大型水輪發電機機組振動問題分析研究

李永祥，曹鐵山

（中國長江電力股份有限公司三峽水力發電廠，湖北 宜昌 443000）

隨著社會的發展和技術的進步，以三峽工程的建成為標志，我國水電機組裝機進入一個大型化的時代。三峽電站裝設32 臺單機容量700MVA 的水輪發電機組，在金沙江上游，單機容量1000MVA 的巨型機組將出現在白鶴灘和烏東德兩個水電站。單機容量和結構尺寸的日益增大，意味著機組運行一旦出現問題，就會導致嚴重的安全事故和巨大的經濟損失。因此，水電企業對大型機組的安全、穩定運行有更加嚴格的要求。在設計、制造、安裝、調試、運行等機組的全生命周期中，提出更有效的解決振動問題的措施，避免振動問題對水輪發電機組產生危害，有著重大的現實和經濟意義。

1 大型水輪發電機組振動及其危害

大型水輪發電機組一般采用立軸混流式水輪機，半傘式發電機的結構型式。轉輪通過水輪機軸與發電機軸相連，帶有三部導軸承及推力軸承。其他主要設備還包括定子、上下機架、冷卻器、導水機構等。本文主要討論機組運行過程中，機械、電氣和水力因素導致的以上主要設備的振動問題。

常規情況下，大型水輪發電機組發生振動的部件主要包括上機架、下機架、頂蓋和轉動部分，在某些特殊情況中，振動則可能發生在定子鐵芯、導水機構等部件。

機械部分慣性力、摩擦力及其他力，電氣部分的電磁力，水輪機水力部分的動水壓力，都可以造成水輪發電機組的振動。水力因素導致的機組振動具有隨機性，主要發生在機組處于非最優工況或者過渡工況運行時，是導致大型水輪發電機組振動的最主要因素。

大型水輪發電機組出現振動，對設備的危害是非常嚴重的，如果沒有得到及時的處理，會引發事故，造成嚴重的損失。包括：（1）造成機組各連接部件松動，使各轉動部件與靜止部件之間產生摩擦甚至掃膛而損壞；（2）導致零部件材料和焊縫出現疲勞損壞，產生裂紋和斷裂；（3）尾水管低頻壓力脈動可使尾水管壁產生裂縫，嚴重時可使整個尾水設施遭到破壞，甚至危及廠房和水工建筑物。

2 大型水輪發電機組振動的對策

大型水輪發電機組通常裝設在水庫庫容較大的巨型水電站。而大型水庫除了蓄水發電外，還兼有防洪、航運等作用。隨著豐枯水季節的不同，庫區水位會有一個較大范圍的升降。因此，水輪發電機組要在水頭變幅大的條件下運行，這對其運行穩定性提出了更高的要求。我們需要在設計、研究初期就把機組穩定性要求作為主要課題，并在制造、安裝、調試、運行等過程中嚴格把關、精益求精，才能將機組的振動問題徹底解決。

2.1 設計階段

在設計階段，可以針對大型水輪發電機組單機容量大、水頭變幅大的特點，進行機組穩定性的專題研究。合理選擇機組額定水頭、轉速等參數，合理匹配發電機的最大容量，合理選擇水輪機的設計水頭、優化轉輪水力設計。結合水輪機模型試驗，觀察其穩定性指標。在設計中采取穩定運行輔助措施，比如采用大軸補氣裝置，對轉輪室出現的真空進行破壞等。

2.2 制造階段

我們知道，有些導致機組發生振動的因素，是零部件在制造過程中出現的缺陷。比如，轉子質量不平衡、推力頭不平等。那么采用新材料、新技術，提高零部件的制造工藝水平，嚴格按照設計要求加工，就可以在很大程度上杜絕由于制造缺陷導致的機組振動。隨著我國制造業水平的提高，零部件的制造缺陷已經可以基本消除。

2.3 安裝階段

大型水輪發電機組的安裝水平，是保證機組運行穩定性的又一關鍵因素。這里主要包括大軸法蘭對中良好、法蘭連接緊固，導軸承間隙嚴格按設計要求調整，轉子與定子間氣隙值均勻，零部件安裝緊固等。技術工人的經驗和能力是安裝階段最主要的影響因素，嚴格按照設計值和合同規定完成機組各部件的安裝，是保證機組運行穩定性的重中之重。

2.4 調試階段

大型水輪發電機組完成安裝后，必須經過一系列的調試試驗才能投入運行。這些試驗包括轉子動平衡試驗、過速停機試驗、甩負荷試驗等。通過這些試驗，可以檢驗機組的制造和安裝水平，獲取機組各部位的振動數據，研究機組的運行穩定性。特別是在不同水頭下的過速停機和甩負荷試驗，可以監測機組處于極端工況時，不同導葉開度下機組的振動情況。通過數據分析機組運行的振動區，以及導葉關閉規律能否滿足機組的穩定性運行要求。

2.5 運行階段

當大型水輪發電機組通過試運行，投入正式運行后，需要引入機組振動監測系統，對機組上下機架、頂蓋、定子機座處的水平和垂直振動值；導軸承在X 和Y 方向的擺度值；蝸殼、尾水管上下游側及頂蓋下方的壓力脈動值進行實時監測及超限報警。一旦發現有部位振動情況超過合理范圍，必須馬上對振動產生的原因展開調查，必要時停機進行處理。

3 大型水輪發電機組振動實例研究

某巨型水電站裝設單機額定容量700MVA 的大型混流式水輪發電機組，額定轉速為75r/min，額定水頭80.6m。在其5#機組安裝調試期間，進行過速停機試驗，當導葉關閉至4%～5%時，水輪機發生劇烈振動現象，導水機構也出現了嚴重的振動,8 個導葉拉斷銷剪斷，機組通過快速門停機。

3.1 振動問題分析

5#機組在進行調試運行期間，各部位的振動數值都處于正常水平。而在過速停機試驗中，只有當導葉關閉至4%～5%的水力過渡過程時，劇烈振動現象才出現，說明機械因素和電氣因素不是導致振動的主要原因。圖1 記錄了機組轉速、導葉開度、蝸殼壓力、尾水管壓力以及活動導葉軸頸上測量導葉所受水力矩的應力值。

圖1 5#機組過速停機試驗記錄圖

從圖1 錄制的波形來看,當活動導葉扭矩關閉至40s 時開始振動，45s 時出現幅值相當大的振動，此時所對應的導葉開度為4%～5%,機組轉速為95%額定轉速。針對此問題，我們通過數值仿真計算、模型試驗和現場試驗相結合的方法進行了研究，發現

（1）在過速關機過程中,水輪機從水輪機制動工況進入反水泵工況,出現了負流量現象從而引起振動；

（2）關機過程中導葉關閉速度較快,導葉關閉至4%～5%時，通過導葉的水流由順流變成射流，在導葉末端產生了激烈的水錘現象，激發了頂蓋等導水部件的異常振動。

3.2 振動處理措施

上述兩個因素導致了5#機組的異常振動，不管哪個是主導因素，都可以通過改變導葉關閉規律,延長導葉分段關閉最后一段時間來改善或避免。在原始設計中,導葉關閉規律被確定為兩段：第一段6.5s，從100%到74%；第二段24 秒，從74%到全關。通過試驗調整，最終將導葉確定為三段關閉，關閉規律如圖2。

實施該關閉規律后，機組運行穩定性指標均滿足要求，在過速停機過程中沒有再出現劇烈振動現象。

圖2 調整后的5#機組導葉三段關閉時間

4 結語

（1）大型水輪發電機組在設計、制造、安裝、調試、運行等各階段都要將機組穩定性做為首要任務，在機組的全生命周期里，研究解決機組的振動問題。

（2）隨著我國水輪發電機組制造和安裝水平的提升，機械和電氣因素導致的機組振動問題顯著減少。隨機性更強的水力因素是導致機組振動的最主要因素，通過改變導葉關閉規律，適當延長導葉第三段關閉時間，可以有效地解決水力過渡過程中出現的機組振動問題。