水力發電廠機組運行穩定性監測與評價分析

摘要:水力發電機組的振動是一個很復雜的問題，它是由多種因素引發的。在設備運行生產管理工作中，應加強對機組振動現象及其危害性的分析與處理。通過對現場測試數據進行分析，闡述機組運行穩定性監測及分析評價的方法，提出相應的處理措施。

關鍵詞:水力發電機組;運行穩定性;監測

中圖分類號:TM769 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3198(2010)02-0279-01

近年來一些地區的中小水力發電廠建設發展十分迅速，新建中小水力發電機組大量投入運行。但電廠機電設備的制造、安裝、調試及竣工驗收等各方面存在很多問題，使某些機組投入運行后機組運行穩定性差，振動擺度超標，導致機組架機、軸系、主軸等方面機械損傷，影響機組的安全運行。本文針對水力發電機組的運行穩定性監測及某些振動處理案例進行了分析探討。

1 水力發電機組運行穩定性監測

水力發電機組運行監測測量參數及測點的布置需要根據試驗目的和機組的結構具體確定。下面從水力發電機組運行穩定性試驗(分析)角度出發，以常見的懸式及傘式混流式機組為例，對測點布置、試驗工況、運行穩定性分析等方面進行探討。

1.1 試驗測點布置

測點布置是試驗的關鍵。合理的測點布置，會使試驗結果全面正確的反映出機組的真實運行情況，否則會導致試驗結果失真，數據有效性差，難以作出全面的分析及判斷。

1.1.1 水力機械振動、(主軸)擺度測點布置及測量儀器

為評價機組的振動水平一般測量振動位移值，考慮到傳感器的低頻特性，一般采用速度型振動傳感器，對于以暫態過程的振動測量分析為重點時，還必須考慮傳感器的暫態響應特性是否能滿足測量要求，考慮使用加速度傳感器。振動應在機組的關鍵部件和部位上測量，如各導軸承和推力軸承的軸承座、支架及水力機械頂蓋等位置，以達到對機組在不同運行工況下受機械、水力、電磁等不同因素所導致的振動進行分析的目的。一般在各導軸承座或支架的互成90°的兩個方向上布置水平振動測點，在推力軸承機架上的振動測點，盡可能靠近旋轉中心的一個或兩個軸向方向上布置垂直振動測點，同時在徑向布置水平振動測點。在水輪機頂蓋上靠近旋轉中心的軸向和徑向兩個互成90°的方向上分別布置垂直及水平振動測點。為分析機組運行過程中主軸的運行軌跡及動態空間軸線，分析主軸的對中及各導軸承的同心度、導軸承各方向的預載荷情況，需要在主軸徑向靠近導軸承處兩個互成90°的方向上測量主軸擺度，一般采用電渦流傳感器測量。如果需要測量絕對軸振(主軸擺度)時，傳感器應安放在固定于基礎的支架上。為分析機組運行過程導致機架振動的主導因素、測試機組在暫態過程工況或某些運行工況下出現抬機或軸向串動現象還應在適當位置(如推力頭鏡板、連接法蘭、剎車盤)安裝測量主軸軸向位移的電渦流傳感器。對于相位測量，可采用光電或電渦流傳感器檢測主軸脈沖信號。

1.1.2 水壓脈動測量部位

水壓脈動一般在下述部位測量:①鋼管末端蝸殼進口斷面處;②水輪機轉輪與活動導葉之間，轉輪進口處;③上迷宮;④尾水錐管段;⑤如有條件，尾水管肘管進口處、中部及出口斷面處。對于混流式水輪機而言，以上測點布置可以滿足大部分情況下的常規運行穩定性分析的要求。對某些特殊情況可能還需要監測，如功率、導葉扭矩、軸承支架應力變化等。

1.2 試驗工況

試驗工況取決于機組情況及試驗目的，主要有以下幾種:(1)變轉速試驗。機組轉速逐級升高到額定轉速或以上。(2)暫態過程試驗。包括開停機及機組甩負倚過程。(3)變負荷試驗。包括變勵磁、空載(并網前)、變負荷等不同試驗工況。(4)調相試驗。一般情況不進行，如果機組有調相任務或為判斷機組故障現象時進行。

2 水力發電機組運行穩定性評價及分析

2.1 振動、擺度、水壓脈動評價標準

對于水力發電機組的振動、擺度可依據GB/T 6075--2002《在非旋轉部件上測量和評價機器的機械振動》和GB/T 11348—1999《旋轉機械轉軸徑向振動的測量和評定》等標準結合各電廠設備情況制定評價標準及在線監測系統的報警定值。

水壓脈動可以依據輪轉模型試驗驗收規程及轉輪相關技術指標和GB/T 17189—1997《水力機械振動和脈動現場測試規程》等技術規程和文件來制定評價依據或監測系統的報警定值。

2.2 水力發電機組的運行穩定性分析

在有完整的測試數據資料的基礎上，才有可能作出結論明確的分析。以下是幾個不同電廠的典型水力發電機組的運行穩定性分析案例。

2.2.1 暫態過程(停機過程)及機組帶負荷穩態運行過程振動及擺度頻譜分析

某電廠機組上導擺度受水力因素影響較小，主軸擺度以轉頻為主，其他分量很少，因此從上導擺度可以判斷，主軸不會有嚴重的不對中或曲折現象。上機架垂直振動級聯圖分析，上機架振動存在65.7Hz和15.4Hz的垂直振動模態，停機過程中會引發較大的垂直振動。機組在停機過程中，導葉完全關閉，勵磁開關斷開且轉速還沒有明顯下降。此時的擺度，可認為主要由質量不平衡和靜態彎曲綜合引起，而靜態彎曲的大小在整個停機過程中是恒定的，故質量不平衡是產生機組擺度的主要原因。水力激振因素主要表現在水導擺度和頂蓋振動上，在不同的負荷區間，水力激振的頻率特征是不相同的，主要有以下4個成分:

(1)轉頻脈動在0～5MW和20～25MW負荷區間內較為明顯。

(2)50～70Hz脈動，在0～16MW負荷區間都會出現。

(3)1.4Hz左右的低頻渦帶，主要出現在10—15MW負荷區間內，且對機組穩定性影響最大。

(4)葉片頻率脈動，在所有負荷區都存在，但數值較小。

2.2.2 受不平衡力的作用導致機組振動處理案例

某大型水輪發電機組，其上機架水平振動達280μm，上機架擺度為890μm，為分析振動原因及處理，從機組啟動、變轉速、變勵磁、變負荷不同運行工況，對機組的振動、擺度、水壓脈動等參數進行了全面的測試。

由測試的頻譜成果分析，機組上機架振動及擺度主要由轉頻(2.27Hz)引起，在穩定負荷區，隨著負荷加大，其各導軸承處擺度值變化不大，但振動及擺度隨機組轉速及勵磁相關變化明顯，機組存在明顯的質量不平衡及磁拉力不平衡，是導致機組振動的主要原因。因此根據機組空載振動相位及帶負荷后磁拉力不平衡振動相位綜合考慮最終在相位130°處配重243kg，使機組上機架在空轉及帶負荷(270MW)時的振動分別由150μm及280μm下降到90μm及98μm;機組上機架在空轉及帶負荷(270MW)時的擺度分別由660μm及890μm下降到460μm及540μm。

由于磁拉力不平衡的存在，無法靠質量平衡進一步處理振動問題，因此該機組在枯期大修期間對轉子磁極匝間絕緣、定子圓度及轉子磁極圓度進行了測量，最終發現磁拉力不平衡主要是由于轉子磁極偏心導致的，雙邊最大偏差達1.8mm，而且轉子磁極整體偏心角度與試驗矢量分析相位偏差小于10°通過對轉子磁極的調整，趨正轉子磁極偏心度，磁拉力不平衡所導致的振動分量得到了有效的消除，最終機組上機架通頻振動幅值都在80μm以內。

3 結束語

水力發電機組的振動是一個很復雜的問題，它是由多種因素引發的。在設備運行生產管理工作中，應加強對機組振動現象及其危害性的分析與處理。本文通過對現場測試數據進行分析，闡述了機組運行穩定性監測及分析評價的方法，并通過具有代表性的實例重點分析了水力發電機組主軸不同心導致的機組振動和受不平衡力的作用導致機組振動的原因，并提出了相應的處理措施。

參考文獻

[1]曹林寧.水力發電機組故障診斷建模方法研究[J].人民長江，2009，(15) .