長甸電站4號機組異常振動原因分析及處理

史恩澤

（太平灣發(fā)電廠，遼寧 丹東118000）

0 概述

太平灣發(fā)電廠長甸電站位于遼寧省寬甸滿族自治縣境內(nèi)，是中朝界河鴨綠江中下游水豐電站的擴建工程，與水豐電站共用一個水庫。廠區(qū)由A站和B站兩座引水式廠房組成，其中A站于1986年開工建設(shè)，廠房內(nèi)安裝1號和2號水輪發(fā)電機組，1989年10月2臺機組相繼投產(chǎn)發(fā)電；B站于2011年6月開工建設(shè)，廠房內(nèi)安裝3號和4號水輪發(fā)電機組，2014年9月2臺機組相繼投產(chǎn)發(fā)電。

長甸電站4號機組主設(shè)備由哈爾濱電機廠有限責(zé)任公司制造、中國水電第六工程局安裝，水輪機結(jié)構(gòu)型式為立軸混流式，型號為HL883A-LJ-442；發(fā)電機結(jié)構(gòu)型式為傘式，型號為SF100-40/9200，推力軸承安裝在轉(zhuǎn)子下方的下機架上，上機架為井字梁結(jié)構(gòu)型式，中心體內(nèi)裝置楔子板式上導(dǎo)軸承，下導(dǎo)軸承位于下機架中心體內(nèi)。當(dāng)上游庫區(qū)水位在80～123.3m范圍的條件下，該機組具備發(fā)電運行的條件。

1 問題的提出

1.1 投產(chǎn)發(fā)電以來機組的運行情況

長甸電站4號機組自投產(chǎn)發(fā)電以來，一直存在著上機架徑向振動和上導(dǎo)主軸處擺度超標問題，在2014年8月機組調(diào)試階段進行穩(wěn)定性試驗時，測量數(shù)據(jù)顯示在空載無勵狀態(tài)下上導(dǎo)擺度X向355μm、Y向349μm、上機架徑向振動342μm；空載加勵時，上導(dǎo)擺度X向342μm、Y向356μm、上機架徑向振動342μm，隨著負荷的增加，上導(dǎo)擺度呈減少趨勢，帶84MW負荷時（當(dāng)時上游水位93.96m，已是最大負荷），上導(dǎo)擺度X向290μm、Y向280μm。負荷15MW工況下，上機架徑振動最大為434μm。兩者均出現(xiàn)超標現(xiàn)象（標準規(guī)定上導(dǎo)擺度≤230μm，上機架徑向振動≤90μm)，其他各部位振動、擺度均符合規(guī)范標準[1-2]。

2015年5 月以后，由于上游庫區(qū)水位較低，機組幾乎未進行發(fā)電，僅處于備用狀態(tài)，2015年10月中旬進行了一次B級檢修，期間運行小時數(shù)約為560h。2016年1月檢修完成，在連續(xù)進行12h試運行后，機組又進入停機備用狀態(tài)。

2016年5月28 日，當(dāng)上游水位上漲至98.6m時，機組開始頻繁調(diào)度，發(fā)電機有功功率最大可達到93MW，此負荷下測量：上導(dǎo)X向擺度為281μm、Y向擺度為392μm，上機架徑向振動X向為185.6μm、Y向為188.9μm，兩者數(shù)據(jù)仍然嚴重超標。

1.2 歷次檢查曾3次發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂事件

2015年10 月中旬進行的B級檢修時檢查，發(fā)現(xiàn)靠近Y向的1號和6號上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂；

2016年6月3 日，臨時檢修過程檢查發(fā)現(xiàn)靠近Y向的6號和12號上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂；

2016年6月27 日，動平衡試驗后檢查時，發(fā)現(xiàn)靠+Y向的1號上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂。

三次斷裂位置均發(fā)生調(diào)節(jié)螺栓的根部，見圖1。

圖1 上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂的位置

對于4號機組上機架徑向振動和上導(dǎo)擺度嚴重超標問題，及其所導(dǎo)致的上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂事件，已嚴重影響了機組的安全運行。為查找原因，消除隱患，2016年6月，電廠委托遼寧東科電力有限公司，進行動平衡試驗，試驗結(jié)果表明4號機組存在轉(zhuǎn)動部件質(zhì)量不平衡問題。試驗完畢后，召開專題分析會，邀請制造廠、安裝單位、試驗單位和業(yè)務(wù)主管部門代表組成的技術(shù)專家組，從設(shè)計、制造、安裝和運行維護等方面對4號機組存在異常振動原因進行全面分析和探討，提出了處理方案。

2 上機架徑向振動、上導(dǎo)擺度超標原因分析

2.1 動平衡試驗測試過程及質(zhì)量不平衡的原因分析

（1）動平衡試驗測試過程

試驗時在對應(yīng)轉(zhuǎn)子引出線1號磁極位置的大軸上，粘貼一片鍵相塊作為測速及標記相位位置，空載狀態(tài)下，在80%，90%、100%額定轉(zhuǎn)速情況下，測量上機架徑向振動及上導(dǎo)擺度，計算振幅與轉(zhuǎn)速平方的關(guān)系，見圖2。

數(shù)據(jù)顯示，上機架徑向振動與上導(dǎo)擺度幅值與轉(zhuǎn)數(shù)平方成線性關(guān)系，說明4號機組轉(zhuǎn)動部件存在質(zhì)量不平衡問題，試驗進一步計算，缺重方位在23號磁極所在方位。

試驗共進行5次配重，配重塊安裝位置在23號磁極所在方位轉(zhuǎn)子磁軛與支臂交界處，距轉(zhuǎn)子中心R=2700mm的位置。隨著配重質(zhì)量的增加，上機架徑向振動和上導(dǎo)擺度逐漸變小，當(dāng)配重增加到120kg時，由于電廠備用的配重塊數(shù)量不足和固定配重塊的螺栓長度不夠，試驗暫停。雖然此次配重試驗沒有完成任務(wù)，但試驗測量的數(shù)據(jù)，為查找4號機組上導(dǎo)擺度和上機架徑向振動超標原因提供了依據(jù)。試驗測量結(jié)果見表1[3]。

圖2 機組轉(zhuǎn)速與上機架徑向振動和上導(dǎo)擺度關(guān)系

表1 長甸電站4號機動平衡配重試驗記錄

（2）產(chǎn)生轉(zhuǎn)動部件質(zhì)量不平衡的原因

4號水輪發(fā)電機軸系分上端軸、轉(zhuǎn)子中心體、下端軸轉(zhuǎn)子3部分，轉(zhuǎn)子中心體設(shè)有檢修進人孔、轉(zhuǎn)子引線固定在上端軸中心孔內(nèi)壁上，通過螺栓固定，在與進人孔中心180°角的方向引出，兩個因素疊加是產(chǎn)生轉(zhuǎn)子質(zhì)量分布不均勻，產(chǎn)生機械不平衡力的主要原因，試驗計算的缺重方位所在23號磁極位置，正是進人孔所處的方位[4-5]。

2.2 上機架與基礎(chǔ)板連接部位安裝不符合設(shè)計要求

上機架為“井字梁”結(jié)構(gòu)形式，由鋼板焊接而成，機架通過4個連接板與埋設(shè)在機坑內(nèi)壁的基礎(chǔ)板相連接，此種結(jié)構(gòu)可以把機組通過上機架傳向基礎(chǔ)的徑向力轉(zhuǎn)化為對基礎(chǔ)的切向力，改善了基礎(chǔ)的受力情況。上機架與基礎(chǔ)的連接方式，見下頁圖3。為了確保將上機架傳向基礎(chǔ)的徑向力轉(zhuǎn)化為切向力，在設(shè)計時，要求每個連接點兩側(cè)在周方向用楔子板打緊，并用螺栓固定，并要求機架與基礎(chǔ)板和兩側(cè)楔子板在安裝時徑向預(yù)留12±1.5mm的間隙[6]。

安裝后檢查發(fā)現(xiàn)4個上機架與基礎(chǔ)板預(yù)留最大間隙僅為0.7mm，與楔子板徑向無間隙，這樣就限制了上機架在機組運行中將產(chǎn)生的徑向力轉(zhuǎn)化為切向力的功能，上機架由于徑向力大而產(chǎn)生彈性變形，

圖3 上機架與基礎(chǔ)板連接方式示意圖

2.3 上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂原因分析

4號機上導(dǎo)軸承的結(jié)構(gòu)型式為楔子板式，上導(dǎo)瓦的固定方式，如圖4，整個機構(gòu)主要包括上導(dǎo)瓦、楔子板、卡板和調(diào)節(jié)螺栓等部件，上導(dǎo)瓦背面設(shè)有一個鉻鋼墊，鉻鋼墊與瓦背之間有墊片，安裝時通過增減鉻鋼墊與瓦背之間墊片的厚度為楔子板預(yù)留出主軸與上導(dǎo)瓦間隙調(diào)節(jié)余量。通過升降上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓控制楔子板的高度，進而確定上導(dǎo)瓦與主軸間隙。由于機組振動的原因，上導(dǎo)擺度產(chǎn)生的徑向力傳遞給楔子板，楔子板振動傳遞給卡板和調(diào)節(jié)螺栓，這樣就對調(diào)節(jié)螺栓產(chǎn)生一個杠桿的力矩效應(yīng)，根部是最簿弱的部位，長期的作用引起金屬疲勞，導(dǎo)致調(diào)節(jié)螺栓在根部剪切斷裂。

圖4 上導(dǎo)軸承結(jié)構(gòu)示意圖

在機組檢查時，發(fā)現(xiàn)卡板距調(diào)節(jié)螺栓底部固定部位的距離達到90mm，距離越長，力矩效應(yīng)就越大。同時卡板與楔子板上的卡槽未設(shè)計軸向間隙，使徑向力全部傳遞到調(diào)節(jié)螺栓上。見圖5。

2.4 分析得出的結(jié)論

除從轉(zhuǎn)子設(shè)計、上機架與基礎(chǔ)板連接方式和上導(dǎo)瓦固定方式3個方面分析缺陷產(chǎn)生原因外，還通過分析機組安裝和檢修記錄、機組啟動試運轉(zhuǎn)和機組B級檢修后試驗數(shù)據(jù)等資料，排除了水力因素、電磁因素對機組振動的影響。得出結(jié)論如下：

圖5 上導(dǎo)固定方式存在的問題

（1）上機架徑向振動、上導(dǎo)擺度超標的原因

1）轉(zhuǎn)動部分存在質(zhì)量不平衡；

2）機組安裝時上機架與基礎(chǔ)板和兩側(cè)楔子板預(yù)留的徑向間隙不滿足設(shè)計要求。

（2）上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂原因

除上機架徑向振動和上導(dǎo)擺度過大的原因外，卡板距調(diào)節(jié)螺栓根部的距離過長和卡板與卡槽未設(shè)計軸向間隙，兩種原因產(chǎn)生的力矩效應(yīng)，造成調(diào)節(jié)螺栓在根部發(fā)生疲勞斷裂。

3 處理措施和效果

3.1 預(yù)防上導(dǎo)瓦調(diào)節(jié)螺栓斷裂的措施

（1）對卡板進入卡槽的部分進行打磨處理，安裝后保證卡板與卡槽之間不小于0.5mm的軸向間隙，這樣在機組運行時，楔子板在軸向和徑向都有足夠的串動量，產(chǎn)生的振動力就不會全部傳遞到上導(dǎo)軸瓦間隙調(diào)節(jié)螺栓上。

（2）減小鉻鋼墊后面墊片厚度，將楔子板下移，縮短卡板距調(diào)節(jié)螺栓底部的距離，處理后12個卡板高度一致，由處理前的90mm降為30mm，見下頁圖6。

經(jīng)過以上處理后，力矩效應(yīng)大大的降低。

根據(jù)設(shè)備制造廠的建議，將上機架吊出，對上機架與基礎(chǔ)板連接部件進行打磨處理，確保上機架與基礎(chǔ)板和兩側(cè)鍥子板在安裝后有5mm以上的徑向間隙值。

重新進行動平衡試驗，將首次動平衡試驗安裝的配重塊拆除，在原安裝位置，重新加裝配重塊，配重過程共分5次，累計共加裝配重塊270kg。試驗后空載運行，上導(dǎo)擺度X向為227μm、Y向擺度為212μm、上機架徑向振動值為55μm。數(shù)據(jù)顯示上導(dǎo)擺度和上機架徑向振動均符合標準要求。

圖6 上導(dǎo)處理后的狀態(tài)

3.2 處理后的效果

機組臨時檢修及動平衡試驗完畢，對多種負荷工況和部位的振動及擺度值進行檢查測量，測量數(shù)據(jù)見表2。

表2 長甸電站4號機組不同負荷工況下振動和擺度測量記錄

數(shù)據(jù)表明，檢修及動平衡試驗取得了較好的效果，機組在上述負荷下，上機架徑向振動及上導(dǎo)擺度均符合規(guī)范標準的要求。

通過2016年8月至2017年12月，1年多時間的觀察，這期間機組經(jīng)歷了全負荷和汛期大發(fā)電的考驗，機組各部振動、擺度、瓦溫正常，在各工況下能夠長期穩(wěn)定運行，說明4號機組上機架振動和上導(dǎo)擺度超標問題處理是成功的。

4 結(jié)語

針對長甸電站4號機組存在的上導(dǎo)擺度、上機架徑向振動超標問題，通過原因查找、分析以及提出的問題處理方案，是在機組設(shè)計制造、安裝和運行維護等方面累積經(jīng)驗的過程。同時通過同類型的水輪發(fā)電機組類似問題的處理、探討和交流，對于設(shè)備制造廠優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計和提高電廠技術(shù)人員處理問題的能力，提供了借鑒經(jīng)驗。