0.045mm.符合規(guī)范要求。機(jī)組運行振動、擺度都在合格范圍內(nèi)。（4）機(jī)組空轉(zhuǎn)到空載，再到帶負(fù)荷、滿負(fù)荷運行，各項參數(shù)指標(biāo)都滿足規(guī)范要求，機(jī)組軸瓦溫度及擺度都符合規(guī)范要求。通過采用上述措施，該水輪發(fā)電機(jī)組達(dá)了到正常運行狀態(tài)，并且沒有發(fā)生振動問題。

綜上所述，為了有效降低水電站水輪發(fā)電機(jī)機(jī)組振動現(xiàn)象，工作人員需要對各部件安裝質(zhì)量進(jìn)行嚴(yán)格控制，嚴(yán)格按照質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，確保水輪發(fā)電機(jī)組正常運行。通過對上文分析可見，在降低發(fā)電機(jī)組振動中需要控制水輪發(fā)電機(jī)的出力，除了正常運行外，盡可能避開水輪發(fā)電機(jī)非正常工況下運行，同時加強(qiáng)水輪發(fā)電機(jī)組運行過程中巡回檢查，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，確保設(shè)備正常運行;因此水電站水輪機(jī)發(fā)電機(jī)機(jī)組振動問題，成因復(fù)雜多樣，現(xiàn)有檢測手段有限，分析研判難度很大，只有找準(zhǔn)原因，才能進(jìn)行有效處理。本文所介紹的方法、特別是處理實例，能夠應(yīng)用到水電站水輪發(fā)電機(jī)組安裝和運行維護(hù)中來，對解決水輪發(fā)電機(jī)組的振動問題很有幫助，僅供同行考鑒。

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