水電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性及振動

　　現(xiàn)在我國水力發(fā)電建設(shè)發(fā)展十分迅速，而運(yùn)行穩(wěn)定性問題是目前國內(nèi)外很多大中型水輪發(fā)電機(jī)組大量存在且沒有很好解決的突出問題。本文針對水力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性及某些振動案例進(jìn)行了分析。

　　《水電自動化與大壩監(jiān)測》(雙月刊)創(chuàng)刊于1997年，由國電自動化研究院主辦，全國水電廠自動化技術(shù)信息網(wǎng)、全國大壩安全監(jiān)測技術(shù)信息網(wǎng)協(xié)辦，電力系統(tǒng)自動化雜志社編輯出版。

　　1 前言

　　現(xiàn)在我國水力發(fā)電建設(shè)發(fā)展十分迅速，新建發(fā)電機(jī)組大量投入運(yùn)行，由于電站建設(shè)投資方眾多，電廠機(jī)電設(shè)備的制造、安裝、調(diào)試及竣工驗(yàn)收等各方面存在很多問題，使某些機(jī)組投入運(yùn)行后機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性差，振動擺度超標(biāo)，導(dǎo)致機(jī)組架機(jī)、軸系、主軸等方面的機(jī)械損傷，影響機(jī)組的安全運(yùn)行，本文針對水力發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行穩(wěn)定性及某些振動處理案例進(jìn)行了分析探討。

　　2 水電機(jī)組穩(wěn)定性分析

　　運(yùn)行穩(wěn)定性問題是目前國內(nèi)外很多大中型水輪發(fā)電機(jī)組大量存在且沒有很好解決的突出問題。由于水輪機(jī)固有的結(jié)構(gòu)特性，使其在偏離較優(yōu)運(yùn)行區(qū)運(yùn)行時來流沖角加大，轉(zhuǎn)輪出口產(chǎn)生正或負(fù)的環(huán)量，出現(xiàn)轉(zhuǎn)輪進(jìn)出水邊脫流、葉道渦、尾水管渦帶等影響水輪機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的因素，所以水輪機(jī)只在一定負(fù)荷范圍內(nèi)能夠穩(wěn)定運(yùn)行，這是其固有的特征之一。一般來說，影響水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的因素，可歸納為：水力、機(jī)械與電氣三大因素。水力因素中主要是尾水管渦帶對水電機(jī)組的穩(wěn)定性的影響;機(jī)械因素中，影響機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性的因素包含動平衡配重質(zhì)量和軸線調(diào)整質(zhì)量，由于各臺機(jī)組的上述質(zhì)量不完全相同，則在同樣的水力因素作用下，機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)不完全相同。

　　2.1 機(jī)組的振動、擺度、水壓脈動評價標(biāo)準(zhǔn)

　　對于水力發(fā)電機(jī)組的振動、擺度各電廠可以依據(jù)：GB—T一6075—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，GB—T一6075一l二1999《在非旋轉(zhuǎn)部件上測量和評價機(jī)器的機(jī)械振動》第1部分：總則，GB/T 11348.5—2002《旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸徑向振動的測量和評定》第5部分：水力發(fā)電廠和泵站機(jī)組，GB/T 11348.1—1999《旋轉(zhuǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)軸徑向振動的測量和評定》第l部分：總則等標(biāo)準(zhǔn)接合各電廠設(shè)備情況制定評價標(biāo)準(zhǔn)及在線監(jiān)測系統(tǒng)的報(bào)警定值。

　　水壓脈動可以依據(jù)輪轉(zhuǎn)模性試驗(yàn)驗(yàn)收規(guī)程及轉(zhuǎn)輪相關(guān)技術(shù)指標(biāo)和《水力機(jī)械振動和脈動現(xiàn)場測試規(guī)程》GB—T17189—1997等技術(shù)規(guī)程和文件來制定水壓脈動評價依據(jù)或線監(jiān)測系統(tǒng)的報(bào)警定值。

　　2.2 運(yùn)行穩(wěn)定性分析

　　在有完整的測試驗(yàn)數(shù)據(jù)資料的基礎(chǔ)上，才有可能作出結(jié)論明確的分析，以下是機(jī)組帶負(fù)荷穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程軸心軌跡分析：

　　上圖2—1是某大型混流式機(jī)組在不同負(fù)荷運(yùn)行時的軸心軌跡圖，圖中(A)、(B)、(C)、(D)分別是機(jī)組帶不同負(fù)荷情況下水導(dǎo)軸承處軸心軌跡(圖2-1A、C)及上導(dǎo)軸承處軸心軌跡(圖2-1B、D)，很明顯，機(jī)組在不同負(fù)荷運(yùn)行工況，水輪機(jī)流道中流場變化很大，但對上上導(dǎo)軸承處軸心軌跡影響不大，而對水導(dǎo)軸承處軸心軌跡受水力因數(shù)影響極為明顯，圖2-1(A)所示機(jī)組在帶250MW負(fù)荷運(yùn)行時，水導(dǎo)軸承處軸心軌跡近似園型，說明X—Y方向的擺動為一倍頻，而且水導(dǎo)軸承處各方向預(yù)載荷均衡，根據(jù)圖2-1(C)所示機(jī)組在帶160MW負(fù)荷運(yùn)行時，水導(dǎo)軸承處軸心軌跡受水力因數(shù)影響產(chǎn)生了明顯的低頻滾動現(xiàn)象，主要是受轉(zhuǎn)輪出口旋轉(zhuǎn)流場影響，改變了水導(dǎo)軸承處軸心軌跡型態(tài)，這時水導(dǎo)軸承處的水平振動明顯上升(55μm一120μm)，其軸振頻譜也發(fā)生明顯改變。

　　3 水輪發(fā)電機(jī)組振動分析

　　水輪發(fā)電機(jī)組振動是水電站存在的一個普遍問題。運(yùn)行中的機(jī)組不同程度都存在著振動，當(dāng)振動超過規(guī)定的允許值時，便會影響機(jī)組的安全運(yùn)行和機(jī)組的壽命.需及時找出原因并采取措施消除。同時水輪發(fā)電機(jī)組的振動也是一個復(fù)雜的問題，但從振動的原因來看，一般有機(jī)械、水力及電磁等方面的原因。

　　由于機(jī)組機(jī)械部分的慣性力、摩擦力及其他力的于擾造成的振動叫做機(jī)械振動。引起機(jī)械振動的主要因素有：轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、機(jī)組軸線不正、導(dǎo)軸承缺陷等。

　　由水輪機(jī)水力部分的動水壓力的干擾造成振動叫水力振動。引起水力振動的主要因素有：水力不平衡、尾水管中的水力不穩(wěn)定、渦列等。

　　由發(fā)電機(jī)電磁部分的電磁力的干擾造成的振動叫做電磁振動。引起電磁振動的

　　因素有：發(fā)電機(jī)二相不對稱運(yùn)行、發(fā)電機(jī)突然短路等。

　　3.1 水力發(fā)電機(jī)組主軸不同心導(dǎo)致的振動案例分析

　　以下是某高轉(zhuǎn)速混流式機(jī)組、現(xiàn)場經(jīng)多次振動處理后的一組振動特征數(shù)據(jù)：

　　根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果綜合分析，機(jī)組原有的質(zhì)量不平衡導(dǎo)致的振動己消除，但機(jī)組上機(jī)架通頻振動幅值仍然很大(超標(biāo))，其主要振動頻率成份是16.3Hz(二倍頻)及22.5Hz，嚴(yán)重影響機(jī)組安全運(yùn)行，綜合電廠檢修情況及機(jī)組振動發(fā)展情況，對機(jī)組上機(jī)架通頻振動值超標(biāo)(標(biāo)準(zhǔn)為50μm)的主要原因判斷如下：

　　機(jī)組推力軸承組合存在軸線與推力頭鏡板不垂直、軸線對中不好或推力頭松動等問題;上導(dǎo)、下導(dǎo)及水導(dǎo)軸承不同心，各導(dǎo)軸承間隙配合不當(dāng)。機(jī)組停機(jī)大修，對上導(dǎo)、下導(dǎo)及水導(dǎo)軸承同心度及軸線作重新調(diào)整，并對水導(dǎo)軸承處主軸軸頸處偏磨(深度約650μm，角度約70°)進(jìn)行重新加工處理，開機(jī)運(yùn)行后原主要振動頻率16.3Hz(二倍頻)及22.5Hz得到有效改善，通頻振動幅值下降至40μm以下。

　　4 結(jié)語

　　本文通過對現(xiàn)場測試有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，闡述了水力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行的穩(wěn)定性及分析評價方法，通過具有代表性的實(shí)例重點(diǎn)分析了水力發(fā)電機(jī)組主軸不同心導(dǎo)致的機(jī)組振動和受不平衡力的作用導(dǎo)致機(jī)組振動原因，并提出相應(yīng)的處理方法，對水力發(fā)電機(jī)組的振動測量和處理具有借鑒意義。

　　水力發(fā)電機(jī)組的振動是一個很復(fù)雜的問題，有機(jī)械類振動、電氣類振動和水施類振動，水輪發(fā)電機(jī)組在運(yùn)行中產(chǎn)生振動現(xiàn)象是不可避免的，由于水輪機(jī)固有的結(jié)構(gòu)特性，必然產(chǎn)生如尾水管渦帶等水力不穩(wěn)定現(xiàn)象，雖然通過優(yōu)化水利設(shè)計(jì)可適當(dāng)減小運(yùn)行范圍內(nèi)的水壓脈動，擴(kuò)大機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行范圍，但就目前國內(nèi)外技術(shù)看，水輪機(jī)要完全保證全范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行還很難做到。所以優(yōu)化機(jī)組運(yùn)行和采取有效減振防范措施是目前解決水輪機(jī)穩(wěn)定性問題較為有效的手段之一。

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