寶珠寺水力發(fā)電廠11F水輪發(fā)電機(jī)組擺度過大分析與處理

方仲超

(寶珠寺水力發(fā)電廠，四川廣元 628003)

寶珠寺水力發(fā)電廠11F水輪發(fā)電機(jī)組擺度過大分析與處理

方仲超

(寶珠寺水力發(fā)電廠，四川廣元 628003)

寶珠寺電廠11F機(jī)組自2012年A修運(yùn)行以來，機(jī)組在運(yùn)行過程中推力與水導(dǎo)軸承的擺度不斷增大，在低水頭運(yùn)行過程中，機(jī)組的擺度超標(biāo)。經(jīng)過對機(jī)組中心、轉(zhuǎn)子圓度、及水導(dǎo)瓦改造等數(shù)次檢查處理，有效的解決機(jī)組擺度超標(biāo)問題。在實際處理過程中，發(fā)電機(jī)機(jī)組部分?jǐn)[度在空載后略有下降，是因為軸向水推力增加、推力軸承摩擦力加大，轉(zhuǎn)子不容易偏離中心所致，同時負(fù)荷增加，有功、無功電流增加，磁場強(qiáng)度亦增大，使轉(zhuǎn)子的徑向不平衡力相對減小，使轉(zhuǎn)子偏離中心也愈加困難。

水輪發(fā)電機(jī)組；磁拉力不平衡；分析；處理

1 概述

寶珠寺發(fā)電廠位于四川省廣元市三堆鎮(zhèn)境內(nèi)，是白龍江干流域開發(fā)的第二座水電站，電站安裝4臺由東方電機(jī)廠設(shè)計、制造的半傘式輪發(fā)電機(jī)組。機(jī)組主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 水輪機(jī)和發(fā)電機(jī)參數(shù)表

11F機(jī)組自投產(chǎn)以來，機(jī)組運(yùn)行中，除推力擺度較大外，其余各部位的擺度均正常。由于過流部件氣蝕嚴(yán)重，2012年對11F機(jī)組進(jìn)行A級檢修，修后機(jī)組在空轉(zhuǎn)情況下各部位擺度均較小；加勵磁至80%Ue時推力擺度明顯加大，在滿負(fù)荷情況下推力擺度幅值由0．68 mm增至0．98 mm，水導(dǎo)擺度幅值由0．23 mm增至0．59 mm。由于寶珠寺電站未設(shè)計下導(dǎo)軸承，在DL/T507－2002《水輪發(fā)電機(jī)組啟動試驗規(guī)程》并未對推力擺度允許值作相關(guān)要求，按照對導(dǎo)軸承要求，水導(dǎo)擺度幅值已超過設(shè)計雙面間隙75%(調(diào)整雙面間隙0．60 mm)。對此情況，作業(yè)人員對機(jī)組多次檢查、分析與處理。

2 機(jī)組問題處理

2012年7月檢修完畢后，進(jìn)行11F機(jī)組穩(wěn)定性試驗，試驗后認(rèn)為轉(zhuǎn)子存在明顯磁拉力不平衡，且機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)不穩(wěn)定；由于當(dāng)時正值白龍江流域主汛期，同時需排查引起不穩(wěn)定諸多因素，當(dāng)時未做處理，只能加強(qiáng)運(yùn)行過程中擺度與振動的收集。8月份停機(jī)檢查，水導(dǎo)瓦實際雙面間隙最大值已達(dá)到0．65 mm。對轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動部分各連接螺栓預(yù)緊力進(jìn)行檢查，排除轉(zhuǎn)動部分在受不平衡力的作用下自身剛度不足的可能；檢查定轉(zhuǎn)子空氣間隙在合格范圍內(nèi)；同時對水導(dǎo)瓦雙面間隙按照0．56 mm進(jìn)行調(diào)整。處理后機(jī)組推力擺度大的問題有所改善，但仍然存在磁拉力不平衡問題，滿負(fù)荷運(yùn)行情況下，推力擺度幅值仍然有0．76 mm，且隨著運(yùn)行時間增長，推力擺度逐步增長趨勢，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)仍然不穩(wěn)定。

2014年大修中，為全面分析原因，對機(jī)組的固定部分與轉(zhuǎn)動部分進(jìn)行檢查。檢查底環(huán)、頂蓋與定子的同心度，檢查發(fā)現(xiàn)底環(huán)與定子存在一定的偏心；檢查轉(zhuǎn)子中心體法蘭上下止口的同心度，同心度偏心在合格范圍內(nèi)；對轉(zhuǎn)子圓度進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子圓度超標(biāo)，對超標(biāo)的28個磁極背面通過加墊調(diào)整轉(zhuǎn)子圓度；對水導(dǎo)瓦結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造等措施。通過上述處理后，機(jī)組進(jìn)行穩(wěn)定性試驗，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)良好，無明顯的電磁拉力不平衡現(xiàn)象，但有輕微水力不平衡現(xiàn)象。

3 水輪發(fā)電機(jī)組處理過程分析

3．1 啟動試驗分析

2012年7月對11機(jī)組作修后穩(wěn)定性試驗，采集機(jī)組在不同轉(zhuǎn)速下、不同額定空載電壓下、不同負(fù)荷情況下的相關(guān)部位的擺度和振動，分別見圖1與圖2。

圖1 11F機(jī)組穩(wěn)定性試驗各部位擺度趨勢

圖2 11F機(jī)組穩(wěn)定性試驗各部位振動趨勢

由試驗數(shù)據(jù)及各部位振擺度趨勢圖分析，在機(jī)組無勵磁的情況下，上機(jī)架水平振動與推力擺度幅值隨著轉(zhuǎn)速的升高有所增大，機(jī)組存在輕微的動不平衡現(xiàn)象，在空轉(zhuǎn)工況下各部件的振動、擺度幅值均滿足規(guī)程要求，故而轉(zhuǎn)子機(jī)械不平衡并不是引起擺度增大的主要原因。

在升壓試驗過程中，隨著機(jī)組勵磁電壓的升高，上機(jī)架水平振動、定子中平振動、上導(dǎo)瓦與推力瓦擺度幅值明顯上升，推力瓦擺度幅值增長至0．60 mm，且隨著機(jī)端電壓增長，機(jī)組振動的相位角也發(fā)生變換，機(jī)組存在明顯的電磁力不平衡現(xiàn)象。

機(jī)組并網(wǎng)后，在機(jī)組帶20 MW－60 MW區(qū)間內(nèi)，推力瓦擺度幅值達(dá)到1．01 mm，隨著負(fù)荷的增加，上機(jī)架水平振動、上導(dǎo)瓦擺度和推力瓦擺度有所減小；但水導(dǎo)瓦擺度擺度幅值有所增加，水導(dǎo)瓦擺度在滿負(fù)荷下以達(dá)到0．57 mm。對該過程波形進(jìn)行頻譜分析，機(jī)組在空載到40 MW負(fù)荷區(qū)域內(nèi)，運(yùn)行較穩(wěn)定，水力低頻振動不明顯，機(jī)組在60 MW附近時，頂蓋水平振動異常，其波形表現(xiàn)為0．86倍轉(zhuǎn)頻頻率，在80 MW－120 MW負(fù)荷區(qū)域內(nèi)，受尾水壓力脈動的影響，上導(dǎo)擺度、水導(dǎo)擺度、頂蓋水平振動和頂蓋垂直振動存在較為明顯的0．11－0．32倍轉(zhuǎn)頻的低頻波。鑒于水力因素引起的振動的復(fù)雜性，且該區(qū)域運(yùn)行為水輪機(jī)的不穩(wěn)定區(qū)域，加之頂蓋振動均在合格范圍，故而水力因素不是引起推力擺度超標(biāo)的主要因素。

上述分析可見，推力瓦擺度超標(biāo)的主要原因為電磁力不平衡，需重點對定、轉(zhuǎn)子空氣間隙或轉(zhuǎn)子繞組匝間短路情況進(jìn)行排查。

3．2 機(jī)械部分檢查

2012年8月，停機(jī)對各轉(zhuǎn)動部分連接螺栓、上導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承進(jìn)行檢查。對上端軸、轉(zhuǎn)子中心體、水發(fā)連軸螺栓的預(yù)緊力進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子中心體有4顆螺栓在設(shè)計壓力下有輕微移動，最大旋轉(zhuǎn)角度為10°，其他部位螺栓均未發(fā)現(xiàn)松動狀況；對定轉(zhuǎn)子空氣間隙進(jìn)行檢查分析，發(fā)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子空氣間隙基本合格，其中平均氣隙為22．8 mm，最大值為24．1 mm，最小值為20．9 mm，符合規(guī)范要求。對水導(dǎo)瓦進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)部分水導(dǎo)瓦間隙變大，其最大雙面間隙為0．65 mm，分析其根本原因是水導(dǎo)瓦在制造時，在支柱螺栓配合處留有φ60 mm×1 mm的“凹槽”——作為對水導(dǎo)瓦的定位及間隙配合，由于水導(dǎo)瓦運(yùn)行時間較長，水導(dǎo)瓦背后凹槽磨損嚴(yán)重，凹槽與支柱螺栓的貼合面積小于80%，對水導(dǎo)瓦不能進(jìn)行限位，調(diào)整后支柱螺栓與水導(dǎo)瓦頂頭在圓周方向有2 mm的余量，致使調(diào)整后的水導(dǎo)瓦間隙在運(yùn)行過程中發(fā)生變化。鑒于水導(dǎo)瓦溫度不高，協(xié)商討論將水導(dǎo)瓦雙面間隙調(diào)整至0．56 mm。

通過上述處理后機(jī)組推力擺度大的問題有所改善，但仍然存在電磁拉力不平衡問題，滿負(fù)荷運(yùn)行情況下，推力擺度仍然有0．76 mm，且隨著運(yùn)行時間增長，推力擺度逐步增長趨勢，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)仍然不穩(wěn)定。

4 發(fā)電機(jī)磁拉力不平衡檢查處理

2014年大修中，對定子、轉(zhuǎn)子、導(dǎo)軸承進(jìn)行檢查分析，全面分析引起發(fā)電機(jī)磁拉力不平衡的因素，其中對定子圓度、轉(zhuǎn)子圓度進(jìn)行調(diào)整，對水導(dǎo)瓦進(jìn)行改造，詳細(xì)過程如下。

4．1 定子圓度及同心度檢查

吊出轉(zhuǎn)子后，對定子各部焊縫開裂、螺栓松動、零部件變形損傷情況進(jìn)行全面檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常狀況；定子三組繞組的直流電阻、定子絕緣及交流耐壓試驗均合格；對定子圓度進(jìn)行測量，在定子上中下三處測量定子圓度，利用正交分解法，對定子圓度測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 定子圓度數(shù)據(jù)分析圖

由圖示可見，定子上部平均直徑 φ4775．57 mm，設(shè)計空氣間隙為22 mm，相對誤差4．9%＜5%，定子中部平均直徑φ4 776．02 mm，相對誤差4%＜5%，定子下部平均直徑φ4 776．10 mm，相對誤

2．3%＜5%。定子的垂直度方面，定子上環(huán)中心與下環(huán)中心同心度偏差達(dá)到0．79 mm，偏差角度與+Y夾角=88．7°，定子呈現(xiàn)“圓臺型”—下大上小，且上下偏心。綜合分析上中下環(huán)數(shù)據(jù)，計算出上中下環(huán)理論中心，對定子進(jìn)行整體平移調(diào)整。

由于定子基礎(chǔ)板已經(jīng)澆筑在基坑混凝土內(nèi)，通過平移定子進(jìn)行調(diào)整工作量大且需大噸位螺旋千斤頂，考慮到在推動定子過程中，有可能造成定子絕緣損壞等對定子造成重大損傷的可能，且需重新調(diào)整上機(jī)架中心，故不采用直接推動定子來調(diào)整機(jī)組安裝中心；通過現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)底環(huán)與頂蓋均有調(diào)整余量，故通過調(diào)整底環(huán)、頂蓋與定子的同心度，將水輪機(jī)固定部分中心調(diào)整至定子的理論中心處。

以定子理論中心為基準(zhǔn)，經(jīng)過計算對底環(huán)為向+Y方向調(diào)整0．38 mm，向－X方向調(diào)整0．15 mm，調(diào)整完畢對中心進(jìn)行校核，底環(huán)偏差0．03 mm，中心調(diào)整優(yōu)良；以調(diào)整好的底環(huán)中心為基準(zhǔn)，對頂蓋向+Y方向調(diào)整0．10 mm。頂蓋中心偏差為0．03 mm。調(diào)整完畢后對中心進(jìn)行校核，中心調(diào)整合格。對頂蓋與底環(huán)分別鉆取φ30的錐銷進(jìn)行定位，具體流程如圖4。

圖4 水輪發(fā)電機(jī)組中心調(diào)整流程圖

4．2 轉(zhuǎn)子檢查處理

(1)轉(zhuǎn)子中心體止口檢查。以下止口為基準(zhǔn)測量上止口的同心度，經(jīng)測量，上、下止口的同心度合格，偏差小于0．05 mm，

(2)轉(zhuǎn)子吊出后，對轉(zhuǎn)子機(jī)械部分檢查，磁極鍵點焊無開裂，阻尼環(huán)連接良好，對轉(zhuǎn)子單個磁極作交流阻抗測量，其最小值1．14Ω，最大值1．17Ω，平均值1．15Ω，偏差未超過2%，對轉(zhuǎn)子作直流電阻測量，測試值為0．206Ω，均在合格范圍內(nèi)。

轉(zhuǎn)子圓度及磁極檢查處理。(3)轉(zhuǎn)子吊出后，對轉(zhuǎn)子圓度進(jìn)行檢查，在磁極上中下側(cè)架設(shè)百分表采取數(shù)據(jù)，利用正交分解法，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，圓度趨勢如圖5所示。

由數(shù)據(jù)分析可見，轉(zhuǎn)子上部圓度相對誤差3．5% ＜5%；轉(zhuǎn)子中部圓度相對誤差6．3% ＞5%；轉(zhuǎn)子下部圓度相對誤差5．4% ＞5%。由圖5所示，轉(zhuǎn)子的垂直度方面，上部與下部的偏心可達(dá)0．4 mm。發(fā)現(xiàn)問題后電廠組織有關(guān)技術(shù)人員討論并咨詢東電廠家，決定在測量數(shù)據(jù)偏大的磁極背面通過加墊來調(diào)整轉(zhuǎn)子圓度。具體加墊磁極數(shù)據(jù)如下。

圖5 轉(zhuǎn)子圓度數(shù)據(jù)分析圖(調(diào)整前)

表2 磁極圓度調(diào)整加墊參數(shù)表

對28個磁極需進(jìn)行加墊并更換磁軛鍵。加墊處理后對轉(zhuǎn)子圓度進(jìn)行檢查，轉(zhuǎn)子上部圓度相對誤差

3．2% ＜5%；轉(zhuǎn)子下部圓度相對誤差1．6% ＜5% 。轉(zhuǎn)子圓度合格。將磁軛鍵按照要求打緊后，對轉(zhuǎn)子作絕緣及交流耐壓試驗，均符合要求。

圖6 轉(zhuǎn)子圓度數(shù)據(jù)分析圖(調(diào)整后)

4．3 水導(dǎo)瓦改造

對水導(dǎo)瓦結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，更換水導(dǎo)瓦頂頭，更換為強(qiáng)度更高的烙剛墊，并使烙剛墊高瓦背2 mm，更換部分磨損嚴(yán)重的支柱螺栓，檢查支柱螺栓與烙剛墊的配合尺寸，使支柱螺栓與烙剛墊貼合面積大于85%。

通過上述處理后，對機(jī)組進(jìn)行回裝，按設(shè)計緊固力緊固轉(zhuǎn)動部分連軸螺栓；軸線調(diào)整至0．02 mm/m；檢查調(diào)整鏡板水平與推力軸承受力，均在合格范圍內(nèi)，將機(jī)組調(diào)整至中心，止漏環(huán)偏心不超過平均間隙5%；對上導(dǎo)軸承按0．60 mm的雙面間隙調(diào)整，水導(dǎo)軸承按照0．60 mm雙面間隙進(jìn)行調(diào)整，機(jī)組回裝完畢后對機(jī)組進(jìn)行啟動試驗。

4．4 機(jī)組檢修后運(yùn)行狀況

機(jī)組檢修后，進(jìn)行了穩(wěn)定性試驗，測量各工況下機(jī)組擺度值及振動值，通過前后機(jī)組運(yùn)行過程中擺度與振動趨勢對比，各部位擺度與振動均沒有超標(biāo)，機(jī)組加勵磁后，推力擺度沒有階躍性變大，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)良好，無明顯的電磁拉力不平衡現(xiàn)象，有輕微水力不平衡現(xiàn)象，機(jī)組運(yùn)行1小時后，發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)擺度由0．24 mm增大至0．38 mm，且仍有增大的趨勢。停機(jī)檢查水導(dǎo)間隙，發(fā)現(xiàn)水導(dǎo)雙面間隙由原來的0．56 mm增至0．80 mm，經(jīng)分析確認(rèn)是由于新更換的水導(dǎo)瓦頂頭未壓緊所致，將水導(dǎo)瓦雙面間隙調(diào)整為0．56 mm，機(jī)組重新運(yùn)行，水導(dǎo)擺度正常，機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。

5 體會

通過分析處理，11F機(jī)組由水輪發(fā)電機(jī)組偏心及轉(zhuǎn)子圓度超標(biāo)引起的動態(tài)電磁拉力不平衡，結(jié)合作業(yè)現(xiàn)場實際處理過程，分享幾點體會，希望對出現(xiàn)類似狀況機(jī)組提供一定的借鑒經(jīng)驗。

圖7 機(jī)組穩(wěn)定性試驗各部位擺度趨勢

圖8 機(jī)組穩(wěn)定性試驗各部位振動趨勢

(1)對于定子與底環(huán)偏心問題，理應(yīng)在安裝過程中應(yīng)予以充分保證，但對運(yùn)行多年機(jī)組，機(jī)組的銷釘定位精度變差，更有甚者銷釘定位失效，給機(jī)組運(yùn)行帶來很大安全隱患，故而機(jī)組擴(kuò)修過程中，應(yīng)校核其同心度。

(2)對于定轉(zhuǎn)子等大直徑圓形空間物體圓度檢測與控制，是機(jī)組運(yùn)行質(zhì)量及安全運(yùn)行的重要指標(biāo)；對于定轉(zhuǎn)子空氣間隙值分析，不能僅僅局限與空氣間隙偏差在合格范圍內(nèi)，應(yīng)綜合分析定子、轉(zhuǎn)子磁極的空間圓度和垂直度，使其各部分空間圓度均合格范圍內(nèi)，從而保證空氣間隙動態(tài)均勻。

(3)對于無下導(dǎo)軸承的半傘式機(jī)組，如轉(zhuǎn)子稍有不平衡力，推力瓦擺度就顯示較大，且在各規(guī)程并未對推力擺度允許值作相關(guān)要求，故而在機(jī)組調(diào)整中心，應(yīng)力圖將中心偏差控制在最小范圍內(nèi)，同時在運(yùn)行過程中，應(yīng)整體找一次重量不平衡，盡量減少轉(zhuǎn)子自身的機(jī)械不平衡現(xiàn)象。

(4)在實際處理過程中，發(fā)電機(jī)機(jī)組部分?jǐn)[度在空載后略有下降，是因為軸向水推力增加、推力軸承摩擦力加大，轉(zhuǎn)子不容易偏離中心所致，同時負(fù)荷增加，有功、無功電流增加，磁場強(qiáng)度亦增大，使轉(zhuǎn)子的徑向不平衡力相對減小，使轉(zhuǎn)子偏離中心也愈加困難。

［1］ 王海．水輪發(fā)電機(jī)組狀態(tài)檢修技術(shù)［M］．北京:中國電力出版社，2004。

［2］ 蔡燕生、李東、燕飛．龔嘴水電站水輪發(fā)電機(jī)組振動分析及探究［J］，水力發(fā)電，2014，40(12)63－67。

［3］ 何睿．銅街子電站11F機(jī)組振動處理［J］，四川水力發(fā)電，1999，18(4)23－27．

［4］ GB/T8564—2003水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范［S］．

［5］ DL/T507－2002水輪發(fā)電機(jī)組啟動試驗規(guī)程［S］．

FV7;TM312

B

1001-2184(2015)05-0157-05

方仲超(1985-)，男，陜西榆林人，西北農(nóng)林科技大學(xué)熱能與動力工程本科畢業(yè)，助理工程師，現(xiàn)于寶珠寺電廠從事電力設(shè)備檢修及項目管理工作．

(責(zé)任編輯:卓政昌)

2015-08-18