喀臘塑克電站水輪機組振動的原因分析及處理

鄒斌

【摘要】本文以一水電站的水力機組出現振動、噪音的故障現象為依據，根據 專業人員在現場對該水電站的試驗結果的數據，分析機組的振動原因和問題，并提出解決問題的建議。

【關鍵詞】水電站；試驗；原因分析

1、概述

喀臘塑克電站位于新疆省阿勒泰地區的額爾齊斯河流域，屬于壩后式電站。喀臘塑克水庫調節特性為不完全多年調節，水庫總庫容24.19億m3，調節庫容19.18億m3，壩高121.5m，水庫特征水位：正常蓄水位739m，死水位680m，校核洪水位（P=0.02%）743.60m，設計洪水位（P=0.1%）741.70m。電站總裝機4×40MW=160MW，年利用小時數3707h，多年平均設備發電量5.19億kw.h，保證出力14.4MW。水輪機型號HLX100-LJ-246，額定轉n=300r/min，工作最大水頭96m，最小水頭32m，額定水頭79.5m，額定流量51.75m3/s。多年平均含沙量0.994kg/m3，多年平均輸沙量330.57萬t。水輪發電機組的振動是以水輪機為原動力，從振動發生的情況看，有的是水輪機本身的水力特性所決定的，有的是由一些偶然因素作用產生的。發電機是將水輪機的機械能轉換為電能的裝置，在轉換過程中，由于某些方面如設計、加工，安裝或參數配合不當也會引起發電機的磁振動。從結構上講，水輪發電機組可以分成兩大部分；轉動部分和固定、支持部分。它們中任何一個部件存在機械缺陷時都可能引起機組的振動，而這些缺陷可能是由設計、加工，安裝等任何一個環節所引起。因此，一般來說水輪發電機組有四大振動部件；上機架、下機架、頂蓋、轉動部分，異常情況下還有其他振動部件，如定子鐵心等。水輪發電機組振動 的危害。振動是旋轉機械不可避免的現象，若能將其振幅限制在允許范圍內，就能確保機組安全正常運行。但較大振動對機組安全是不利的，會造成如下危害。1；使機組各連接部件松動，使各轉動部件與靜止部件之間產生摩擦甚至掃膛而損壞。2；引起零部件或焊縫的疲勞，形成并擴大裂縫 甚至斷裂。3；尾水管低頻壓力脈動可使尾水管產生裂縫，當其頻率與發電機或電力系統的自振頻率接近時，將發生共振，引起機組出力大幅度波動，可能會造成機組從電力系統 中解列，甚至危及廠房及水工建筑物。

2、問題的原因

近期，喀臘塑克電站1號水輪發電機組噪音突然增大，運行人員對其振動、擺度進行了測試，其數值上與次測量值相比變化不大，只有水導+X方向水平振動和-Y方向的垂直振動超出正常范圍，水電公司領導與匯通安裝公司領導研究決定對1號水輪發電機組進行水下部件進行檢查，未發現異常狀況。喀臘塑克水電站機組在投入運行以后，一直受到機組振動、噪音的困擾。通常在水電站中水輪發電機組發生振動和噪音的原因主要有三個方面，一是水力因素，即水力振動；二是機械因素，即機械振動；三是電磁因素，即電磁振動。但是，電站建成以來，1、2、3、4號水輪發電機均有不同程度的振動和噪音，為分析振動的具體原因，新疆額河建管局水電公司工作人員與匯通安裝公司技術人員及新疆電力科學院專家一起進行了專題試驗，以便提出解決辦法。

3、機組試驗結果及振動、噪音原因分析

3.1 廠家試驗成果分析

在廠家做的一次現場試驗中，①當機組在槳葉開度45.2%，導葉開度63.4%處開始出現異常響聲；至槳葉開度92.7%，導葉開度76.9%時異常響聲消失。當機組處于手動狀態，將槳葉角度固定在87.2%附近時，隨著導葉開度的增大，機組出力增加，至導葉開度為75%時達最大值35000kw，隨后機組的出力隨導葉開度的增大而呈下降趨勢，且機組水導處擺度值隨出力下降呈上升趨勢。從上述的試驗結果可以看出，機組的出力隨導葉開度的增大而呈下降趨勢，且機組水導處擺度值隨出力下降呈上升趨勢。②在現場試驗中，將機組轉速提高到額定轉速的120%，此時振動消失。生產廠家試驗的結果認為：機組振動是機組在安裝過程中，整套水輪發電機組的旋轉中心不是同心的，即主軸的軸心線與實際旋轉中心之間存在有一定的偏差而造成的。但是在生產廠家的試驗報告表示“在現場試驗中，廠家還將機組轉速提高到額定轉速的120%，此時振動消失”；從該現場試驗得出的結論，可以知道該水輪機的轉速若按照60.0HZ來運轉可大大減輕運轉振動。轉速與相應的水流流態有關，所以該水輪機水力振動的因素是否還需進行更專業的試驗。

3.2 新疆電力科學研究院的試驗成果分析

電力科學研究院做的試驗包括第1、2次變負荷試驗、升降負荷和定槳變導葉試驗、1次補氣試驗、動平衡試驗和配重后變負荷試驗、第2次定槳和補氣試驗。電力科學研究院對試驗的成果進行綜合分析的結論是：①運行實踐證明，當水輪機導葉開度達到和超過40%以下及85%以上，即功率10.0MW以下及35.0MW以上時，轉輪室就出現異常聲響。而從振動試驗數據分析，喀臘舒克電站發電機組存在兩個振動區域，一個低負荷振動區和一個高負荷振動區，1號機組在5.0MW-18.0MW附近和35.0MW以上工況振動、擺動和水壓脈動值比較大，而且35.0MW以上工況振動、擺動和水壓脈動值隨開度的增大顯著增大，轉輪室里也出現了異常聲響。從轉輪前壓力值變化與異常聲響的關系看，這種聲響與空化空蝕有關。②“轉輪室的異常聲響出現后機組構件4倍轉頻的振動也明顯增大，這說明轉輪室的異常聲響極有可能是水力引起的空蝕振動噪聲。可以肯定的是目前的異常聲響不是轉輪葉片與轉輪室碰磨的聲音”。而且，初步判斷機組的的振動應該是與水輪機轉輪葉片開口不均勻而引起轉輪圓周水力不平衡也有關系。

3.3 喀臘塑克電站方面的分析

喀臘舒克電站提出了振動噪音的原因，一是水輪機過流部件（尤其是漿葉的實際葉型型線與設計的葉型型線之間）的加工工藝有偏差，導致水輪機轉輪圓周的水力不平衡；二是水輪機轉輪的安裝中心與實際的要求有偏差；三是沒有根據中國的電網頻率（50HZ）對國外的電網頻率（60HZ）制造的機組進行模型試驗，造成引進機組與實際機組在運行方面工況的差異。其中水力振動的振動幅度是隨著水流量的增大而增大，其原因是因為水輪機過流部件中的水力不平衡引起的；機械振動的振動幅度是隨著機組轉速的增大而增大，其原因是因為機組轉動部分的質量不平衡引起的；電磁振動的振動幅度是隨著勵磁電流的增大而增大，其原因是由三相勵磁電流不平衡引起的。

4、分析結果

在上述兩家的試驗結論中，廠家的試驗結論著重強調機組安裝的原因引起機組的振動，但是在試驗的成果中，有明顯的水力振動的因素存在；電力科學研究院的試驗結論則著重強調水輪機轉輪過流部件的因素是引起機組振動的主要因素，基本否定了機組安裝的原因引起機組的振動。根據兩家的試驗過程中所體現的現象，我們初步判定，造成該水電站振動和噪音，主要的原因應該有以下幾個方面：一是水輪機的過流部件，主要是水輪機轉輪葉片的實際加工型線與設計的型線之間可能存在誤差；二是水輪機轉輪圓周的間隙引起的間隙空蝕引起水力不平衡而引起的振動現象，這是典型的水力振動頻率與葉片和機組的轉速有關；三是水輪機轉輪的開口不均勻，使得導葉的水流與轉輪葉片進出口的水流流動產生較大影響；四是機組在安裝過程中，整套水輪發電機組的旋轉中心不是同心的，即主軸的軸心線與實際旋轉中心之間存在有一定的偏差（此種幾率較小）。其中轉輪葉片的葉型型線的加工誤差應該是主要原因。該水電站機組在投入運行后一直產生振動也能夠說明這些原因。

5、解決問題的建議

綜合上述的分析結果，針對這些問題，作者提出以下建議：

5.1 如果電廠在建成之前，購買電廠在簽訂購買設備合同時，應該要求生產廠家說明該設備是從那里引進？如果是引進的，則要求生產廠家說明是否經過模型試驗；如果經過模型試驗，應該提供模型試驗的參數。

5.2 機組在運行期間，應該注意起運行工況在額定范圍內，定期對其進行檢查，如果有異常聲響或出現機組振動、噪音突然增大，應及時處理，必要時應停機對其水下部件進行檢查處理，避免轉輪中有雜物而影響機組運行工況及性能。

5.3 盡量避免發電機組機組在低負荷振動區域5.0MW至18.0MW以下附近工況和高負荷振動區域35.0MW以上工況運行。

6、結束語

通過實驗數據分析我更加充分的認識了水輪機發電機組振動原因，并提出了解決問題的建議，為解決同行業類似問題提供了借鑒，從而為水輪發電機的安全運行提供保障。

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