沙河抽水蓄能機組動平衡試驗

郁謝棟，李德敏

（江蘇沙河抽水蓄能發電有限公司，江蘇 溧陽 213333）

1 基本概述

沙河抽水蓄能電站（簡稱沙河電站）由兩臺50 MW的可逆式水泵水輪機組成，采取機變單元接線方式，通過220 kV正母線、由單回沙茶4 576線路經溧陽茶亭變接入江蘇電網。1號機組轉輪生產廠家為哈爾濱電機廠有限責任公司，發電機生產廠家為法國ALSTOM，額定轉速為300 r/min，發電電動機額定容量為50 MW，設計最高水頭121 m，設計最低水頭100.5 m，額定水頭97.7 m，機組安裝高程為-8 m，單臺機組發電額定流量為60.8 m3/s，單臺機組最小揚程抽水流量53.7 m3/s。

沙河電站機組軸系由轉子支架、發電電動機主軸、水泵水輪機軸和轉輪組成。軸系在徑向方向上受到上導、下導和水導三部導軸承的束縛。上導、下導和水導單邊安裝間隙為0.23 mm，活動導葉數為20只，轉輪葉片數為7個。

振動、擺度特性是評價抽水蓄能機組運行性能的重要指標，也是機組設計、制造和安裝質量優劣的最直觀體現。動平衡試驗是水電機組調試過程中的重要環節，是為了解決機組轉動過程中由于轉子質量不平衡引起的機械振動問題，以提高試驗機組的穩定性。本文主要講述了在沙河抽水蓄能電站1號機組更換轉輪后，轉子軸系動平衡發生變化，可能造成轉子重量失衡，需重新開展動平衡配重。通過動平衡配重，精準找出平衡點，在經動平衡配重之后，1號機組振動、擺度等主要運行參數得到了大幅改善，綜合運行水平優于投產初期及上一輪A修后水平，達歷史最優，對機組長期安全穩定運行意義重大。

2 試驗概述

2.1 試驗目的

為解決1號機組更換轉輪后不平衡引起機組振擺超標的問題，科學評價1號機組A修效果。

2.2 試驗方法

動平衡配重基于轉子徑向振動幅值與不平衡離心力成正比的原理，通過測量轉子徑向擺度和相位計算并確定轉子不平衡離心力的大小和相位，依此對轉子立筋進行配重。現場動平衡計算方法采用影響系數法，該方法思想基于轉子激勵與響應在一定范圍呈線性，其激勵和響應是純數學關系。

2.3 試驗標準

1號機組的振動測試數據采用ISO 7919－5標準進行評價，該標準下，300 r/min的水輪機組在穩態運行時的軸系振動等級分區見表1。

表1 300 r/min水輪發電機組軸系振動考核標準（峰-峰值）

2.4 試驗工況

對1號機組的主要測試工況為空轉工況、空載工況、發電帶負荷工況、SFC拖動工況和抽水工況。

2.5 測點位置

振動測試對象為1號機組。振動試驗測點為1號機組的上導、下導及水導處兩個互相垂直的X、Y水平方向共6個測點的大軸相對振動，鍵相信號1個，所有測試點信號均來自于電站已有的機組振動數據采集系統。

3 振動和擺度測試結果分析和處理

（1）1號機組A修回裝完成后，于2021年5月31日機組首次轉動，轉速達到額定轉速的5%后，對1號機組各部位進行聲音監聽以及外觀檢查，無任何異常后，運行約3 min后停機。

（2）機組停穩后，再次發電方向手動啟動，轉速逐漸上升，最后到達100%額定轉速，稍后進行過速試驗，轉速最高到達130%額定轉速后停機。

（3）以上兩次啟機期間，對機組振動擺度進行連續監測，監測數據表明，1號機組轉動部件雖然存在一定量的不平衡，但其在發電空轉工況下振動和擺度幅值并不是非常大，完全可以滿足機組稍后的電氣試驗要求。因此，經調試組研究決定，暫時不做動平衡，先將電氣試驗完成，待機組在抽水方向旋轉的振動和擺度數據均完成采集后，結合轉子正轉和反轉的數據，綜合考慮動平衡試驗。

（4）6月1日進行了發電機開路試驗和短路試驗后，進行發電空載試驗。空轉和空載試驗期間，各測點擺度和振動數據見表2。

（5）從表2中的擺度數據可以看出，機組空載比空轉工況下稍微穩定一些，但1倍頻幅值相差不大；無論是空轉還是空載工況，機架和頂蓋的振動無明顯區別，但機架和頂蓋振動通頻值比較大，其振動主要成分是高倍頻所致，1倍頻幅值并不是很大。對機架1倍頻幅值進行換算，無論是空轉還是空載工況下，其1倍頻幅值最大約為23μm。對上導和下導擺度進一步分析，發現上導和下導擺度存在非常大的反向不平衡量，即存在比較大的力偶不平衡。

表2 動平衡前1號機組發電空轉和空載工況下各測點數據

（6）1號機組在完成電氣試驗后，于6月1日由SFC拖動，轉速正常上升，轉速達到額定值后，保持該狀態約5 min后停機。期間，對1號機組擺振進行實時監測。SFC拖動期間，1號機組振擺幅值見表3，各測點趨勢見圖1所示。

圖1 1號機組動平衡前SFC拖動額定轉速下各測點擺度趨勢

表3 動平衡前1號機組SFC拖動工況下各測點數據

（7）從圖1和表3中的數據可以看出，SFC拖動機組時，擺度時大時小，并不是非常穩，而且表3中的數據也顯示機組轉動部件1倍頻分量和發電空轉、空載時差不多，存在一定的不平衡量。由于SFC拖動時，擺度幅值時高時低，而且相差比較大，因此，其計算出來的相位也極其不穩定，以至于無法判斷其相位的大致范圍。

（8）為此，在對1號機組進行動平衡時，主要以發電方向空轉和空載的數據作為依據。6月2日，1號機組開展動平衡試驗，基于歷史數據的分析和統計，并參考機組具體結構，決定在發電機轉子11號磁極處上部加20.4 kg配重塊。配重塊安裝完畢且機組隔離恢復后，1號機組發電工況自動啟動空載運行，轉速達到額定值300 r/min后穩定運行約5 min后停機。期間，對1號機組各擺度振動測點進行連續監測，各擺度和振動幅值見表4。

表4 第一次動平衡后1號機組空載工況下各測點數據

（9）對比動平衡前1號機組空載時的數據，發現上導擺度略微變小的同時下導擺度增大得比較多，究其原因，是因為平衡塊質量比較大所致。經再次計算，將原位置的20.4 kg配重塊更換為7.8 kg。配重塊安裝完畢，且隔離措施恢復后，自動開機，1號機組發電至空載操作，達到額定轉速300 r/min后進入空載工況，該工況下連續運行約5 min后停機。機組運行期間，對1號機組各擺度振動測點進行連續監測，各擺度和振動幅值見表5。

（10）從表5中的數據得知，上導、下導和水導擺度1倍頻幅值（除上導Y方向外）均比較小，而且都差不多大小。對比動平衡前各測點擺度幅值，上導擺度1倍頻幅值有大幅度降低，下導擺度1倍頻幅值略微降低。對其數據進行深入分析，發現上導與下導擺度的相位基本呈相反，也就是說發電機轉子上下呈力偶不平衡狀，鑒于目前1號機組的結構以及目前上導和下導1倍頻幅值數值，動平衡試驗達到預期效果。

表5 第二次動平衡后1號機組空載工況下各測點數據

（11）6月5日，1號機組在甩100%負荷前，滿負荷發電工況運行，期間對其擺度和振動進行了連續監測。各擺度和振動幅值見表6、表7。

表6 第二次動平衡后1號機組滿負荷發電工況下各測點數據

表7 第二次動平衡后1號機組滿負荷抽水工況下各測點數據

續表7

（12）從以上數據來看，1號機組無論是發電工況還是泵工況下運行非常平穩，機組擺度通頻幅值整體處于ISO7919－5標準規的A區振動水平，“可不加限制地運行”。至此，1號機組A修后動平衡試驗正式結束，動平衡試驗達到預期效果。

4 振動、擺度特性評價

1號機組經A修后，機組雖存在比較大的不平衡力，但經動平衡后，各測點擺度均大幅度下降。無論是發電工況運行還是抽水工況運行，機組擺度1倍頻幅值整體處于ISO7919-5標準規定的A區范圍，“可不加限制地運行”。修后上導擺度分別比投產初期、首輪A修后、本次A修前降低19%、24%、43%；下導擺度分別降低35%、39%、54%；水導擺度變化不大，與修前基本持平；頂蓋振動分別降低37%、58%、21%；尾水管振動分別降低75%、30%、60%；A修后在機組100%甩負荷試驗時發電機層蓋板上豎立一元硬幣不倒。由此可見，機組振動、擺度等主要運行參數得到了大幅改善，綜合運行水平優于投產初期及上一輪A修后水平，達歷史最優，對機組長期安全穩定運行意義重大。

5 結論

通過沙河抽水蓄能電站1號機組動平衡試驗以及相關振動、擺度問題的分析和處理，總結如下：

（1）SFC拖動時，擺度幅值時高時低，相差比較大，其計算出來的相位也極其不穩定，以至于無法判斷其相位的大致范圍。因此，在對1號機組進行動平衡時，主要以發電方向空轉和空載的數據作為依據。

（2）通過兩次試配，上導擺度1倍頻幅值有大幅度降低，綜合判斷機組結構、轉子上下呈力偶不平衡現狀和配重后上導、下導1倍頻幅值大小，配重達到預期效果。

（3）發電機設計時，需考慮到配重塊的固定，避免在轉子磁極處上部焊接配重塊。

（4）目前抽水蓄能機組沒有專門的安裝規范，對轉動部件的安裝、軸線的調整應結合設備制造廠和相關安裝標準嚴格要求。