錦屏二級水電站8#機過速后不穩定原因分析及處理措施

邱小耕，孫 彬，王冬梅

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 611130)

1 概述

錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧三縣交界處的雅礱江干流錦屏大河灣上，采用低閘引水式開發，地下廠房內共布置8臺單機容量為600MW的水輪發電機組。發電機為空冷立軸半傘式，型號為SF600/36-1180，轉子重963t，發電機總重約2280t。機組額定水頭288m，額定轉速 166．7r/min，最高水頭為318．8m，額定流量 228．6m3/s，飛逸轉速為 300 r/min，額定容量為667MVA。該機組是目前世界上該容量機組段水頭最高、轉速最大的水輪發電機組，其設計、制造、安裝、監理等工作都具有較大難度及挑戰性。2012年12月30日，電站首臺機組順利發電，2014年11月26日最后一臺機組順利發電。

2 轉子動不平衡問題

8#機組于2014年11月8日首次開機，完成了機組瓦溫考核和動平衡試驗，在4次配重后，機組的各項運行參數滿足四川省雅礱江錦屏二級水電站水輪發電機安裝質量標準和國家相關規程規范的要求，最終的配重部位和配重值見表1，轉子示意圖見圖1，動平衡試驗后機組各運行參數見表2，過速150%時機組各參數見表3。過速試驗停機后對機組進行了全面檢查，主要包括發電機轉動部分，如轉子支架焊縫及其他焊縫、磁軛鍵、磁極鍵、阻尼環及磁極引線、磁軛壓緊螺桿等，檢查結果均無異常并調整了過速保護裝置。檢查完成后重新開機，達到額定轉速后各項參數無法恢復到過速試驗前的數值且數據不穩定，經常變動，忽大忽小(表4)。從表4中可以看出機組上、下導軸承振動比過速前明顯偏大。由于通過配重完成機組動平衡試驗后，各項參數在過速前是符合相應要求的，因此，需要重新查找機組產生振動、擺度偏大且不穩定的原因。

表1 配重部位和配重值表 /kg

圖1 轉子示意圖

表2 動平衡試驗后機組各運行參數表 /μm

表3 過速150%時機組各參數表 /μm

表4 機組振動、擺度參數表/μm

3 機組振動大的原因分析

對于立式機組，引起水輪發電機振動過大的因素比較復雜，主要包括機械不平衡、電磁不平衡、水力不平衡。

由于是空載啟動試驗，機組勵磁系統未工作，故可排除電磁不平衡因素。前期已完成動平衡試驗，機械不平衡的可能性亦降低。水力不平衡常常由空腔脫流或渦列引起機組的振動，其振幅在某些低負荷區域很大，其頻率范圍很廣，水力不平衡與引水系統容易發生水力共振，其共振頻率和引水系統管路特性有關，振動方向表現為軸向，即頂蓋和承重機架垂直振動很大，但機架和頂蓋振動與前期基本無變化且運行也是在額定狀態下，因此，排除了此因素。

過速后機架及上、下導軸承擺度偏大且不穩定，這在前期7臺機組中都未發生過。為查清為何過速后機組擺度偏大且不穩定的原因，再次對機組內部進行了更全面的檢查，最終發現轉子上端面上的勵磁引線阻尼環因外力產生了擠壓。現場的勵磁引線用螺栓與環氧支撐塊固定在轉子上端面以及轉子擋風板上，機組過速試驗時，轉子環形擋風板因焊接產生了應力釋放，導致固定在擋風板上的勵磁引線松動，造成機組轉子的動不平衡，引起上機架的振動并作用于導軸承使導軸承擺度不穩。

轉子擋風板為現場拼裝配割后焊接在轉子副立筋支臂上，廠家設計時并沒有要求焊接，因現場后期考慮并經廠家技術指導同意，采用段焊的方式與支臂連接，在后期過速試驗后，常因應力釋放而破裂，隨后進行補焊。磁極引線為現場拼接，采用螺栓與環氧支撐塊固定，并用力矩扳手和螺紋鎖固膠鎖定以防軸線竄動。前期機組在試驗中未出現引線竄動情況，此次故障可能是磁極引線因徑向滑動、加之擋風板應力釋放、相互疊加加劇了振動影響。

通過對轉子擋風板重新焊接和對勵磁引線的重新固定后，再次開機試驗，發現轉子上機架振動和各導軸承擺度不再變化，但此時數據已失真，于是決定拆除之前的配重塊，重新進行動平衡試驗。

4 轉子動不平衡的解決方法

動平衡試驗，就是人為改變轉子的不平衡性，測量機組振動的變化，從而計算出轉子存在的質量不平衡，用平衡配重的辦法使轉子重心趨于旋轉重心，減小轉子旋轉時所產生的不平衡離心力和離心力偶，從而減小質量不平衡引起的振動。

4．1 三次試重法

傳統的處理方法是三次試重法。首先，在不加任何試驗荷重的情況下測量機組在空載額定轉速時的軸承橫向振動值;其次，將試驗荷重加在轉子圓周半徑為 R，方位角為 0°、120°、240°三處，起動機組以額定轉速分別測量軸承橫向振動μ1、μ2、μ3;第三步，通過以上四次振動幅值可以計算出使轉子達到平衡所需平衡配重的大小和方位;第四步，按計算值將平衡配重加在轉子上并再次起動機組，測定振動幅值，檢驗平衡效果，直至使振動幅值小于規程允許值為止。這種方法解決動平衡問題比較有效，但現場試驗操作起來卻比較繁瑣，費時費工且不易掌握。

4．2 振擺量測成相法

經研究決定采用專業測相儀器，再配合傳統配重法來完成動平衡試驗工作更具效率。這種儀器可一次同時測出振幅和幅值所在方位，根據振動幅值的大小和方位，逐次加配重，直到問題解決為止。這種方法省時省事且具有傳統方法的優點，因此，試驗時多采用這種方法。錦屏二級水電站1#～8#機組的動平衡也是按此方法進行調整的。

5 轉子動不平衡的處理

5．1 失重角的確定

錦屏二級水電站現場測試采用的是由北京華科同安生產的TN8000STA振擺監測程序來完成失重角的確定。首先，廠家在兩根轉子磁極引線中間正對的1#磁極正下方做好鎖相測量標記并固定鎖相測量傳感器。同時，在同一方位的下導軸承和上機架上固定有振動測量傳感器，使振動測量傳感器測頭與鎖相測量傳感器方位一致，以保證測試精度。將振動測量傳感器測量信號經模數轉換處理后，與鎖相傳感器信號同時輸入測量儀器。在額定轉速下，測得上機架最大振動值為89μm，最大振動方位為鎖相標記(轉子引線方向)順時針213°。根據轉子結構，可以確定配重方位為鎖相標記逆時針147°，即轉子12#～13#支臂之間。

5．2 試重塊的選取

為使機組振動在加試重后有一定的反應，又不致使振動增加過大而危及機組安全，按照DL/T507-2002水輪發電機組起動試驗規程的要求，將試加配重塊質量選取為195kg。根據轉子結構，盡可能考慮配重塊的均布，將配重塊等分加在12#～13#之間的配重槽內上、中、下三部分，各65 kg。重啟機組，測量機組的振動、擺度，振幅明顯降低，失重角基本無變化，說明此次配重正確。由于擺度依然偏大，通過再次配重減小擺度，直至符合要求。機組最終的配重結果見表5，最終配重后的運行參數參見表6。

表5 機組最終配重結果表/kg

表6 機組最終運行參數表/μm

6 結語

水電站水輪發電機組安裝過程中出現上機架振動和導軸承擺度偏大是常見的現象，對工程實踐中快速解決轉子動不平衡問題的方法進行總結是非常必要的。從錦屏二級水電站8#機組空載運行情況看，機組振動和擺度數據比較平穩，上機架振動和導軸承擺度偏大的現象得到消除，后期帶負荷運行效果亦較好。此次采用振擺量測成相法，工序優，時間省，操作簡單且效率高，很好地完成了錦屏二級水電站8#機組的配重工作，配重后機組合格，主要技術參數均能滿足要求。