振擺監測裝置在水電廠燈泡貫流式機組上的應用及振動原因分析

王青華，蘇文俊

（1．蘭州江明水利水電工程設計咨詢有限公司，甘肅 蘭州 730000；2．三峽新能源西北分公司 清水綿諸風電場，甘肅 清水 741400）

貫流式水輪發電機組適用于低水頭、側重于引水式的臥式水輪發電機組，對振動、擺度要求較高，通過振擺監測裝置對X、Y坐標軸方向承受的燈炮頭自身重量及集正推軸承和反推軸承為一體的組合式軸承進行實時監測。

1 水輪基本參數

水輪機型式:雙調節（燈泡貫流式）；水輪機型號:GZ995a-WP-330；轉輪直徑:3.3 m；最大水頭:19.0 m；額定水頭:17.2 m；最小水頭:14.5 m；額定流量:80.9 m3/s；額定功率:12.82 MW；額定轉速:200 r/min；額定效率:93.9%；導葉最優開度:53°，導葉最大開度:76°；槳葉最大開度:38°，最小開度:8°。

2 振動擺度監視裝置及系統的構成

振動擺度監視控制裝置由傳感器、監視儀表和連接電纜等部件組成。配接電渦流傳感器時組成擺度監視系統，配接低頻振動傳感器時組成振動監視系統。技術功能主要有實時監測、實時分析、運行記錄、特況錄波追記、在線分析等，儀表默認設置為擺度監視儀，通過儀表面板的鍵碼輸入可將該儀表設置為振動監視儀。無論儀表設置為何種監視狀態，均可接收13個通道信號，并將各通道的信號獨立顯示，同時輸出與顯示值對應的模擬量信號。每一通道可設置4級不同顏色報警。

系統結構:系統由一個或多個計算機節點組成，各節點根據其功能分為數據采集節點、數據服務節點、系統服務節點、監測分析節點等，每一個節點對應一臺電腦或一臺采集器，節點間通過以太網連接。根據系統規模和現場實際需求，可將一些功能節點合并到同一臺電腦上，以減少部署的設備數量；監測數據服務、系統服務和WEB服務可部署在同一臺電腦上。系統參數、數據存儲、WEB服務等功能模塊安裝在一個獨立的服務器上（如果系統龐大，為提高系統性能可分別安裝在不同的服務器上）。數據采集節點和監測分析節點都要從服務器下載參數，數據采集節點把數據發送至服務器存儲。數據采集過程如圖1所示。

圖1 數據采集示意

3 振擺測點布置

振擺測點布置合理和信號獲取都是發電機組運行狀態分析的重要環節，測點布設位置直接影響數據分析和故障診斷的可靠度。根據機組的振擺特性，各測點的布置取決于機組運行規律和設備特點。振擺裝置實時巡檢13個點，其中X、Y振動方向4個點（組合軸承、水導軸承），X、Y方向擺度8個點（組合軸承、水導軸承、轉輪室、燈泡頭），尾水管壓力脈動1個點。機組運行過程中可根據正常運行時的振動、擺度參考范圍（表1）對振動、擺度進行修正。

表1 機組正常運行時振動、擺度范圍

4 影響燈泡貫流式機組振動及擺度的因素

一是水頭引起的振動。在偏離設計工況下運行，特別是在低水頭下運行時一般都存在一個振動區，通常為額定負荷的35%～75%。機組低水頭、低負荷運行時，轉輪葉片的沖角變化較大，使葉片產生強烈的渦流，機組除嚴重空蝕外，還會引起旋轉部分和尾水管的振動。當機組上下游水位波動較大時，若上游攔污柵堵塞嚴重，壓差過大或當機組調速器的水頭設置與實際水頭不一致時，也會引起機組振動。

二是機組制造、設計、加工、安裝質量或參數設置不合理引起的振動。水輪發電機是一種將機械能轉化為電能的水利發電裝置，在機械能向電能轉換的過程中，定子與轉子外沿之間的氣隙不均勻，導致定子與轉子之間的磁拉力不平衡，從而引起發電機的電磁振動。發電機轉子磁極的重量不同、非標的磁軛厚度部件會導致旋轉不平衡、軸瓦間隙大，從而引起振動。因此，機組旋轉部分的動平衡必須滿足要求。

三是導葉和葉片組合參數設置不正確引起的振動。燈泡貫流式機組一般采用導葉和槳葉雙重調節，協聯關系的正確設定可以使水輪機導葉和槳片開度隨著機組負荷的增加或減少而同時改變，形成最佳協聯關系，實現水輪機的水力損失最小化，使得機組能夠在最佳工作條件下或接近最佳工作條件下運行。橫丹水電站設計穩定運行范圍為最高水頭19 m、最低水頭14.5 m，水輪機可在空載或35%～100%額定功率范圍內連續穩定運行。當水輪機導葉和槳葉協聯的參數設置不正確時，機組出力受到限制，不能保證最佳運行工況。轉輪轉動的過程中槳葉的葉沖角一直在變化，作用在葉片上的力和葉片的扭矩也發生變化，使機組產生徑向振動。槳葉動應力急劇增加，導致葉片振動。導葉與導水機構配水環的連接處以及槳葉與轉輪輪轂的連接處產生疲勞裂紋。

四是空氣進入機組轉輪引起的振動。在水流速度較大時，會在進水口上端部位不斷形成漩渦，機組負荷逐漸增加時漩渦的旋轉深度隨之加大，將外界的大量空氣帶入水輪機的工作部件內部。同時在水流和壓差的作用下，機組負荷越是加大，漩渦就越深，被帶入的空氣就越多，振動隨之越大；另一方面，空氣進入轉輪也會引起工作部件產生氣蝕，氣蝕對機組振動也有一定的影響。

五是調速器系統引起的機組振動。調速器系統伺服引導閥動作穩定可靠、靈敏性能好，但對調速器系統的油質要求較高，當因油質問題造成調速器引導閥或主配閥卡塞時，調速器自動跟蹤并調節至給定負荷為止，導致調速器調節通流油量急劇變化，槳葉操作油管的振動加強，槳葉開度調整幅度變大，機組出現瞬時振動。

5 改進措施及建議

一是調節庫區水位，保持機組高水頭運行。按照來水流量調整機組出力，避開機組振動區；通過樞紐清污機、前池攔污柵定期清污避免壓差過大，避免空氣進入流道，破壞水流穩態，引起機組振動。

二是通過分析機組各組成部件的運行狀態，開展針對性檢修、維護工作。充分利用振擺監測系統，在機組定期檢修或年度檢修時對大軸軸線狀態、小軸端或發導軸承狀態進行分析判斷。

大軸軸線狀態:通過收集包括受油器小軸端或發導軸承X、Y徑向擺度頻率數據，組合軸承X、Y徑向擺度頻率數據，水導軸承X、Y徑向擺度頻率數據及徑相信號等。在機組大軸上選取兩個任意截面，根據截面上采集的軸心軌跡數據繪制出機組軸線空間軌跡圖，這樣就能掌握機組大軸的空間運動軌跡、振動擺度的頻率參數、軸重心偏移軌跡趨向，配合機組投運前設計院提供的機組工況參數曲線圖，全面分析機組大軸的靜態彎曲狀況和機組在各種工況下運行時機組大軸動態彎曲情況，然后調整大軸軸線。

小軸端或發導軸承狀態:首先，分析組合軸承工作狀態。觀測組合軸承X、Y徑向擺度頻率，X、Y徑向振動頻率，軸向Z振動頻率，觀測組合軸承瓦溫，軸承進、出口油溫等監測信號，并收集整理。其次，分析水導軸承工作狀態。觀測水導軸承X、Y徑向擺度頻率，X、Y徑向振動頻率，軸向Z振動頻率，觀測水導瓦溫，水導瓦進、出口油溫等監測信號，并收集整理。每個軸承部位通過正交的兩個電渦流傳感器可測出大軸運動的軸心軌跡，很多故障特征數據與軸心軌跡有明顯的對應關系。科學分析上述信號，還可找到軸承的缺陷，并加以修正。

大軸、組合軸承和水導軸承的任何故障和缺陷，都會對擺度、振動、溫度等產生影響，被監測系統捕捉感知后，幅值、頻率、相位等都會發生改變，最終通過協聯關系匹配出相應的故障原因，運行單位要據此制定相應的檢修計劃。

三是調速器系統檢修過程中，對引導閥過濾器進行清洗，對引導閥活塞、主配活塞進行檢查，測量其間隙及磨損情況，對調速器管路進行沖洗；根據燈泡貫流式機組的特點，調速器系統在檢修后應加注新油，并根據機組動態試驗及修前的數據分析，確定適合當前機組運行的最佳導葉、槳葉協聯關系，使機組盡可能處于最優工況運行。

6 結束語

自1933年以來，燈泡貫流式水輪發電機組在我國得到了廣泛的應用，是開發低水頭水力資源的一種新型機組，目前已成為水頭在25 m以下電站的主力機型。各水電站對燈泡貫流式水輪發電機組的運行、檢修及維護已積累了比較豐富的經驗，為正確記錄橫丹水電廠燈泡貫流式水輪發電機組實際生產過程中的振動、擺度、壓力脈動等相關狀態，發現故障早期征兆、故障原因，正確判斷故障發展趨勢提供了可靠的檢測依據。