涔天河水電站1 號機組動平衡試驗

郭曉寧

（湖南涔天河工程建設(shè)投資有限責任公司，湖南 永州425500）

1 引言

涔天河水庫擴建工程位于湖南省永州市江華瑤族自治縣境內(nèi)的湘江支流瀟水上游峽谷出口處，系瀟水流域開發(fā)的第一個梯級。是一座以灌溉、防洪、下游補水和發(fā)電為主，兼顧航運等綜合利用效益的大型水利水電工程。涔天河水電站總共裝有4 臺50 MW 混流式水輪機組，2017 年9 月23 日首臺機組并網(wǎng)發(fā)電，2018 年6 月底4 臺機組全部實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。其水輪發(fā)電機組為立式混流機組，額定功率50 MW，設(shè)計水頭77.5 m，，額定轉(zhuǎn)速230.8 r/min，葉片數(shù)13，活動導葉數(shù)24，固定導葉數(shù)23，轉(zhuǎn)子重量177.3 t，轉(zhuǎn)動方向為俯視順時針。

涔天河水電站1 號機組自2018 年6 月4 日開始頻繁報出匝間保護啟動動作，經(jīng)現(xiàn)場查看，1 號機組二次側(cè)橫差電流達0.19 A，從機組振擺系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)來看，機組上、下導擺度以及上機架水平振動較大，嚴重超過國標，初步分析是由于機組轉(zhuǎn)子動不平衡引起的。因此2019 年1 月在現(xiàn)場對機組進行了動平衡試驗。

2 試驗方法及步驟

2.1 試驗方法

根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求，在試驗機組上布置相應(yīng)傳感器，用振動測試分析儀記錄試驗工況下各測點的輸出變化情況，分析機組的運行特性。

2.2 測點布置

擺度測點有：上導X、Y 向擺度，下導X、Y 向擺度，水導X、Y 向擺度，上機架X、Y 水平振動，下機架X、Y 水平振動，上機架垂直振動，頂蓋水平振動，頂蓋垂直振動，定子機架水平振動。

2.3 標準

根據(jù)標準要求，該機組各部位擺度及振動值應(yīng)滿足表1 要求。

表1 機組振擺標準限值 單位：μm

2.4 試驗步驟

2.4.1 變轉(zhuǎn)速、變勵磁試驗

（1）變轉(zhuǎn)速試驗

機組開機后分別將機組穩(wěn)定在50%nr，75%nr，100%nr 工況點，進行各測點數(shù)據(jù)采集，每個工況點采集2～3 min。

（2）變勵磁試驗

機組加勵磁后分別將機組穩(wěn)定在25%Ur，50%Ur，75%Ur，100%Ur 工況點，進行各測點數(shù)據(jù)采集，每個工況點采集2～3 min。

2.4.2 動平衡試重

（1）試重方位的確定

根據(jù)100%額定轉(zhuǎn)速（或100%額定勵磁電壓）工況下測量機組振動、擺度數(shù)據(jù)，綜合分析確定機組配重塊的重量及方位。

（2）試加重量

按試加配重所產(chǎn)生的離心力為轉(zhuǎn)子重量的0.5%～2.5%適當選擇試加重量。

（3）試重塊的安裝

機組停機，蝶閥關(guān)閉，根據(jù)原始振動數(shù)據(jù)確定試加重塊的位置。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，轉(zhuǎn)子中心體上副板表面可以進行試重塊的安裝。

（4）試重

將應(yīng)加的配重塊安裝后開機，緩慢增加機組的轉(zhuǎn)速并對機組各部位的振動進行監(jiān)測，在判斷振動對機組無危害后再增加機組的轉(zhuǎn)速至100%額定轉(zhuǎn)速。將機組工況分別穩(wěn)定在100%額定轉(zhuǎn)速、100%額定勵磁電壓工況，測量機組各部位的振動情況。

2.4.3 最終配重量及配重方位

根據(jù)試重結(jié)果，在兼顧到各導擺度及振動的情況下，綜合分析確定最終配重量及安裝角度；將應(yīng)加重量Mp 安裝在方位角ФP，開機測試各部位的振動和擺度。在100%nr、100%Ur 工況下，振動和擺度值如達到要求，將配重塊焊牢。2.4.4 動平衡試驗后工況驗證

將機組分別穩(wěn)定在100%nr、100%nr、10 MW、20 MW、30 MW 負荷工況點，每個工況穩(wěn)定3～5 min，用測試儀記錄機組各部位的振動情況。

3 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 機組原始狀態(tài)測試結(jié)果

機組在變轉(zhuǎn)速、變勵磁及30 MW 工況下原始振動見表2；機組擺度隨轉(zhuǎn)速平方相對值變化趨勢見圖1；機組振動隨轉(zhuǎn)速平方相對值變化趨勢見圖2；機組擺度隨勵磁相對值變化趨勢見圖3；機組振動隨勵磁相對值變化趨勢見圖4。

表2 原始狀態(tài)試驗數(shù)據(jù) 單位：μm

圖1 機組擺度-轉(zhuǎn)速平方相對值

圖2 機組振動-轉(zhuǎn)速平方相對值

圖3 機組擺度-勵磁百分比相對值

圖4 機組振動-勵磁百分比相對值

變轉(zhuǎn)速試驗結(jié)果表明，隨著轉(zhuǎn)速上升，振動、擺度大幅增加，空轉(zhuǎn)狀態(tài)下，機組上機架水平振動達到356 μm，下機架水平振動達到53 μm，上導擺度達到1 550 μm，下導擺度達到1 763 μm，轉(zhuǎn)子存在嚴重的機械不平衡。

變勵磁試驗結(jié)果表明，隨著勵磁電壓的增加，機組振動、擺度大幅增加，空載狀態(tài)下，機組上機架水平振動達到1 098 μm，下機架水平振動達到259 μm，上導擺度達到1 731 μm，下導擺度達到2 797 μm，轉(zhuǎn)子存在嚴重的磁拉力不平衡。

機組帶30 MW 負荷情況下，上機架水平振動達到1 033 μm，下機架水平振動達到234 μm，上導擺度達到1 677 μm，下導擺度達到2 784 μm，各測點測值嚴重超標。

3.2 動平衡試驗結(jié)果

1 號機組振擺超標情況較3 號、4 號機組嚴重，現(xiàn)場進行了2 次配重。試驗結(jié)果見表3。

表3 動平衡試驗結(jié)果對比 單位：μm

根據(jù)原始振動數(shù)據(jù)，第1 次配重50 kg 安裝角度157°，結(jié)果表明空轉(zhuǎn)狀態(tài)下機組上機架水平振動降至69 μm，上導擺度降至751 μm，下導擺度降至356 μm，說明機組機械不平衡已經(jīng)明顯改善，但機組空載狀態(tài)下振擺即增大至原始振動水平，沒有較大改善，機組磁拉力不平衡較嚴重。

第2 次試重83 kg 安裝角度177°，測試結(jié)果表明，機組上/下機架水平振動、定子機座水平振動及上下導擺度較原始狀態(tài)有所較低，但相對第1 次試重第2 次測試結(jié)果振擺均有所增加。

2 次試重計算出的最終配重重量及方位存在較大差別，綜合試驗結(jié)果不建議繼續(xù)對該機組進行配重，現(xiàn)場拆除全部配重塊。

4 對本次動平衡試驗的結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）1 號機組振動擺度嚴重超過國標，機組帶30 MW 負荷情況下，上機架水平振動達到1 033 μm，下機架水平振動達到234 μm，上導擺度達到1 677 μm，下導擺度達到2 784 μm。

（2）現(xiàn)場開展了2 次試重，2 次試重計算出的最終配重重量及方位存在較大差別，綜合試驗結(jié)果不建議繼續(xù)對該機組進行配重，現(xiàn)場拆除全部配重塊。

4.2 建議

（1）建議對1 號機組進行檢修。機組上、下導原始狀態(tài)的擺度以及上機架水平振動較大，嚴重超過國標，導瓦雙邊間隙實際上已經(jīng)大大超過了設(shè)計值。建議對軸瓦間隙、轉(zhuǎn)動部件中心進行檢查調(diào)整，同時檢查軸瓦磨損情況，對機組關(guān)鍵部件進行探傷。

（2）機組上機架整體結(jié)構(gòu)安裝在定子機架上，徑向承壓能力可能不足，建議盡早安裝上機架千斤頂以增強上機架徑向水平方向承壓能力，并重新進行機組動平衡試驗。

（3）建議將機械過速保護裝置安裝間隙調(diào)整為3 mm，防止出現(xiàn)誤動。

（4）機組振動測點位置安裝不正確，建議按照規(guī)范對測點位置進行調(diào)整；在線監(jiān)測系統(tǒng)顯示擺度數(shù)據(jù)與試驗實測值存在較大偏差，建議進行檢查。

5 結(jié)束語

一般來說，由于機組在制造、安裝等機械方面的原因，在運轉(zhuǎn)中都不可避免地存在著不同程度的振動，這是不可能完全避免和消除的現(xiàn)象。只要將振動限制在允許的范圍之內(nèi)，它對機組本身及其運行并不會造成危害，也就是說可以保證機組穩(wěn)定運行。然而，當機組的振動超過允許的范圍，或振動的頻率同機組的某固有頻率產(chǎn)生共振時，就會嚴重地影響到機組的安全運行。

涔天河水電站機組通過動平衡試驗，判斷并消除可能存在的轉(zhuǎn)子動不平衡，優(yōu)化機組的運行狀態(tài)，保證了電力系統(tǒng)的安全運行。