水輪機發電組振動異常分析

余冬

(云南電力技術有限責任公司，昆明 650217)

0 前言

水輪發電機組的振動主要由機械因素、水力因素及電磁因素引起。根據近年來國內多個大中型水輪發電機組統計數據，在空載工況下機組振動擺度偏大常見原因有轉動部件質量不平衡、機組軸線偏曲、軸承導瓦間隙偏差、轉子磁極線圈匝間短路、支撐剛度不足等;而在帶負荷工況下機組振動擺度偏大常見原因有尾水渦帶工況、水機迷宮環壓力脈動異常、機組水力結構性共振等。

以下對某水電站投產時出現的機組振動偏大表象、特征及誘發原因進行分析。

1 故障概述

某水電站裝設三臺單機容量80 MW 的混流式立式水輪發電機組在啟動調試過程中出現振動異常超標現象。

經過儀器監測，機組在開機過程中轉速較低時各部位振動擺度數據正常，機組低轉速下各導軸承擺度值接近機組盤車數據，且無明顯振動，但當機組轉速在到達69%額定轉速后，機組各部位振動擺度出現了約2 倍轉頻的振動，且隨轉速進一步上升振擺幅值持續上升，在機組到達額定轉速后機組振動幅值超標嚴重，主要振動頻率約為2.2 倍轉頻。通過檢查分析，基本排除機組動靜摩擦、軸系偏曲、軸承瓦間隙調整不合理、機組緊固件松動等純機械因素造成機組振動的可能性。考慮到水力因素的可能影響，增加了對機組導葉后水壓、轉輪上冠水壓、尾水進口壓力、蝸殼壓力進行了監測，在80% Nr 下，水壓脈動無明顯異常，未出現周期性的水壓變化。

因轉輪上、中、下止漏環未設計測量管路，暫無法判斷轉輪止漏環部位水力因素對機組故障有無明顯影響。

2 動平衡試驗及配重處理

雖然2 倍頻振動與機組動不平衡所表現的特征并不相符，但考慮到在低轉速時機組存在一倍轉頻的振動，在不明確引起機組異常振動原因的情況下，為驗證機組質量不平衡對機組振擺偏大造成的影響程度，對機組進行配重。經過動平衡試驗計算，在發電機轉子下端面半徑為1.82 m 相位為290 度處配重20 kg，在發電機轉子上端面半徑為1.82 m 相位為300 度處配重40 kg，總共配重60 kg。配重后，機組轉速至85% Nr，機組下導及水導擺度、機組上機架水平振動上升明顯，其中上機架水平振動及下導擺度已嚴重超標。但此時機組各部位振擺的一倍頻成分已非常微小。可見隨轉速上升，機組配重量對一倍轉頻引起的振擺起到抑制，但對二倍頻引起的振擺無明顯效果，機組振擺依然較大。經與電站協商，決定再次在發電機轉子上端面半徑為1.82 m 相位為300度處配重20 kg。但再次配重后，在相同工況下，各部位振動擺動無本質變化，機組仍然存在約二倍頻的超標振動。

以上結果進一步驗證，機組異常振動與機組質量不平衡無直接關聯，不能采用配重的方法處理此缺陷。

3 空轉工況下快關導葉試驗

在檢測手段有限的情況下，為進一步分析機組轉速、水力因素與機組振動的關系，進行了一項空轉工況下(80%額定轉速)快速關閉機組導葉試驗。試驗方法為:將機組開至80% Nr 空轉工況，待機組轉速穩定后，按緊急停機按鈕，機組導葉迅速關閉，過機水流切斷，由于機組轉動慣量較大，此瞬時機組轉速保持在80% Nr 附近，觀測對比導葉關閉前后機組振動擺度變化情況。從以上數據看出，機組在80% Nr 時，導葉關閉前后狀態發生明顯變化，機組異常振動擺度在導葉關閉后迅速消失，機組振擺主要頻率由約2 倍頻突變為1 倍頻率，幅值明顯減小。

綜上，可初步判斷:

1)機組異常振動擺度與機組轉速無直接因果關系;

2)機組異常振動與水輪機水力因素關聯可能性較大，需進一步驗證。

4 水導瓦加工處理

在明確水力因素對機組的影響后，縮小了分析范圍，電站組織安裝方對水輪機各部件進行全面清查，發現在安裝過程中發現機組水導瓦瓦面弧度與水導軸領弧度配合存在偏差，不滿足設計要求。隨即對水導瓦瓦面弧度進行重新加工處理，經處理后，重新開機試驗，更換水導瓦后，機組振動擺動明顯減小，雖然在額定轉速下機組任然出現不規律的2.2 倍轉頻，但幅值已能滿足規范要求，可見機組水導瓦加工精度偏差與機組振動擺度異常有一定聯系。

5 機組帶負荷運行情況

機組在帶負荷運行后，在水頭為140 m 附近時(額定水頭150 m)能夠在55 MW 以上高負荷區間正常運行，但存在水力不穩定區間較寬(約10 MW 至55 MW 范圍附近)的問題，在此不穩定區間內機組振動擺動偏大且主要頻率為約2 倍轉頻。根據混流式水輪機的特點，在機組運行水頭上升至額定水頭及以上時，水力不穩定區間會向高負荷區間偏移，且水力不穩定幅度也會隨水頭增加而增加;屆時機組穩定運行空間會更加狹小，經過估算只能在65 MW 至80 MW 附近運行。

綜上，經過處理水導瓦后，機組能夠在高負荷區間運行，但正常帶負荷能力受到限制，偏離了設計及運行的要求，機組存在的故障未能得到根本性的解決。

水導瓦加工誤差是導致機組振動偏大的誘發因素，并非根本原因。

圖1 機組振動隨負荷變化趨勢圖

6 轉輪下環排水管總閥關閉試驗

電站機組型式為高水頭混流式水輪機，在機組運行時有可能在轉輪中止漏環與下止漏環之間空腔形成局部壓力偏高，且隨轉輪旋轉引起水壓脈動。在設計時為防止這種現象發生，特意在轉輪下環處增加下環排水管，如圖2、圖3 所示。

圖2 電站水輪機密封裝置示意圖

圖3 某電站水輪機下環排水管布置圖

圖3 中下DN250 下環排水總管經過一道閘閥后與水輪機尾水管擴散段連通，6 根DN50 的下環排水支管與中、下止漏環之間的空腔連通。因轉輪中、下止漏環至下環排水總管出口處無測量管路，且管路為隱蔽埋管，無法通過試驗的方法來測量下環空腔及其排水管路水壓脈動情況;在通常情況下，下環排水總管上的閘閥處于開啟狀態，如果將此總閥關閉，下環空腔將無法泄壓，可能造成轉輪水力不平衡。

綜上，機組下環排水管路存在設計上缺陷是導致機組異常振動的直接原因，將下環排水管路總閥關閉后，電站兩臺機組振動擺度異常故障得到有效處理，實踐證明，在下環排水管路總閥關閉后，機組能夠在各工況下穩定運行。

7 故障原因分析

1)機組尾水與轉輪下環與底環之間的密封空腔通過下環排水管聯通，在機組運行時，密封空腔內水壓隨轉輪周期性脈動與尾水管內的水壓脈動耦合成某種水力震蕩，這種水力震蕩造成機組下環的水力不平衡，進而造成機組約2 倍轉頻的較強振動;以上為機組異常振動的直接原因。

2)下環排水支及總管的非對稱布置(如圖2)，造成相距總管較近的支管水壓脈動較強，反之較弱。從而造成水力震蕩相對轉輪的非對稱布置;進一步加劇了轉輪的徑向水力不平衡。

3)水導瓦加工誤差導致機組水導軸承無法形成穩定的剛性油膜，軸承性能受到影響，導致水導絕對擺度偏大，加劇了轉輪下環水力不平衡。因此，水導瓦加工誤差是機組振動異常的輔助誘因。

4)由于安裝方面的偏差，3 號機組下環排水總管出水口靠近尾水管擴散段出口位置，尾水脈動較小，而2 號機組下環排水總管出水口靠近尾水管擴散段進口位置，尾水脈動較大;因此2 號機組比3 號機組水力不平衡程度更嚴重;最終導致在同樣處理水導瓦加工誤差后，兩臺機組呈現出不同的處理效果。

8 結束語

在電站機組現有設計背景下，無法對機組各部件的相關數據進行直接而全面的的監測，僅通過振動異常現象反推故障原因具有一定難度，不同的原因可能導致相同的故障表象。在處理某電站兩臺機組振動異常過程時，首先通過逐項排除的原理，將可能引起機組振動的原因縮小到某個范圍內，確定下一步排查的方向，再通過特定試驗和模糊診斷的原理將故障原因進一步縮小至某個部件或部位，最后通過試驗結果來驗證之前的推斷是否正確。

［1］鄭源，等.水輪機［M］.北京:中國水利水電出版社，2011.

［2］張禮達，等.水輪機振動的故障的模糊診斷研究［J］.四川水力發電，2009.

［3］GB/T 17189－1997.水力機械振動和脈動現場測試規程［S］.