抽水蓄能機組擺度異常原因分析與處理

莫 亞 波, 狄 洪 偉, 李 海 波, 柯 峰, 王 開 成,蔣 坤, 張 鵬, 胡 坤, 張 承 強

(1. 華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇 宜興 214205；2. 上海安乃基能源科技有限公司，上海 201203)

0 引 言

抽水蓄能機組在電網(wǎng)中承擔著調(diào)頻調(diào)相、事故備用、黑啟動等作用，其安全穩(wěn)定性關(guān)乎電網(wǎng)的可靠運行[1]。由于各方面原因，導(dǎo)致抽水蓄能機組在實際運行中不可避免地存在振動問題。抽水蓄能機組啟停頻繁、工作轉(zhuǎn)速高、正反轉(zhuǎn)工作，在水力、機械、電磁等復(fù)雜因素的影響下，其振動問題比普通水輪發(fā)電機組更引人關(guān)注[2-3]。機組振動、擺度的大小是反映機組運行穩(wěn)定性的重要指標，機組70%～80%的故障都能通過振動擺度反映出來。機組振擺過大會破壞機組結(jié)構(gòu)，降低運行效率，嚴重時會對電站的安全運行構(gòu)成威脅[4]。因此，對機組異常振動原因進行分析，找到引起機組振動的主要原因，并進行處理，對抽蓄機組來說顯得非常重要。

1 抽水蓄能機組現(xiàn)狀

某抽蓄電站裝有4臺單機容量為250 MW的立軸單級混流可逆式水泵水輪發(fā)電電動機組，機組額定轉(zhuǎn)速為375 rpm。水泵水輪機為立軸、單級混流可逆式，由GE Norway設(shè)計制造。發(fā)電電動機為立軸、懸式、三相空冷可逆式同步電機，型號為AT1-W，由加拿大GE公司設(shè)計制造。其中4號機組在近兩年的時間，無論抽水還是發(fā)電工況，在機組進入穩(wěn)態(tài)工況后，擺度數(shù)值波動較大，且持續(xù)時間較長，有時甚至2～3小時才逐漸穩(wěn)定。而且在穩(wěn)定之前，各部件幅值大大超過相關(guān)標準。經(jīng)過多次動平衡，擺度數(shù)值仍然較高，最高值甚至達到400 μm，而機架振動相對較小，不超過0.3 mm/s，最小值為0.1 mm/s。這在國內(nèi)其他抽水蓄能機組中實為罕見。在4臺機組中，4號機組軸線是最差的，但據(jù)以往運行經(jīng)驗表明，4號機組擺度數(shù)值穩(wěn)定的時間不會有如此長。為保障機組的長期安全穩(wěn)定運行，有必要深入研究機組的振擺穩(wěn)定性。

針對某抽蓄4號機組在進入穩(wěn)態(tài)工況后擺度長期無法穩(wěn)定且數(shù)值較大，而機架振動又較小的情況下，本文通過對機組進行穩(wěn)定性試驗和理論分析的方法，找出了影響機組擺度長時間不穩(wěn)定的原因并采取了對應(yīng)的處理措施，使機組振擺值滿足國家標準，提高了機組的安全性。

2 4號機組穩(wěn)定性試驗

由于抽水蓄能機組自身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其振動誘因非常復(fù)雜并常由多個因素共同作用。除了機組本身轉(zhuǎn)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體動壓力對機組系統(tǒng)及其部件振動的影響。因此，將引起水力發(fā)電機組振動的原因大致分為機械、水力、電氣三方面來研究[5-8]。穩(wěn)定性試驗將分別針對以上三種原因進行，

圖1所示為4號機組滿負荷250 MW發(fā)電運行4小時的振擺趨勢圖，從圖1可知，上導(dǎo)瓦在機組并網(wǎng)帶負荷后，最大值為500 μm左右，經(jīng)過約1 h的運行減小200 μm，最大值約300 μm。下導(dǎo)瓦經(jīng)過30 min的運行后，最大值穩(wěn)定在180 μm。上機架振動最大值為0.2 mm/s，下機架振動最大值為0.15 mm/s，上下機架振動值均很小。

圖2所示為4號機組SCP和抽水工況的振擺趨勢圖，其中SCP工況約15 min，從圖2可知，上導(dǎo)瓦擺度最大值在剛開始抽水時為300 μm，經(jīng)過30 的運行后減小100μm，降至200 μm。下導(dǎo)瓦擺度在抽水期間較為穩(wěn)定，隨運行時間增加，有減小的趨勢，最大值為170 μm。上機架振動最大值為0.15 mm/s，下機架振動最大值為0.23 mm/s。上下機架振動均很小。

圖1 修前滿負荷發(fā)電

圖2 修前抽水

對滿負荷發(fā)電和抽水的振擺數(shù)據(jù)進行頻譜分析，發(fā)現(xiàn)一倍頻占比成分超過80%，隨后進行多次動平衡，但振擺數(shù)值均沒有改善。水導(dǎo)軸承擺度無論在何種工況都不超過100 μm，說明機組振擺較大的原因不是來自于水力方面。

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對4號機組進行零啟升壓試驗，機組現(xiàn)場手動升速至額定轉(zhuǎn)速，然后間隔3～4 min逐漸加25%Ue勵磁的方式，升至額定勵磁電壓(圖3)。從試驗來看，未發(fā)現(xiàn)明顯隨勵磁增大而振擺增大或者減小的趨勢。由此可知，4號機組不存在電氣方面的故障。

圖3 4號機組逐漸加勵磁試驗

3 機組振擺異常原因分析

從第一節(jié)分析可知，4號機組不存在電氣和水力方面的故障，只是機組進入穩(wěn)態(tài)工況后振擺長時間不穩(wěn)定，上導(dǎo)擺度很大，機架振動值很小，尤其是上機架。雖經(jīng)多次動平衡，仍沒有改善。查閱上次檢修機組導(dǎo)瓦間隙數(shù)據(jù)，上導(dǎo)瓦間隙單邊35 μm，下導(dǎo)瓦間隙單邊32 μm。主機廠家給出的機組軸瓦間隙設(shè)計值為單邊0.26～0.36 mm，從以上分析可知，可能是上導(dǎo)瓦間隙過大，導(dǎo)致機組振擺異常。

對于可傾瓦滑動軸承，其油膜的動力學(xué)特性，在力學(xué)上一般也采用八個動力特性系數(shù)來表示，軸承座及基礎(chǔ)也相應(yīng)簡化為質(zhì)量、彈簧和阻尼器的模型來表示，其八個動力特性系數(shù)構(gòu)成的剛度及阻尼矩陣為[9]:

(1)

若軸承座及基礎(chǔ)在x、y方向的質(zhì)量分別等效為mbx和mby，則整個支撐可以簡化為圖4所示的模型，各項異性的彈性支撐模型，其比較真實而準確地反映出了導(dǎo)軸承邊界條件的性能。

圖4 導(dǎo)軸承彈性支撐模型

由導(dǎo)軸承彈性支撐模型可知，作用在軸頸上的油膜力會傳遞到支撐基礎(chǔ)上，導(dǎo)軸承座和機架聯(lián)接，如若機組擺度過大，那么，在導(dǎo)瓦間隙正常的條件下，必然會導(dǎo)致機架振動增大。所以可以推斷機組導(dǎo)瓦間隙過大，查閱機組以往瓦溫數(shù)值，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)瓦溫度最高約為60 ℃，而同類型機組一般都在65～75 ℃左右，可以證實，導(dǎo)致機組擺度過大且穩(wěn)態(tài)長時間不穩(wěn)定的原因為機組導(dǎo)瓦間隙過大。導(dǎo)瓦間隙過大，導(dǎo)致油膜剛度降低，將會使導(dǎo)瓦對大軸的約束力減小，導(dǎo)致擺度偏大，而機架振動偏小，同時導(dǎo)瓦溫度也一直較低。過大的導(dǎo)瓦間隙，使油膜剛度較低，也使動平衡對機組沒有任何影響。

4 故障處理方法研究與試驗

結(jié)合4號機組C修，考慮在最小的工作量下，調(diào)整4號機組導(dǎo)瓦間隙，根據(jù)上導(dǎo)瓦和下導(dǎo)瓦間隙，將上導(dǎo)間隙單邊調(diào)整至32 μm，保持下導(dǎo)瓦間隙不變。然后進行各工況試驗。

對比分析導(dǎo)瓦間隙調(diào)整前后，擺度和機架變化趨勢。

圖5所示為機組250 MW發(fā)電4 h的振擺趨勢，由圖5可知，上導(dǎo)瓦擺度在剛進入發(fā)電工況時，最大值為370 μm，經(jīng)過半小時的運行后，最大值減小到240 μm，隨后還在不斷減小，工況結(jié)束時減小到200 μm。下導(dǎo)瓦擺度在剛進入發(fā)電工況時最大，約為250 μm，半小時后減小到230 μm，隨后還在不斷減小，至工況結(jié)束時減小到200 μm。上機架和下機架振動都較為平穩(wěn)，上機架振動最大值為0.25 mm/s；下機架振動最大值為0.2 mm/s。

圖6所示為機組SCP和抽水工況擺度，其中SCP工況約15 min，其余為抽水工況。上導(dǎo)擺度在剛進入抽水工況時最大，最大值為320 μm，經(jīng)過半小時的運行后減小約100 μm，減小到210 μm，隨后還在不斷減小，至本工況結(jié)束時減小到120 μm。下導(dǎo)擺度在抽水工況的前30 min有一個上升的趨勢，最大值上升到216 μm。隨后開始不斷減小，至工況結(jié)束時，減小到180 μm。上機架振動較為穩(wěn)定，最大值不超過0.2 mm/s；下機架振動值有上升的趨勢，最大值不超過0.25 mm/s。

圖5 導(dǎo)瓦間隙調(diào)整后滿負荷發(fā)電

圖6 導(dǎo)瓦間隙調(diào)整后抽水

4號機組上導(dǎo)瓦在間隙調(diào)整前，發(fā)電工況時剛進入工況時擺度值最大，最大值為500 μm，間隙調(diào)整后上導(dǎo)最大值為370 μm；經(jīng)過半小時的運行后，導(dǎo)瓦間隙調(diào)整前上導(dǎo)擺度最大值為400 μm，導(dǎo)瓦間隙調(diào)整后上導(dǎo)擺度最大值為240 μm。抽水工況時，上導(dǎo)擺度同樣剛進入工況時擺度值最大，導(dǎo)瓦間隙調(diào)整前為300 μm。導(dǎo)瓦間隙調(diào)整后為320 μm。經(jīng)過半小時運行后，導(dǎo)瓦間隙調(diào)整前上導(dǎo)擺度為200 μm，導(dǎo)瓦間隙調(diào)整后上導(dǎo)擺度為210 μm。導(dǎo)瓦間隙調(diào)整后，上導(dǎo)擺度在剛進入發(fā)電工況時明顯減小，經(jīng)過30 min的運行基本可以穩(wěn)定，進入ISO7919-5標準的B區(qū)。

4號機組下導(dǎo)瓦在導(dǎo)瓦間隙調(diào)整前，發(fā)電工況經(jīng)過30 min的運行基本穩(wěn)定，最大值穩(wěn)定在180 μm；導(dǎo)瓦間隙調(diào)整后，下導(dǎo)瓦擺度在剛進入發(fā)電工況時最大，約為250 μm，半小時后減小到230 μm，隨后還在不斷減小，至工況結(jié)束時減小到200 μm。導(dǎo)瓦間隙調(diào)整前，下導(dǎo)瓦擺度在抽水期間較為穩(wěn)定，隨運行時間增加，有減小的趨勢，最大值為170 μm。導(dǎo)瓦間隙調(diào)整后，下導(dǎo)擺度在抽水工況的前30 min有一個上升的趨勢，最大值上升到216 μm。隨后開始不斷減小，至工況結(jié)束時，減小到180 μm。

4號機組導(dǎo)瓦間隙調(diào)整后，上導(dǎo)瓦擺度無論在抽水還是發(fā)電工況初始數(shù)值明顯減小，最大減小約160 μm，且經(jīng)過30 min可以達到ISO7919-5標準的B區(qū)。下導(dǎo)瓦擺度無論在抽水還是發(fā)電工況初始值比調(diào)整前高約50 μm，但其穩(wěn)定后數(shù)值基本相同。導(dǎo)瓦間隙調(diào)整后，上機架振動明顯增大。

從以上分析可知，4號機組振動異常的原因為機組上導(dǎo)瓦間隙過大，調(diào)整導(dǎo)瓦間隙后，異?？梢缘玫胶芎玫慕鉀Q。抽蓄機組因安裝條件和運行條件的不同，每臺機組在一段時間均存在一個合理的導(dǎo)瓦間隙值，合理的導(dǎo)瓦間隙值是在制造廠家的給定的范圍內(nèi)，不斷調(diào)試得到的，且隨機組狀態(tài)的不同，可能會略有變化。

5 結(jié) 語

通過對4號機組進行穩(wěn)定性試驗和理論分析的方法，找到了導(dǎo)致4號機組進入穩(wěn)態(tài)工況后擺度長期無法穩(wěn)定且數(shù)值較大，而機架振動又較小的原因為上導(dǎo)瓦間隙過大。在調(diào)整上導(dǎo)瓦間隙后，進行了對比試驗，證實了4號機組上導(dǎo)瓦間隙較大，導(dǎo)致機組擺度異常。抽蓄機組導(dǎo)瓦間隙因安裝、制造、使用情況不同而有所差異。相同類型的機組，為達到較好的振擺數(shù)值，需在主機廠家給定的范圍內(nèi)不斷調(diào)試，找到導(dǎo)瓦間隙的最優(yōu)值，保證機組處于最優(yōu)狀態(tài)。