水電廠機組振擺異常分析

潘立平

(云南電力技術有限責任公司，昆明 650217)

1 前言

某水電廠裝機容量3×95 MW，從運行情況來看，該機組一直存在定子機座及上機架水平振動較大、上導擺度超標、空載及低負荷區運行時水導擺度偏大等問題。機組水輪機型號為HLA551－LJ－460，發電機型號 SF95－44∕9200，額定水頭54 m，額定轉速136.4 r/min。機組結構型式為立軸半傘式，上導軸承位于轉子上方上機架中心體內，推力軸承位于轉子下方的下機架上部，下導軸承位于下機架中心體內，水導軸承位于水輪機頂蓋上方。各導軸承均采用分塊式巴氏合金瓦，推力軸承則采用分塊式彈性金屬塑料瓦、彈性油箱支撐的自調均載結構。上機架為井字梁結構，由中心體和四個支臂焊接而成，中心體兼做導軸承油槽;下機架為承重機架，由中心體和六個支臂組焊接合成一體。發電機轉子支架為圓盤式斜筋焊接結構，定子機座分四瓣，組焊成整圓，通過支墩安放在基礎板上，基礎板與支墩之間設徑向銷，并用螺栓連接。

2 振擺測試與分析

2.1 機組振擺測試

首先根據機組的結構特點和穩定性狀況，有針對性的布置測點，然后機組手動開機，逐步增加轉速至60%Nr、80%Nr及100%Nr，記錄對應轉速下的振動擺度波形，機組空轉運行穩定后，發電機加勵磁至空載狀態.

2.2 振擺特征分析

1)從機組變轉速試驗來看，上導、下導、水導擺度以及上機架水平振動、水導水平振動隨轉速上升有較明顯的增加。空轉運行時，上機架中心體和水導+X向水平振動分別達到了73 μm和57 μm，振動接近規程限值。從振動相位來看，上機架水平振動相位穩定 (約310°)，振動頻率主要是轉頻 (2.27 Hz)，基本可以判斷發電機轉子上端面存在一定的質量不平衡，引起上機架水平振動和上導擺度偏大。

2)空轉工況下，上導、下導和水導+X向擺度值分別為 258 μm、181 μm、380 μm。依據規程要求，機組運行擺度 (雙幅值)應不大于75%的軸承總間隙，而2號機組檢修后上導、下導及水導軸瓦雙邊間隙調整后約為340 μm、300 μm、400 μm，由此可見，機組下導擺度正常，上導擺度和水導擺度值均超標，其中上導擺度超標與轉子上端面質量不平衡有關，可以通過配重的方式進行處理。

3)從運行記錄來看，2號機組檢修前在空載及中低負荷區運行時水導擺度偏大。此次檢修對機組軸線進行了調整，盤車數據正常，但機組空載運行時，水導擺度偏大的情況依然存在。從機組帶負荷運行，在線監測系統數據來看，高負荷區各部振擺均有所減小，其中滿負荷時水導X向擺度272 μm，Y向擺度202 μm，相對于空載工況，水導擺度有明顯減小。水導擺度偏大與水力不平衡有關，機組在中低負荷及空載運行時，水輪機偏離最優工況，轉輪流態不穩定，蝸殼及尾水壓力脈動對水導擺度的影響比較大。參考電廠其他機組 (1號機組)分水頭下穩定性試驗報告，70 MW以下基本上是機組的振動區。

4)發電機加勵磁后對機組各導擺度及上、下機架影響較小，其中下機架水平振動基本不變，上機架水平振動增加了10 μm左右，但發電機定子機座水平方向振動由10 μm增加到了50 μm，振動值超標，且振動頻率主要是2.27 Hz轉頻、4.54 Hz二倍頻以及6.81 Hz三倍頻。發電機滅磁后，機組由空載回到空轉狀態，定子機座水平振動馬上恢復到10 μm左右。顯然，發電機存在磁拉力不平衡現象。

5)磁拉力不平衡是導致定子機座水平振動超標的主要原因，磁拉力不平衡一般與定轉子間空氣間隙不均勻、轉子磁極繞組匝間短路、磁極松動、定子機座剛性不足等因素有關。從檢修情況來看，定轉子圓度滿足規范要求，發電機空氣間隙正常，氣隙平均值17.32 mm，最小值16.60 mm，最大值17.80 mm，滿足規程要求。

3 故障處理

3.1 動平衡配重處理

通過上面的分析可知，該機組振擺異常與機械、電磁、水力三個方面都有關系。其中，機械方面的原因比較明顯，發電機轉子存在一定的質量不平衡，可以通過動平衡配重處理，減小上機架水平振動和上導擺度值。根據上機架水平振動波形高點與鍵相脈沖信號的關系，計算出振動相位，同時根據試加重公式計算出試加重量，然后在發電機轉子上端面沿鍵相位置逆時針旋轉約310o處加配重塊。

經過配重處理后，上導和下導擺度均有所減小，其中上導擺度減小了約100 μm，上機架中心體水平振動值減小了約40 μm，且振動相位基本未改變。機組上導、下導擺度情況良好，上、下機架振動能滿足規程要求。從轉子動平衡效果來看，配重后對水導擺度和水導振動影響很小，同時加勵磁后發電機磁拉力不平衡現象依然存在，空載運行時定子機座水平振動相對于配重前基本不變。

3.2 定子機座水平振動超標處理

機組定子機座水平振動有所超標，發電機存在磁拉力不平衡，且無法通過轉子配重的方式進行處理。這需要進一步對發電機轉子進行交流阻抗和功率損耗測試，詳細測量轉子繞組總的阻抗值以及各個磁極的交流阻抗值，并與原始數據進行對比，同時橫向比較各磁極之間的實測值偏差，判斷有無匝間短路等磁極缺陷，并進行相應處理。

3.3 運行建議

機組在空載及中低負荷運行時，水力因素對水導擺度的影響比較明顯，滿負荷時水導擺度相對于空載時大幅減小。水導擺度隨負荷的增加，其變化規律符合混流式水輪機組的一般特點。由于中低負荷時的水導擺度值位于不宜長期運行的C區，應盡量避免機組在振動區運行。

4 結束語

水輪發電機組的振動和擺度影響機組的長期安全穩定運行，是電廠重要的控制指標，相關規程也有明確要求。振擺問題涉及到機械、電氣、水力三個方面的因素，實際情況往往比較復雜，在實際故障診斷過程中，常采用機組變轉速、變勵磁甚至變負荷的方法，全面測試機組關鍵位置的振擺波形，從中尋找和提取出有效特征信息，綜合分析后逐一排查并確定故障原因，才能進行針對性處理。

［1］DL/T 507－2002.水輪發電機組啟動試驗規程 ［S］.2008.

［2］GB/T 11348.5－2002.在非旋轉部件上測量和評價機器的機械振動 ［S］.2002.

［3］GB/T 8564－2003.水輪發電機組安裝技術規范［S］.2003.

［4］李延頻，李明堂，任巖，等.水輪發電機組振動分析及處理 ［J］.水力發電，2008，34(6):67－69.

［5］沈東.水力機組故障分析［M］.北京:中國水利水電出版社，1996:39－59.