竹洞電站機組振動處理

何卓知

（湖南省郴州市一中 郴州市 423000）

1 概 述

竹洞電站水頭200m，流量0.3m3/s，機組容量400kW，為沖擊式機組，型號為CJ26—W—70/1X8，發電機型號為SF400—8/990，2012年安裝，同年12月進行試運行。該機組一開機，就感覺機組的振蕩比較大，用百分表測得振動幅度大于1mm，用手摸上去振感強烈。

2 原因分析

按常規分析，造成這種振動過大的原因肯定是機組的同心度有問題，偏心太嚴重，但經檢查，機組的同心度小于0.25mm，滿足廠家標準及國家標準要求，為了慎重，在裕度內，將同心度盡量調小到0.2 mm以內；并重新檢查機組前后軸的徑瓦間隙，在滿足瓦溫的情況下，盡量調小。機組重新開機運行。開機試驗表明，這種處理仍不行，振動依舊，而且運行2個月后，水輪機的6個地腳螺絲都出現了松動。因為水輪機的下面有一個下水室，分析考慮是混凝土的強度不夠，沒有達到混凝土的強度要求，因此將水機室的所有地腳螺栓挫掉，重新灌注高標號混凝土，達到養護期后又開機，運行2個月后，機組運行狀況與沒有處理一樣，還是振動很大，而且水機室的尾水也從下面往上冒，隨著時間越長，情況越嚴重。

通過上面的處理，我們只能將機組的振動原因往機組的制造上面考慮，因為機組安裝方面的所有原因都已經排除。按照機組的制造程序，水輪發電機轉子與水輪機轉輪在制造過程中，應校驗它的靜平衡與動平衡，目的也是為了防止機組在轉動過程中，產生不平衡的轉動慣量，但機組因為容量小，廠家是整體組裝到貨，因此廠家的制造過程我們無法知道，但憑外觀，目測飛輪，沒有發現有校過平衡的痕跡。因此我們大膽推測，該機組的轉動部分沒有做過平衡試驗，最起碼其動、靜平衡有問題。

3 處理過程

因為條件限制，電站現場沒有辦法做動、靜平衡試驗，因此，我們大膽設想，能不能減小機組轉動部分的飛輪力矩呢？

機組的轉動部分由發電機轉子、水輪機轉輪、主軸、飛輪組成。其中發電機轉子、水輪機轉輪、主軸等三部分是沒辦法減小的，唯一能做的文章是能否將飛輪取下。

我們知道，運行當中水輪發電機組的轉動部分有一個飛輪力矩，用GD2表示，簡單地說，飛輪力矩是表示電力系統出現大干擾時，機組轉動部分保持原來運行狀態的能力，它直接影響到發電機在甩負荷時的速度上升率和系統負荷突變時發電機運行的穩定性，對電力系統的暫態過程和動態穩定有很大的影響，還與機組的造價密切相關。通常GD2是由水輪機的調節保證計算確定的，調節保證計算是解決水力慣性、機組慣性、和調整性能三者的矛盾，以期達到水工建筑物和機組造價最節省的目的，其選定數值應能滿足電力系統動穩定的要求。飛輪力矩大，機組甩負荷后的轉速上升率就慢，則可允許較大的管道壓力上升率，從而可以減小引水鋼管直徑或減小鋼管壁厚，可以不設調壓井。

當水輪發電機基本尺寸確定后，GD2值可按下列經驗公式估算：GD2=KD3.48L

式中 D——定子鐵芯內徑（m）；

L——定子鐵芯長度（m）；

K——經驗系數。

當要求的GD2值小于按上式估算的發電機本身能提供的GD2值時，則需增加發電機重量和造價，也延長了機組的啟動時間，增加了機組的空載開度，故需要綜合考慮，在滿足調節保證計算及電力系統穩定要求的前提下，其值以接近機組結構設計固有的飛輪力矩為宜。對于竹洞電站這樣的小機組，要增加飛輪力矩，最好的辦法就是加裝飛輪。

飛輪力矩對于給定的鋼體和轉軸，它是一個常數。GD2不能簡單地看成是轉子重量乘以某一直徑的平方，只有在均質圓環的特殊情況下，才可以近似是這種關系，繞定軸轉動的物體都具有一定的轉動慣量，轉動慣量是物體在轉動過程中的慣性大小的量度，即反映物體維持原有運動狀態的能力。轉動慣量是指剛體內各質點的質量與其轉軸距離平方的乘積，由轉動慣量的定義可以看出，在質量相同的情況下，轉動慣量與質量的分布有關。

在工程上往往用飛輪力矩GD2來代替轉動慣量，而飛輪力矩并不等于轉動慣量，它們之間的關系近似為GD2=4gj

在一定大小的力矩作用下，轉動慣量越大，角加速度越小，也就是角加速度越不容易改變。利用轉動物體的這種性質，可以減少機組轉速的周期性波動。并且在機組發生甩負荷時，機組的轉速不至于急劇上升。經過計算，竹洞電站發電機的飛輪力矩為：

式中 D——定子鐵芯內徑為0.93m；

K——經驗系數取5.5（查表所得）；

L——定子鐵芯長度0.99m。

求得：GD2=5.5×0.99X0.933.48=4.57972

飛輪的飛輪力矩為：0.358

水輪機轉輪的飛輪力矩為：0.02448

飛輪的與水輪機轉輪的飛輪力矩之和為：0.38248

可以看出：飛輪與水輪機轉輪的飛輪力矩不到發電機飛輪力矩的10%，所以我們認為將飛輪拆除不會對機組的穩定造成很大的影響。同時，飛輪為鑄鋼件，沒有做動、靜平衡試驗，加工精度不高，不是一個均質的圓環，很可能會產生一個不平衡的旋轉力，對機組產生了一個破壞性的振動源。

從電力系統方面來講，飛輪力矩除影響到發電機在甩負荷時的速度上升率外，還會影響系統負荷突變時發電機的穩定性，當水輪發電機的負荷切除時，水輪機的驅動轉矩與發電機的電磁轉矩一時失去平衡，機組的轉速發生變化，對電力系統也會形成擾動。這臺機組雖然是并網運行，但對電力系統的暫態穩定不會有能感覺到的影響，因為容量相對于國家電網這個平臺實在是太小了。不像20世紀60、70年代，很多地方是小機組單機運行，需要單機進行調頻、調壓運行。目前像這樣的小機組并入電網，基本上是參與大電網的帶基荷運行。

從機組調節保證計算的角度分析，取消飛輪會使機組轉速上升率較快，但水輪發電機組本身的結構設計又有比較好的避免方案，因為機組設計了全偏流裝置與水輪機逆向噴水裝置，但全是手動操作機構，所以經過分析后我們決定將偏流裝置與逆向噴水裝置都改為電動裝置，與并網開關的輔助觸點相連，這樣機組一跳閘，偏流裝置與逆向噴水裝置同時動作，這樣既控制了機組的轉速上升率又能保證管道壓力上升值在安全范圍內。

4 處理結果

經過上述分析，我們將飛輪拆除，重新加工一個均質的聯軸器，將機組安裝后又開機，測得所有振動數據均符合要求，而且經過甩負荷試驗，機組的振動、瓦溫、管道壓力上升值都達到了理想的效果，到目前為止，安全運行良好。