水輪發電機組在實際運行中的振動及處理

蘭 富

(四川省水利電力工程局，四川資陽 641300)

1 概述

機組運行的穩定性是水輪發電機組工作性能的重要指標，在實際運行中出現的不穩定性是機組設計、制造、安裝、運行和檢修中需要解決的、非常突出的問題之一。

影響機組穩定性的原因主要有以下幾個方面:機組工作水頭和出力;水壓脈動，水流周期性沖擊;機組支承部分的振動;轉動部分的振擺;調速系統的振蕩;電磁振動;機組內部不正常聲響等。

水輪發電機組的振動是非常有害的現象，它會降低機組的供電質量，威脅機組的安全運行及使用壽命，惡化電廠的工作環境;更為嚴重的是振動可使焊縫開裂、零部件疲勞斷裂飛出。但是，水輪發電機組運行中出現的這種振動又不可避免。每座水電站的水輪發電機組運行的工況均受到電網、水文、氣候、制造、安裝和時間等許多因素的影響，故只能在一定的技術條件下將振動盡量地減小，并將其控制在一定的允許范圍內，以保證機組運行的長期穩定性。筆者針對一個新安裝的電站機組在實際運行中發生振動中的一些特殊現象就其原因進行了分析，介紹了處理的全過程。

2 振動現象的發生

某電站的一臺新安裝機組為立式混流金屬蝸殼，其技術參數為:

額定水頭 67.5 m; 額定功率 16 MW;

流 量 26.5 m3/s;額定電流 1 035 A;

額定轉數 375 r/min;額定電壓 10 500 V。

該機組在安裝調試時各參數均控制在國家規范內，空載運行及帶負荷運行均正常。當定子三相電流不平衡頻繁出現時，發電機發出了異常的尖鳴聲和激烈的振動現象，而且該現象持續時間要占整個運行時間的一半以上。運行將近3個月后，出現了下機架基礎松動、下導軸瓦燒傷、整機的振擺嚴重超標等問題(表1)。

表1 機組額定空載運行振擺數據實測表 單位:μm

3 振動產生的原因分析

筆者根據多年的實際經驗進行分析后認為其產生的原因主要有兩個方面:

(1)因為該電站的用戶是鐵路機車，而鐵路機車的最大特點是單相用電，故電網負荷嚴重不平衡使電機處于不對稱運行工況(據運行記錄:某單相電流最大時可達1 300 A，三相電流相差最大可達到600 A;而同步發電機的不對稱運行范圍要求每相電流不超過額定值，負序分量不超過額定電流的8% ～10%)，其在發電機定子電流中產生了較大的負序電流，該負序電流會引起兩種不良后果:①它將產生與轉子轉向相反的旋轉磁場，在轉子鐵芯和繞組中感應兩倍頻率的電動勢及相應的電流，從而引起附加鐵損耗和銅損耗，使轉子過熱，進而影響零部件的物理、化學和力學性能;②負序磁場與勵磁磁場間有2 ne(ne為額定轉速)的相對速度，會引起100 Hz的交變電磁轉矩，它將同時作用在轉軸和定子鐵芯上而引起100 Hz的振動，嚴重時將造成電機結構損壞。發電機在不對稱系統中運行時，如該電機的任何一相電流均不超過額定值，且負序分量與額定電流之比最大不超過12%時則其可以長期運行;若該電機在超過以上允許的范圍運行時可以明顯地觀察到:發電機的噪音是尖鳴聲，振動的雙振幅值增大，所測值超過允許值，而且該機組在不對稱的系統中運行幾乎要占整個運行時間的一半以上。

(2)在機組運行過程中，電磁振動和其他振動的相位疊加超出了機組的承受能力，從而使機組軸線產生了折線，如下導滑轉子變形等(因下導滑轉子是熱套在轉子大軸上的，在轉子振動積聚加大的情況下，造成了下導滑轉子移位變形與大軸不同心的現象，這一點可以從下導滑轉子與大軸法蘭的盤車擺度不成等比例增大看出)，導致出現上述結果。

4 處理方法

(1)經過筆者與電站相關方面的技術人員共同會診后，決定鑿除該機組下機架已松動的基礎混凝土，重新校正下機架中心、水平并澆筑基礎混凝土;在混凝土養護期間著手拆機檢修的準備工作。另外，盤車時需要在發電機大軸法蘭與水輪機大軸法蘭間加厚度為0.35 mm銅墊以滿足各道軸承擺度值的要求。

在完成以上工作后開機運轉，經測試，在空轉、空載、帶負荷等正常工況下的振動參數均符合國家現行安裝技術規范要求，在14～16 MW出力區間，機組運行的各振擺參數均在國家規范之內，水輪發電機振動(雙幅)允許限值見表2。

(2)為保證該電站機組運行的穩定性，對該機組做了動平衡試驗。經過專業試驗人員對該機組進行動平衡試驗，最終在轉子下端面配了23.8 kg的重量，減小了因機組轉動不平衡引起的振動。

(3)在處理過程中，筆者向建設方建議，對電網的三相負荷進行調整。建設方調整了電站上網的方式，從而使三相電流不平衡出現的頻率降低，最大值也從1 300 A降至850 A左右;機組電流的變化情況:單相最高在850 A時，其他一相為620 A左右，基本符合發電機在不對稱系統中運行的要求:如該電機的任何一相電流均不超過額定值，且負序分量與額定電流之比最大不超過12%時，即可以長期運行。

表2 水輪發電機振動(雙幅)允許限值表 單位:mm

經過重新盤車、改善電網和動平衡試驗后，該機組的運行情況良好。從表3中可以看出機組的振擺在配重后不同工況時的具體數據。

表3 機組在配重后空載運行時振擺數據表 單位:μm

5 結語

水輪發電機組的振動受電網、水文、氣候、制造、安裝和運行工況等許多因素影響，既使是同一電廠不同機組的振動情況都會不一樣。筆者在此僅作初步探討，供同行參考。在實際運行過程中遇到不同的機組振動情況時，要認真的加以分析研究，科學、全面的探討現象內在的主要原因，才能制定出相對準確、快捷的、解決問題的方案。

［1］水輪發電機機組安裝技術規范，GB/T8564—2003［S］.

［2］謝 明，張廣溢，主編.電機學［M］.重慶:重慶大學出版社，2004.

［3］劉 云，編著.水輪發電機故障處理與檢修［M］.北京:中國水利水電出版社，2002.

［4］王 海，著.水輪發電機組狀態檢修技術［M］.北京:中國電力出版社，2004.