水輪發電機組運行中的振動分析

【摘要】水輪機發電機組運行的穩定是其工作性能的重要指標，但是高速運轉的水輪機發電機組運行中的振動是不可避免的，如果振動幅度過大，就會對安全生產產生影響，甚至導致事故停機。本文主要結合筆者多年工作經驗，分析了水輪發電機組運行中產生振動的原因和控制措施。

【關鍵詞】水輪機；發電機組；振動；機械；電磁

引言

水輪發電機組作為一個彈性組合體，在旋轉運行過程中，所受作用力無法作答絕對平衡，因而不可避免的會產生振動。但是如果水輪機發電在機組在運行過程中出現異常振動，就會導致機械連接件產生松動或者變形，導致一些零件或者部件出現疲勞、裂紋甚至是斷裂現象，導致機組運行事故和供電質量，威脅機組的安全和穩定運行。

1、水輪發電機組運行中的振動原因

機組振動可以分為水力振動、電磁振動和機械振動三類。

1.1 產生水力振動的因素

（1）水力不平衡：當流入轉輪的水流失去軸對稱時，就出現一個不平衡的橫向力，致使造成機組振動。其水力不平衡主要表現于導葉開度的不均勻，或者止漏環制造過程圓度不夠以及安裝時其間隙調整的不均勻。

（2）尾水管中水力不穩定：尾水管中水壓不穩定，水壓周期性變化，壓力脈動作用于機組和基礎上，就會引起機組振動、噪音和出力波動。

空腔汽蝕：空腔汽蝕會引起機組的頂蓋和上機架出現劇烈的垂直振動。

導葉開度的不均勻及止漏環間隙的不均勻：進行測量判斷。

空腔汽蝕：檢查汽蝕現象，如果沒有汽蝕，或者汽蝕輕微，則該機組振動不是水力因素引起的，或者說水力因素影響甚微。

1.2 電磁因素

振動的電磁因素是指振動中的干擾力來自發電機電氣部分的電磁力。引起電磁振動的主要因素有：轉子繞組短路，空氣間隙不均勻等。

（1）轉子繞組短路：當一個磁極的磁動勢因短路而減小時，與其相對的磁極的磁動勢沒有變化，因而出現一個跟轉子一起旋轉的不平衡磁拉力，引起轉子振動。

（2）空氣間隙不均勻：當發電機轉子不圓，或機組中心不正時，空氣間隙就會不均勻，從而產生單邊的不平衡磁拉力，隨著轉子的旋轉而引起空氣間隙周期性變化，單邊不平衡磁拉力沿著圓周作周期性移動，引起機組振動。

1.3機械因素

振動的機械因素是振動中干擾力來自機械部分的慣性力、摩擦力及其它力，引起振動的機械因素主要有：機組軸線不正、導軸承缺陷、轉子質量不平衡等。

2、案例分析

2.1 某水電站2F機組開機試驗情況

某電站開機時對機組進行了穩定性驗收試驗，試驗使用德國申克公司一體化電渦流位移傳感器及9200 型電渦流位移傳感器18套、WT-3型微調裝置18套、FTS2000 水力機組現場綜合測試儀1套、自主研發的數據采集和水力機組振動分析系統1套，試驗過程中先后配重34kg，有效的消除了機組的動不平衡。

2.2 試驗結論

機組軸線調整不太理想，上導存在原始擺度約150μm，通過試驗處理亦無法消除。在發電機轉子上平面共加配重34kg 后，有效地消除了機組的動不平衡。機組磁力不平衡不明顯。在目前運行水頭下，機組無明顯低頻水力振動區。機組上、下導軸承存在二次間隙，運行一段時間后瓦隙擴大，經振動處理并重調瓦隙后機組運行穩定，各振動、擺度均在規程要求的優秀范圍內。

2.3 電站投運后振動情況

電站機組用北京英華達公司研制生產的EN3800大型旋轉機械振動監測故障診斷專家系統。運行人員對每天機組的運行情況進行了記錄，2F機組在投運前半年機組振動穩定，但在投運半年后溫度有明顯的增大。具體數據如下：上導+X、上導+Y、上機架水平、上機架垂直、下導+Y、下導+X、下機架水平、定子水平、定子垂直、水導+Y 、水導+X 、頂蓋垂直，下表1中每組導軸承去兩點中最大值。

從趨勢圖1可以看出，黑河塘電站2F機組在運行半年后，上導、下導擺度明顯增大，而從電站的負荷情況來看，進入7月以來電站來水量增大，進入汛期，長期在高負荷段運行，也是機組擺度增大的主要原因之一。2F機組在進入下半年高峰負荷后，擺度在機組的不同工況下變化也較大，在振蕩區（40%～70%）內擺度較大。

2.4 振動原因分析

（1）水力方面因素：運行水頭穩定，各種水力方面情況在前半年后半年無明顯變化，水力方面對機組擺度增大影響不大。

（2）機械方面：黑河塘電站安裝質量不甚理想，留下不少問題在開機試驗時已給出軸線調整不太理想，上導存在原始擺度約150μm的結論，從數據可以看出，下導在運行半年后原始擺度也將比投產時有所增大。

（3）電磁方面的因素：發電機電氣部分的電磁力對機組擺度影響較大，振動隨勵磁電流的增大而增大的現象比較明顯。

2.5 對消除黑河塘電站2F機組振動較大的一些建議

（1）機組下導擺度緩慢爬升現象是因為轉軸受熱后剛度略有下降引起，還是下導瓦隙緩慢擴大所致，經試驗分析認為后者的可能性更大一些，建議甲方根據現場監測系統積累運行數據以進一步進行分析從而找到對應處理措施。

（2）建議機組大修時調整好軸線以減小上導擺度，同時調整上導的瓦隙。

（3）建議機組盡量避免在振蕩區運行；

（4）加強對機組不同工況下水機（包括大軸、頂蓋等處）振動、擺度的監測，運行規程明確規定應定期監測、記錄和分析的時間。應安裝振動、擺度在線監測裝置，設定報警值，并結合每年機組C 級以上檢修對裝置的準確性進行檢查校對；運行中發現機組監測數據超過廠家規定值或技術規范要求時，應當立即采取相應措施。

3、結語

水輪發電機組運行時，必然會產生振動，減少水輪發電機組振動對提高機組安全穩定運行、延長機組使用壽命具有重要的作用。在掌握各種振動特征的基礎上，針對機組的實際振動狀態，用科學的方法，逐一排除疑點，縮小故障原因的范圍，盡快得到正確的診斷結果，盡早處理，防止故障的進一步擴大，避免重大事故的出現，保障水輪機機組的安全、經濟、穩定運行。

參考文獻：

[1]劉華康；；淺析水輪發電機組振動的原因及危害[J]；甘肅科技；2010年07期.56-57

[2]周宴標；；小型水輪發電機組運行中的振動分析[J]；湖南水利水電；2007年03期.12-13

作者簡介：李小義（1984-6）男，漢族，本科，貴州仁懷，助理工程師，主要從事：水電站運行維護管理。