向家壩電站800MW水輪發電機組動平衡試驗

徐 波，徐婭玲，尹永珍，徐 鉻（. 長江電力股份有限公司技術研究中心，湖北 宜昌 44300；. 湖北清江水電開發有限責任公司，湖北 宜昌 443000））

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向家壩電站800MW水輪發電機組動平衡試驗

徐 波1，徐婭玲2，尹永珍1，徐 鉻1
（1. 長江電力股份有限公司技術研究中心，湖北 宜昌 443002；2. 湖北清江水電開發有限責任公司，湖北 宜昌 443000））

[摘要]水輪發電機組的振動、擺度多數情況是由于轉子質量不平衡造成的，開展動平衡試驗是水輪發電機組啟動試驗的一項重要內容。向家壩水電站800MW水輪發電機組是目前世界上單機容量最大的巨型機組，本文結合向家壩電站機組動平衡試驗詳細介紹了試驗方法和關鍵技術，重點在于配重相位的選擇和配重質量計算。

[關鍵詞]向家壩；動平衡；配重

0　引言

向家壩電站總裝機容量為6400MW，在世界已建和在建的水電站中排第8位，在國內僅次于三峽電站和溪洛渡電站。向家壩左岸電站和右岸地下電站各布置4臺單機容量800MW的混流式水輪發電機組，單機容量世界第一。

眾所周知，水輪發電機組在制造和安裝過程中引起的質量不平衡會造成機組的振動增大，嚴重影響機組安全運行。對于向家壩電站這樣的巨型機組來說，開展動平衡試驗是水輪發電機組啟動試驗的一項重要內容。本文以向家壩左岸電站機組為例介紹水輪發電機組動平衡試驗方法和關鍵技術。機組基本參數見表1。

表　1

1　動平衡試驗方法

根據轉子的工作狀態和力學特性，常把轉子分成剛性轉子和撓性轉子。通常情況下，水輪發電機組工作轉速遠低于其發電機轉子的一階彎曲臨界轉速，因此水輪發電機組的動平衡一般視為剛性轉子的平衡。

目前，水輪發電機轉子動平衡試驗方法主要包括：三次試重法、時-頻分析法、影響系數法、改進影響系數法。向家壩電站機組動平衡試驗采用的是較為常用的時-頻方法。該方法通過采用時域和頻域分析相結合的方式來確定不平衡力的方向和大小。根據時域波形圖確定不平衡力的相位，由頻譜圖中的轉頻分量來確定不平衡力的大小，試驗原理如圖1所示。

機組動平衡試驗內容包括變轉速試驗、變勵磁試驗。動平衡配重方案需要比較變轉速和變勵磁試驗的數據結果，最終以100%額定勵磁電壓時的數據為準進行配重。

動平衡試驗需要監測上導擺度、下導擺度、水導擺度、上機架徑向振動、下機架徑向振動。原則上水導擺度只做參考，不能用轉子配重進行補償，但實際配重過程中可以適當兼顧水導擺度。

動平衡試驗結合上機架徑向振動及上、下導擺度數據來確定轉子的配重方位和配重量。振動測量由于低頻速度傳感器的相頻特性，相位上會有畸變；擺度測量由于電渦流傳感器探頭固定在機架上，測量值為主軸相對機架的相對擺動，并非絕對值。因此，準確的做法是以上、下導擺度數據確定配重方位，以上機架徑向振動數據來確定配重質量。確定配重方位時應以安裝鍵相傳感器處的擺度傳感器信號進行分析，比如鍵相傳感器安裝在+Y方向，則以+Y方向擺度傳感器信號的轉頻分量相位角進行配重。如果以+X方向擺度傳感器信號來分析，則需將擺度轉頻成分相位角減去90度角（機組順時針旋轉）。

進行動平衡試驗分以下幾個步驟：

（1）確定轉子是否存在質量不平衡。方法是利用變轉速試驗對上機架振動信號進行頻域分析，確定上機架振動轉頻成分中動不平衡分量與轉速平方的對應關系；

（2）如果轉子存在動不平衡，則根據機組帶100%勵磁電壓時上導、下導擺度信號和上機架振動信號分別確定轉子試配相位和試配質量；

（3）試配后進行檢驗試驗，分析試配效果，計算下一步配重相位和配重質量；

（4）動平衡試驗直到配重效果滿足要求為止。

圖1　時-頻法動平衡試驗原理

需要注意的是，由于軸承受熱會膨脹，振動、擺度的測量應在軸承瓦溫穩定后進行。

2　試驗數據分析

2.1動不平衡分析

首先確認變轉速過程上機架振動轉頻成分中動不平衡分量與轉速的對應關系。機架轉頻成分=Ar（固有轉頻分量）+Br（動不平衡分量），需要從轉頻成分中分揀出Br項，如果Br數值與轉速的平方成正比關系，說明轉子存在質量不平衡，需要配重。這里可以采用兩種方法分揀Br項：

（1）利用50%Nr、75%Nr和100%Nr三個轉速下的轉頻成分求解：

在變轉速過程中，A（固有轉頻分量）變化不大，可近似認為是定值，因此，解出與轉速平方之間的對應關系來判斷轉子是否存在質量不平衡。

（2）低轉速下測量Ar項：做變轉速試驗時，記錄轉速＜10%額定轉速時的上導擺度、下導擺度、上機架振動值。由于此時轉速較低，可忽略動不平衡影響，轉頻值只反映機組固有轉頻分量，類似于靜態盤車。那么50% nr、75% nr、100% nr時的轉頻分量與低轉速時的轉頻分量之差即為動不平衡分量。

實際上，在進行數據分析時，常常為了簡化考慮，并未分揀Br項，只對轉頻成分合項進行分析。

2.2試配

（1）試配相位：通過計算得到上導/下導轉頻成分相位角（與鍵相片之間的夾角），以此作為轉子上部/下部試配相位的主要依據，同時兼顧水導擺度。

（2）試配重量：

關于試配重量的確定有以下經驗公式：

式中，P0為試塊重量（kg）；k為系數（0.5～2.5），高速機組取小值，低速機組取大值；M為轉子質量（kg）；R為配重半徑（cm）；n為機組額定轉速（r/min）；H為機組配重前的最大振幅值（mm）。

上述式（4）、式（6）與振幅無關，式（5）與振幅有關，可任選其一。

2.3終配

根據試配效果確定終配方案，可采取矢量圖解法。

式中，P1為終配質量（kg），包含了試配質量P0；OA為試配前擺度矢量；OB為試配后擺度矢量；BA為試配前后矢量之差。

終配M是為了最終消除OA，試配P只消除了AB。AB轉向-OA的轉角α在數值上應等于試配相位與終配相位的相角差。以OA轉向OB的相同方向將試配相位旋轉α角即為終配方位，如圖2所示。

圖2　終配矢量圖解法

根據具體情況，配重可進行多次，直到機組振動、擺度達到要求為止。

3　向家壩機組配重實例

向家壩右岸電站新投產機組在啟動試運行期間進行機組動平衡試驗，內容包括變轉速試驗、變勵磁試驗。試驗所用鍵相傳感器安裝在+X方向，鍵相片與63號磁極在同一鉛垂面。變轉速試驗記錄了40%nr、60%nr、80%nr、100%nr四個轉速下的試驗數據，見表1。機組振、擺數據與轉速平方的對應關系如圖3所示。

表1　變轉速試驗記錄（振、擺單位：μm；相位單位：°）

圖3　機組振、擺轉頻值與轉速平方關系

從表1和圖3可以看出，隨著轉速從40%nr上升到100%nr，上導擺度轉頻增大60μm，下導擺度轉頻增大80μm，上機架水平振動轉頻增大40μm，且上升趨勢基本都與轉速平方成正比關系。由此可以判斷轉動部件存在質量不平衡。

針對質量不平衡，對轉子進行了兩次配重，最終在41號磁極筋板處配重4塊標準配重塊，上下各兩塊，質量約210kg，配重方位見圖4。配重前后機組各部位的振動擺度見表2。

配重后上導擺度轉頻減小40μm，下導擺度減小70～80μm，上機架水平振動轉頻減小20μm，配重效果明顯。

圖4　配重示意圖

4　結語

水輪發電機組的振動大多是由于轉動質量不平衡引起的，通過動平衡試驗可以檢驗和調整轉動部件質量分布，消除不平衡因素，這對于向家壩電站巨型機組的安全穩定運行具有重要意義。

水輪發電機組動平衡試驗的關鍵是配重相位和配重質量的選取。采用時-頻方法能快速確定轉子不平衡質量點的相位和質量，比傳統的三次試重法方便快捷，效果明顯。

表2　配重前后數據對比　　　　　　　　　　　　　　　μm

另外，由于不同類型傳感器的測量原理和固有特性，配重方位的確定應以擺度信號（電渦流傳感器）為準，配重質量的確定應以機架徑向振動信號（低頻速度傳感器）為準。

[參 考 文 獻]

[1]何良超. 水輪發電機組動平衡試驗方法比較[J].廣西電力, 2013, 36(6): 79-81.

[2]敖建平, 薛福文, 劉志輝. 水輪發電機組的動平衡試驗方法[J]. 水電站機電技術, 2005, 28(2): 27-30.

[3]閻宗國, 周凌九. 水輪發電機組轉子動平衡試驗[J]. 水力發電學報, 2012, 31(1): 235-239.

徐波（1977-），2005年7月畢業于華中科技大學能源動力系動力機械及工程專業，獲得工學碩士學歷，現從事水電站機械設備性能診斷測試工作，高級工程師。

審稿人：呂桂萍

Rotor Dynamic Balance Test for 800MW Hydro-generator Unit in Xiangjiaba Hydropower Station

XU Bo1, XU Yaling2, Yin Yongzhen1, XU Ge1
(1. Technology & Research Center of China Yangtze Power Company, Yichang 443002, China; 2. Hubei Qingjiang Hydroelectric Development Co.,LTD., Yichang 443002, China)

Abstract:Vibrations and runout of hydroelectric unit are often caused by unbalance of rotor weight. Dynamic balance test is an important work at unit starting test stage. At present, the 800MW

hydro-generator unit in Xiangjiaba Hydropower Station is the biggest in unit capacity in the world. This paper introduces the test method and key technology with reference to the rotor dynamic balance test in Xiangjiaba Hydropower Station, puts emphases on choice of phase angle placing balance weight and calculation of quality of balance weight.

Key words:Xiangjiaba; dynamic balance; balance weight

[作者簡介]

[收稿日期]2015-08-17

[中圖分類號]TK733+.1；TV734.4

[文獻標識碼]A

[文章編號]1000-3983(2016)01-0035-04