寶珠寺水力發電廠11F水輪發電機組擺度過大分析與處理

方仲超

(寶珠寺水力發電廠，四川廣元 628003)

寶珠寺水力發電廠11F水輪發電機組擺度過大分析與處理

方仲超

(寶珠寺水力發電廠，四川廣元 628003)

寶珠寺電廠11F機組自2012年A修運行以來，機組在運行過程中推力與水導軸承的擺度不斷增大，在低水頭運行過程中，機組的擺度超標。經過對機組中心、轉子圓度、及水導瓦改造等數次檢查處理，有效的解決機組擺度超標問題。在實際處理過程中，發電機機組部分擺度在空載后略有下降，是因為軸向水推力增加、推力軸承摩擦力加大，轉子不容易偏離中心所致，同時負荷增加，有功、無功電流增加，磁場強度亦增大，使轉子的徑向不平衡力相對減小，使轉子偏離中心也愈加困難。

水輪發電機組；磁拉力不平衡；分析；處理

1 概述

寶珠寺發電廠位于四川省廣元市三堆鎮境內，是白龍江干流域開發的第二座水電站，電站安裝4臺由東方電機廠設計、制造的半傘式輪發電機組。機組主要技術參數見表1。

表1 水輪機和發電機參數表

11F機組自投產以來，機組運行中，除推力擺度較大外，其余各部位的擺度均正常。由于過流部件氣蝕嚴重，2012年對11F機組進行A級檢修，修后機組在空轉情況下各部位擺度均較小；加勵磁至80%Ue時推力擺度明顯加大，在滿負荷情況下推力擺度幅值由0．68 mm增至0．98 mm，水導擺度幅值由0．23 mm增至0．59 mm。由于寶珠寺電站未設計下導軸承，在DL/T507－2002《水輪發電機組啟動試驗規程》并未對推力擺度允許值作相關要求，按照對導軸承要求，水導擺度幅值已超過設計雙面間隙75%(調整雙面間隙0．60 mm)。對此情況，作業人員對機組多次檢查、分析與處理。

2 機組問題處理

2012年7月檢修完畢后，進行11F機組穩定性試驗，試驗后認為轉子存在明顯磁拉力不平衡，且機組運行狀態不穩定；由于當時正值白龍江流域主汛期，同時需排查引起不穩定諸多因素，當時未做處理，只能加強運行過程中擺度與振動的收集。8月份停機檢查，水導瓦實際雙面間隙最大值已達到0．65 mm。對轉子轉動部分各連接螺栓預緊力進行檢查，排除轉動部分在受不平衡力的作用下自身剛度不足的可能；檢查定轉子空氣間隙在合格范圍內；同時對水導瓦雙面間隙按照0．56 mm進行調整。處理后機組推力擺度大的問題有所改善，但仍然存在磁拉力不平衡問題，滿負荷運行情況下，推力擺度幅值仍然有0．76 mm，且隨著運行時間增長，推力擺度逐步增長趨勢，機組運行狀態仍然不穩定。

2014年大修中，為全面分析原因，對機組的固定部分與轉動部分進行檢查。檢查底環、頂蓋與定子的同心度，檢查發現底環與定子存在一定的偏心；檢查轉子中心體法蘭上下止口的同心度，同心度偏心在合格范圍內；對轉子圓度進行測量，發現轉子圓度超標，對超標的28個磁極背面通過加墊調整轉子圓度；對水導瓦結構進行改造等措施。通過上述處理后，機組進行穩定性試驗，機組運行狀態良好，無明顯的電磁拉力不平衡現象，但有輕微水力不平衡現象。

3 水輪發電機組處理過程分析

3．1 啟動試驗分析

2012年7月對11機組作修后穩定性試驗，采集機組在不同轉速下、不同額定空載電壓下、不同負荷情況下的相關部位的擺度和振動，分別見圖1與圖2。

圖1 11F機組穩定性試驗各部位擺度趨勢

圖2 11F機組穩定性試驗各部位振動趨勢

由試驗數據及各部位振擺度趨勢圖分析，在機組無勵磁的情況下，上機架水平振動與推力擺度幅值隨著轉速的升高有所增大，機組存在輕微的動不平衡現象，在空轉工況下各部件的振動、擺度幅值均滿足規程要求，故而轉子機械不平衡并不是引起擺度增大的主要原因。

在升壓試驗過程中，隨著機組勵磁電壓的升高，上機架水平振動、定子中平振動、上導瓦與推力瓦擺度幅值明顯上升，推力瓦擺度幅值增長至0．60 mm，且隨著機端電壓增長，機組振動的相位角也發生變換，機組存在明顯的電磁力不平衡現象。

機組并網后，在機組帶20 MW－60 MW區間內，推力瓦擺度幅值達到1．01 mm，隨著負荷的增加，上機架水平振動、上導瓦擺度和推力瓦擺度有所減小；但水導瓦擺度擺度幅值有所增加，水導瓦擺度在滿負荷下以達到0．57 mm。對該過程波形進行頻譜分析，機組在空載到40 MW負荷區域內，運行較穩定，水力低頻振動不明顯，機組在60 MW附近時，頂蓋水平振動異常，其波形表現為0．86倍轉頻頻率，在80 MW－120 MW負荷區域內，受尾水壓力脈動的影響，上導擺度、水導擺度、頂蓋水平振動和頂蓋垂直振動存在較為明顯的0．11－0．32倍轉頻的低頻波。鑒于水力因素引起的振動的復雜性，且該區域運行為水輪機的不穩定區域，加之頂蓋振動均在合格范圍，故而水力因素不是引起推力擺度超標的主要因素。

上述分析可見，推力瓦擺度超標的主要原因為電磁力不平衡，需重點對定、轉子空氣間隙或轉子繞組匝間短路情況進行排查。

3．2 機械部分檢查

2012年8月，停機對各轉動部分連接螺栓、上導軸承、水導軸承進行檢查。對上端軸、轉子中心體、水發連軸螺栓的預緊力進行檢查，發現轉子中心體有4顆螺栓在設計壓力下有輕微移動，最大旋轉角度為10°，其他部位螺栓均未發現松動狀況；對定轉子空氣間隙進行檢查分析，發電機定子、轉子空氣間隙基本合格，其中平均氣隙為22．8 mm，最大值為24．1 mm，最小值為20．9 mm，符合規范要求。對水導瓦進行檢查，發現部分水導瓦間隙變大，其最大雙面間隙為0．65 mm，分析其根本原因是水導瓦在制造時，在支柱螺栓配合處留有φ60 mm×1 mm的“凹槽”——作為對水導瓦的定位及間隙配合，由于水導瓦運行時間較長，水導瓦背后凹槽磨損嚴重，凹槽與支柱螺栓的貼合面積小于80%，對水導瓦不能進行限位，調整后支柱螺栓與水導瓦頂頭在圓周方向有2 mm的余量，致使調整后的水導瓦間隙在運行過程中發生變化。鑒于水導瓦溫度不高，協商討論將水導瓦雙面間隙調整至0．56 mm。

通過上述處理后機組推力擺度大的問題有所改善，但仍然存在電磁拉力不平衡問題，滿負荷運行情況下，推力擺度仍然有0．76 mm，且隨著運行時間增長，推力擺度逐步增長趨勢，機組運行狀態仍然不穩定。

4 發電機磁拉力不平衡檢查處理

2014年大修中，對定子、轉子、導軸承進行檢查分析，全面分析引起發電機磁拉力不平衡的因素，其中對定子圓度、轉子圓度進行調整，對水導瓦進行改造，詳細過程如下。

4．1 定子圓度及同心度檢查

吊出轉子后，對定子各部焊縫開裂、螺栓松動、零部件變形損傷情況進行全面檢查，均未發現異常狀況；定子三組繞組的直流電阻、定子絕緣及交流耐壓試驗均合格；對定子圓度進行測量，在定子上中下三處測量定子圓度，利用正交分解法，對定子圓度測量數據進行分析，結果如圖3所示。

圖3 定子圓度數據分析圖

由圖示可見，定子上部平均直徑 φ4775．57 mm，設計空氣間隙為22 mm，相對誤差4．9%＜5%，定子中部平均直徑φ4 776．02 mm，相對誤差4%＜5%，定子下部平均直徑φ4 776．10 mm，相對誤

2．3%＜5%。定子的垂直度方面，定子上環中心與下環中心同心度偏差達到0．79 mm，偏差角度與+Y夾角=88．7°，定子呈現“圓臺型”—下大上小，且上下偏心。綜合分析上中下環數據，計算出上中下環理論中心，對定子進行整體平移調整。

由于定子基礎板已經澆筑在基坑混凝土內，通過平移定子進行調整工作量大且需大噸位螺旋千斤頂，考慮到在推動定子過程中，有可能造成定子絕緣損壞等對定子造成重大損傷的可能，且需重新調整上機架中心，故不采用直接推動定子來調整機組安裝中心；通過現場檢查發現底環與頂蓋均有調整余量，故通過調整底環、頂蓋與定子的同心度，將水輪機固定部分中心調整至定子的理論中心處。

以定子理論中心為基準，經過計算對底環為向+Y方向調整0．38 mm，向－X方向調整0．15 mm，調整完畢對中心進行校核，底環偏差0．03 mm，中心調整優良；以調整好的底環中心為基準，對頂蓋向+Y方向調整0．10 mm。頂蓋中心偏差為0．03 mm。調整完畢后對中心進行校核，中心調整合格。對頂蓋與底環分別鉆取φ30的錐銷進行定位，具體流程如圖4。

圖4 水輪發電機組中心調整流程圖

4．2 轉子檢查處理

(1)轉子中心體止口檢查。以下止口為基準測量上止口的同心度，經測量，上、下止口的同心度合格，偏差小于0．05 mm，

(2)轉子吊出后，對轉子機械部分檢查，磁極鍵點焊無開裂，阻尼環連接良好，對轉子單個磁極作交流阻抗測量，其最小值1．14Ω，最大值1．17Ω，平均值1．15Ω，偏差未超過2%，對轉子作直流電阻測量，測試值為0．206Ω，均在合格范圍內。

轉子圓度及磁極檢查處理。(3)轉子吊出后，對轉子圓度進行檢查，在磁極上中下側架設百分表采取數據，利用正交分解法，對測量數據進行分析，圓度趨勢如圖5所示。

由數據分析可見，轉子上部圓度相對誤差3．5% ＜5%；轉子中部圓度相對誤差6．3% ＞5%；轉子下部圓度相對誤差5．4% ＞5%。由圖5所示，轉子的垂直度方面，上部與下部的偏心可達0．4 mm。發現問題后電廠組織有關技術人員討論并咨詢東電廠家，決定在測量數據偏大的磁極背面通過加墊來調整轉子圓度。具體加墊磁極數據如下。

圖5 轉子圓度數據分析圖(調整前)

表2 磁極圓度調整加墊參數表

對28個磁極需進行加墊并更換磁軛鍵。加墊處理后對轉子圓度進行檢查，轉子上部圓度相對誤差

3．2% ＜5%；轉子下部圓度相對誤差1．6% ＜5% 。轉子圓度合格。將磁軛鍵按照要求打緊后，對轉子作絕緣及交流耐壓試驗，均符合要求。

圖6 轉子圓度數據分析圖(調整后)

4．3 水導瓦改造

對水導瓦結構進行改造，更換水導瓦頂頭，更換為強度更高的烙剛墊，并使烙剛墊高瓦背2 mm，更換部分磨損嚴重的支柱螺栓，檢查支柱螺栓與烙剛墊的配合尺寸，使支柱螺栓與烙剛墊貼合面積大于85%。

通過上述處理后，對機組進行回裝，按設計緊固力緊固轉動部分連軸螺栓；軸線調整至0．02 mm/m；檢查調整鏡板水平與推力軸承受力，均在合格范圍內，將機組調整至中心，止漏環偏心不超過平均間隙5%；對上導軸承按0．60 mm的雙面間隙調整，水導軸承按照0．60 mm雙面間隙進行調整，機組回裝完畢后對機組進行啟動試驗。

4．4 機組檢修后運行狀況

機組檢修后，進行了穩定性試驗，測量各工況下機組擺度值及振動值，通過前后機組運行過程中擺度與振動趨勢對比，各部位擺度與振動均沒有超標，機組加勵磁后，推力擺度沒有階躍性變大，機組運行狀態良好，無明顯的電磁拉力不平衡現象，有輕微水力不平衡現象，機組運行1小時后，發現水導擺度由0．24 mm增大至0．38 mm，且仍有增大的趨勢。停機檢查水導間隙，發現水導雙面間隙由原來的0．56 mm增至0．80 mm，經分析確認是由于新更換的水導瓦頂頭未壓緊所致，將水導瓦雙面間隙調整為0．56 mm，機組重新運行，水導擺度正常，機組運行狀態穩定。

5 體會

通過分析處理，11F機組由水輪發電機組偏心及轉子圓度超標引起的動態電磁拉力不平衡，結合作業現場實際處理過程，分享幾點體會，希望對出現類似狀況機組提供一定的借鑒經驗。

圖7 機組穩定性試驗各部位擺度趨勢

圖8 機組穩定性試驗各部位振動趨勢

(1)對于定子與底環偏心問題，理應在安裝過程中應予以充分保證，但對運行多年機組，機組的銷釘定位精度變差，更有甚者銷釘定位失效，給機組運行帶來很大安全隱患，故而機組擴修過程中，應校核其同心度。

(2)對于定轉子等大直徑圓形空間物體圓度檢測與控制，是機組運行質量及安全運行的重要指標；對于定轉子空氣間隙值分析，不能僅僅局限與空氣間隙偏差在合格范圍內，應綜合分析定子、轉子磁極的空間圓度和垂直度，使其各部分空間圓度均合格范圍內，從而保證空氣間隙動態均勻。

(3)對于無下導軸承的半傘式機組，如轉子稍有不平衡力，推力瓦擺度就顯示較大，且在各規程并未對推力擺度允許值作相關要求，故而在機組調整中心，應力圖將中心偏差控制在最小范圍內，同時在運行過程中，應整體找一次重量不平衡，盡量減少轉子自身的機械不平衡現象。

(4)在實際處理過程中，發電機機組部分擺度在空載后略有下降，是因為軸向水推力增加、推力軸承摩擦力加大，轉子不容易偏離中心所致，同時負荷增加，有功、無功電流增加，磁場強度亦增大，使轉子的徑向不平衡力相對減小，使轉子偏離中心也愈加困難。

［1］ 王海．水輪發電機組狀態檢修技術［M］．北京:中國電力出版社，2004。

［2］ 蔡燕生、李東、燕飛．龔嘴水電站水輪發電機組振動分析及探究［J］，水力發電，2014，40(12)63－67。

［3］ 何睿．銅街子電站11F機組振動處理［J］，四川水力發電，1999，18(4)23－27．

［4］ GB/T8564—2003水輪發電機組安裝技術規范［S］．

［5］ DL/T507－2002水輪發電機組啟動試驗規程［S］．

FV7;TM312

B

1001-2184(2015)05-0157-05

方仲超(1985-)，男，陜西榆林人，西北農林科技大學熱能與動力工程本科畢業，助理工程師，現于寶珠寺電廠從事電力設備檢修及項目管理工作．

(責任編輯:卓政昌)

2015-08-18