淺析水輪發電機組振動的測量、分析與故障診斷

余獻富

(國網四川省電力公司技能培訓中心,四川成都 610000)

淺析水輪發電機組振動的測量、分析與故障診斷

余獻富

(國網四川省電力公司技能培訓中心,四川成都 610000)

水輪發電機組的振動是不可避免的,機組的振動從幾μm至幾百μm不等,只有準確測量振動值、分析振動原因,及時采取相應對策,將振幅限制在允許范圍內,才能確保機組安全正常運行。本文介紹了水輪發電機組振動的測量、振動類型及其產生原因,提出水輪發電機組振動判斷的基本方法,為處理不同類型振動提供參考。

水輪發電機組振動分析 振動監測 故障診斷

1 水輪發電機組振動的測量

水輪發電機組的振動是不可避免的現象,若能將其振幅限制在允許范圍內,就能確保機組安全正常運行。為了能了解水輪發電機組的運行狀態是否正常,需要對機組的狀態進行監測,這首先就需要用到傳感器。傳感器是將機械振動的能量轉換成電能的機電轉換裝置。傳感器的性能及傳感器的選用都直接影響整個測試系統的功能。在水輪發電機組振動測試裝置中,常用的傳感器有三種類型:非接觸式電渦流傳感器、慣性式速度傳感器、壓電式加速度傳感器。

傳感器的選用應從兩方面來考慮,一方面是傳感器的性能；另一方面是測試對象的要求,只有這兩方面的結合,才能選擇出滿足測試要求的傳感器。

傳感器的主要性能指標:靈敏度、頻響范圍、分辨率、測量范圍、相移、傳感器的接收形式、環境條件等。

2 機械原因引起的振動及分析

機械故障引起的振動,其頻率和轉頻相同或成整倍數關系。不同原因引起的振動還有自己的特征,機械故障的偶然性和多樣性,不像有些水力或電磁振動那樣有一定的規律。要識別它們,需要對機組各部分的結構、性能、加工、安裝工藝等有一定的了解,同時,實踐經驗和同類別的電廠情況的積累有助于迅速地識別和排除故障。

2.1 軸線不對中

由于軸承中心線偏斜或偏移、轉子的彎曲、轉子與軸承的內隙以及承載后轉子與軸承的變形等原因都將引起軸線不對中。其影響是:產生不平衡離心力；增大轉子弓狀回旋半徑；引起迷宮中較強的壓力脈動,有時還會引起機組的自激振動。有的電廠運行檢修經驗表明,有些不對中的情況還會產生兩倍頻的附加徑向力和擺度,還會有一個轉頻的附加軸向力作用在推力軸承上。因此安裝或檢修過程中,應將軸線擺度控制在規程允許的范圍內。

2.2 軸瓦間隙大

其它條件不變時,軸瓦間隙的大小直接決定轉子弓狀回旋半徑,(基本規律是:間隙有多大,擺度幅值就有多大)；降低轉動部件的臨界轉速。

導軸承間隙增大,臨界轉速將降低如漁子溪由1100r/min到576r/min；葛州壩由276r/min到162r/min。軸瓦間隙增大,大多是在機組運行一段時間后出現的,主要原因:一是徑向不平衡力較大,二是軸瓦支持部件的設計不夠合理。可通過調整轉動部件的靜平衡,或改善軸瓦支持部件的設計即可消除。

圖1 定子鐵心振型示意圖

2.3 鏡板不平

鏡板不平主要是由于加工和安裝上的缺陷所造成的,其特征為擺度波形上有明顯的2倍頻。通過測量,如果發現鏡板平整度未達到要求,應重新加工,以消除該影響。

2.4 推力頭松動

推力頭松動指推力頭內孔和軸頸間存在間隙。當推力頭松動時,機組振動、擺度的特點為:機組運行時的動態軸線姿態會發生突然變化,機組的振動、擺度忽大忽小,呈不穩定狀態。而且,推力頭松動也會給機組盤車帶來困難。

3 水輪發電機的極頻電磁振動及分析

按照振動頻率,水輪發電機的電磁振動可分為:磁轉頻振動和極頻振動兩類。理論上,極頻磁振動的頻率是100HZ及其整倍數,實際上主要為100HZ。極頻磁振動只在共振時才比較明顯。因此,實際工作中要特別注意共振的情況。

3.1 極頻振動產生的主要原因

(1)定子分數槽次諧波磁勢。它引起的振動頻率為100HZ,振幅隨負載電流的增大而增大；(2)定子并聯支路內環流產生的磁勢。定子各相沿圓周分布有很多線圈,它們并聯在一起構成支路,把支路再組合起來構成繞組。并聯支路有兩種布置方式,一種是分布布置,另一種是集中布置。水輪發電機通常采用后一種方式。當支路集中時,轉子的偏心將在支內引起環流,它能產生一系列的不對稱的次諧波勢,與分數槽次諧波類似,它也能引起定子的極頻振動,振動頻率為100HZ。(3)負序電流引起的反轉磁勢。當定子三相負載不對稱時,繞組會產生負序電流,即相序相反的磁場,它與主磁場疊加產生一個空間次數P=0的磁場,引起定子鐵芯作駐波式的振動。(4)機座合縫不好、定子鐵心疊片松動。

3.2 振動原因的判斷

不同原因引起的振動的特點,主要表現為其振型不同。

測出定子鐵芯對應某一振型的固有頻率來判斷共振,一般試驗項目有:

(1)變負荷試驗:在同步轉速下,逐次改變發電機的負荷,測量100HZ振動隨定子電流變化情況,由此確定是否由定子電流次諧波引起。(2)小負荷變速試驗:通過變速試驗確定鐵芯固有頻率,通過對共振時振型的測量確定產生共振的力波的次數和諧波的次數。(3)空載:分別在并聯支路打開和閉合的情況下進行衡勵變速試驗。如果兩種情況下振動沒有差別,表明環流影響較大。在后一種情況下,還可以確定鐵芯的共振頻率和相應的振型。(4)負序電流變速試驗。分別改變負序電流和轉速,測出定子鐵芯100HZ振動隨負序電流的變化和定子鐵芯振型(如圖1所示)。

4 水輪發電機組的水力振動及分析

水力振動相對于水力工況而言是比較穩定的,由水力所激發的壓力脈動的完全相似是十分困難的,而且完全的水力計算目前還無法進行,只能進行一些局部的計算。但是,壓力脈動的影響是可以預防的。水輪發電機組的水力振動主要有以下幾個方面:

4.1 尾水管渦帶

渦帶有實心渦帶和空腔渦帶兩種形態,螺旋狀渦帶將引起壓力脈動,注意渦帶壓力脈動與工況的關系(水頭、流量、空化系數),尾水管渦帶壓力脈動的特點:頻率約為轉速頻率的1/4；出現在以50額定負荷為中心的30～70范圍。

渦帶壓力脈動對機組運行的影響主要在于振動、擺度、功率擺動及其它附加影響。一般采用尾水管補氣來減少尾水管的渦帶壓力脈動,補氣效果的關鍵在于自然補氣的補氣量。

4.2 類轉頻壓力脈動

所謂類轉頻,是指其頻率接近轉速而又不等于轉速。其頻率范圍為(1．01～1．3)fn；(0．7～0．99)fn。它對機組振動的影響主要是機組的垂直振動和全水力系統的強烈壓力脈動。一般出現在額定功率25%～75%左右(隨水頭大小而變化),振動范圍很小。

值得注意的是,類轉速壓力脈動只有在水體共振的情況小才顯示其影響,所以,其預防的關鍵在于進行共振校核。

4.3 迷宮止漏裝置中的壓力脈動

當迷宮中間隙發生周期性變化時,就會在其間隙中產生壓力脈動。迷宮壓力脈動一般為轉頻,并作為總水力不平衡的一部分。

迷宮中壓力脈動達到一定程度并且和大軸的擺度方向成一定角度時,就可能引起轉動部分的自激振動。迷宮引起的自激振動的情況主要與迷宮的結構和尺寸密切相關。

4.4 卡門渦

卡門渦是水流繞流物體在尾部兩側交替產生的周期性流動分離現象。水輪機中的卡門渦受工況和結構的影響特別強烈。它主要影響在于引起固定導葉、活動導葉、轉輪葉片和局部水體的共振。

在進行轉輪葉片共振判斷分析時,主要觀察其是否有強的、頻率比較單一的噪音或金屬共鳴聲。

5 水輪發電機組的振動故障診斷

水輪發電機組振動故障診斷是對采集的數據進行分析,根據征兆進行推理,確定故障的原因、性質和部位以及對策的過程。除了需要熟悉旋轉機械原理、結構和運行以及故障機理和特征等方面的知識外,還涉及到傳感器、力學、數學、信號處理和人工智能等,因而需從系統論和故障診斷工程的角度進行綜合考慮。從故障診斷的全過程來分析旋轉機械故障的特征,滿足其要求,是旋轉機械故障診斷研制的出發點和目標。

對于旋轉機械進行故障診斷的過程,就猶如醫生對病人的診斷過程,醫生通過切脈、量體溫、量血壓、做X光透視、做超聲波等檢查,最后經過綜合分析,才能確定是什么病。對旋轉機械的故障診斷也是如此,通過轉速試驗、調相試驗、負荷試驗、勵磁試驗對機器運轉狀況進行監測,記錄數據,通過數據分析、判斷,故障是什么,可能的原因是什么,以及估計機器的運行趨勢和提出治理建議。

在旋轉機械的實際運行中,經常是一個振因產生幾個不同頻率的振動成分,或一個振動頻率對應多個振因。猶如同一個病因在不同人身上有不同的癥狀；或同一癥狀在不同人身上有不同的病因。所以,在判斷故障時,不是一件簡單的事情,必須進行綜合分析才能得出比較準確的判斷。

故障診斷不僅要求有較為完整的監測和采集系統,而且要求對轉子——支承系統的各類振動問題的一般規律及其表現出的現象有深入的了解。只有兩者的結合,才能判斷出故障的原因及其在機器上的可能部位。

故障診斷涉及到多方面的因素,要求專業人員對監測系統和被測對象有深入了解。

6 結語

雖然水輪發電機組的振動是不可避免的,只要我們正確分析振動現象,找到引起振動的原因,采取相應的措施,就能將振動控制在允許范圍之內,從而保證機組的安全運行。