水輪發電機組振動原因和處理措施分析

【摘要】水輪發電機組振動會讓水輪發電機組正常運行產生問題，會讓水輪機組出現故障。本文首先對水輪發電機組振動帶來危害作出簡要闡述，然后對水輪發電機組振動原因進行分析，之后結合筆者在新莊水電站工作的實際情況，提出幾點水輪發電機組振動處理措施，希望可以對業內起到一定參考作用。

【關鍵詞】水輪發電機組;振動原因;處理措施

前言：

在水電站中，水輪發電機組的安全運行可以保證水電站經濟效益，如果水輪發電機組因為振動出現故障情況，那么就會對水輪發電機組運行平穩性與發電效益造成不利影響。水力原因、機械原因與電氣原因均有可能導致水輪發電機組出現振動情況，進而產生運行故障。

一、水輪發電機組振動帶來危害

在水電站中，水輪機占有核心地位，水輪機組可以轉化水勢能為機械能，在水電廠中，水輪發電機組的安全運行可以保證其供電安全性、供電優質性和供電經濟性，這和電網運行的穩定性、安全性具有直接關系，這對于水電廠的社會效益與經濟效益具有決定作用。在水輪機組的運行中，水力原因、機械原因與電氣原因均會造成水輪發電機組振動情況，據統計，現階段，水輪發電機組大約有80%事故與故障和振動有關。

水輪發電機振動會帶來五點主要危害：（1）會讓機組零部件出現疲勞損壞區，該區主要出現在金屬和焊縫之間，長期運行會讓損害程度加重，可能會有裂縫出現，導致機組報廢;（2）發電機組部分緊固部件會出現松動甚至斷裂情況，會讓連接部件出現振動情況，減少其使用壽命;（3）水輪發電機振動會讓機組旋轉部分磨損程度加劇;（4）水輪機組共振會對廠房以及多種設備造成影響;（5）水輪機組振動會讓尾水管中形成渦流脈動壓力，此壓力可能會讓水管壁開裂，可能會對尾水設備正常使用造成影響。

二、水輪發電機組振動原因

（一）水力原因

在水力方面，水輪發電機組振動的主要原因是水輪機會受到動力水壓的干擾，這種水力原因往往是具有較大隨機性、很難進行控制的。如果水輪機處于非設計環境工作，或是處于過度運行狀態，那么由于不理想水流狀況，機組部分組件會產生振動加速，出現斷裂情況。對其原因進行具體說明，主要包含四個方面：

第一，通流器件中不平穩的水力。在轉輪有水流進入后，會有不對稱情況出現，會有不穩定橫向作用力產生，這會讓器件出現喘振現象，在零載荷、低載荷運行條件下，會有較高強度的振動現象出現。因此，不對稱的流通通道會讓流體出現不對稱現象。

第二，卡門渦流。在流體繞經輪片在入口端輸出后，在輸出口處會有渦流列出現，在出現輪片正反面間斷流時，流體會撞擊輪片。如果輪片自身振動頻率與撞擊頻率較為接近，可能會出現共振現象，通常情況下，一般渦流列振蕩會在某一范圍開度、水頭時出現，進而讓水輪機輪片底部有裂痕出現。

第三，渦流帶產生在尾部流通管。渦流帶這種流體形式較為復雜，在出現時普遍為螺旋形狀，渦流核心會朝著某一方向轉動，可能會讓尾部流通管流體產生較大幅度的低壓脈沖，脈沖壓力數值出現最大值，會使得運轉出現不正常現象。在發電機部件振動頻率與渦流帶脈沖率出現共振時，單元器件會有振動現象產生，讓發電量得到減少;在基底工程自由振動頻率和渦流帶頻率接近時，基底工程會強烈振蕩。

第四，尾部流通管安裝位置低。通常情況下，如果尾部流通管安裝位置相對較低，就會讓流體輸出口有不穩定流體出現，在拐彎之前，如果此類流體不夠穩定，那么低尾管會讓彎道管入口和流體距離減小，在不穩定流體的拐彎過程中，會受到周期作用力的干擾，進而讓單元部件出現振蕩情況。

（二）機械原因

水輪發電機組作業運行過程中必定會有強烈振動產生。在機組振動過程中，會有一定干擾力出現，機械本身的摩擦與慣性力以及其他作用力會產生干擾力，因此，在機械方面，其主軸剛度不足、轉子質量不平衡、機組軸線不正等等因素均會讓水路發電機組產生振動，在此過程中，機組轉動轉速與頻率相同，而隨著轉速平方的增大，振幅也會隨之加大。

（三）電氣原因

在水輪發電機組中，單元機組會因為電氣引發磁場力而產生振蕩，隨著電磁流量的增大，振動幅度也會隨之擴大，其主要特征為發電機組出現故障時運行機組轉子接地、發電機組處于不對稱三相電流、磁場不均等。以運行機組轉子接地為例，在水輪機發電機組運行過程中，就會有轉子接地情況產生，進而造成短路故障，進而減小電阻值，在故障點得到大量電流經過時，就可能會對電場穩定性造成影響，使得發電機組出現激烈的振蕩情況。

三、水輪發電機組振動處理措施

（一）水力原因造成振動處理措施

為避免尾水管渦帶和氣蝕造成機組振動現象，那么需要將導流翼板與導流瓦安裝在尾部流通管入口處，以減小并消除渦帶產生振動，與此同時，通過補氣等方法也可以對振動進行減小和消除。

為防止卡門渦所引起的水輪機振動，通常情況下，可以對卡門渦頻率與葉片固有頻率進行改變，也可以對葉片型號進行改變，削薄出水邊，進而減小、消除正反側面形成交變漩渦力量。

為防止止漏間隙不當導致振動情況，需要對葉片固有頻率與卡門渦頻率進行改變。在實際運作中，我們可以發現對外止漏環間隙進行適當增大，可以讓機組振動得到有效減小，這主要是因為轉輪偏心運動會因為間隙的增大而減弱，進而影響轉輪背面止漏環間隙壓力。與此同時，通過對補氣孔面積進行增加處理，也可以有效防止因冒水而導致尾水位抬高現象出現。

（二）機械原因造成振動處理措施

針對機械原因所造成的振動，可以采用提升同心度與精密度等方法對其進行處理。以新莊水電站水輪機組為例進行分析，新莊水電站處于我國陜西省涇陽縣燕王鄉新莊村，主要是利用涇河水源，在涇惠渠南干渠一號跌水所建設的渠道引水式水電站。在該水電站中，共安裝有兩臺ZDK283-LH-120型水輪發電機組，其設計水頭是12m，設計流量是16.4m3/s，其設計年發電量是768萬度。發電設備組成部分主要包含了變壓器、水輪發電機組、真空開關以及線路等，電站規模為二級小型電站。

采用水輪機為立式、軸流定槳式水輪機，其最高、最低水頭分別為12m、10m，出力為800kW，流量為8.5m3/s，最高效率為83%，在轉速規定范圍上，其額定為428.6r/min，飛逸為847.8r/min，過速度主要為115%，過速、低速限制分別為140%、35%，吸出高程Hs主要為-1m，轉輪直徑為1200mm。

在運行過程中，1#水輪機組產生較大振動情況，上機架最大振動幅度達到了0.15mm，工作人員針對此情況檢查機組定子、轉子磁極以及機架緊固螺絲等部位，在對此類因素進行排查后，通過振動測試的方法檢查機組各種運行狀態。

經過變速試驗，發現在此過程中，其具有明顯的振動變化，其最大振幅可以超過0.07mm，也就是說，在水輪機組振動過程中，機械原因為主要因素。利用帶負荷試驗與空載試驗中的勵磁電流恒定測試，發現對于振動來說，勵磁電流和有功負荷都會對此造成影響。實際測試1#水輪機組水輪機導軸承間隙，發現軸瓦間隙具有較大變化，其最大間隙大于0.45mm，之后可以重新調整機組上導和下導軸承間隙，保證此間隙在標準范圍之內。在啟動水輪機組后，可以測試振動機組狀態，發現最大振幅在0.04mm之內，消除了振動現象，對此水電站振動問題做到合理解決，保證了水輪機組運行的安全性、穩定性。

（三）電氣原因造成振動處理措施

針對電氣原因造成的水輪機組振動情況，需要對其進行定期的檢修測試，在水輪機組的運行過程中，針對電氣原因造成的振動問題要做到早發現早解決，同時，需要對電氣方面的監控保護力度予以加強，找到電氣原因造成的電氣故障，對其進行有效處理。遵循定子線圈工藝過程交流耐壓標準，定子試驗項目及標準，單個磁極、引線、集電環、刷架交流耐電壓標準與絕緣要求以及轉子繞組試驗項目及標準，水輪發電機機組各部位振動允許值可以對水輪機組進行電氣試驗。在試驗過程中，主要項目包含了調速器無水開閉導葉試驗、蝸殼沖水試壓、機組空轉、帶負荷試驗、甩負荷試驗、發電機開停機試驗等，同時，需要對水電發電機組全擺渡、凈擺渡、傾斜值進行計算，對擺渡大小與方位進行分析，對絕緣墊刮削厚度進行計算，調整處理機組軸線，在水輪機轉輪出廠之前與大修之后，需要對其進行靜平衡試驗。除此之外，還需要進行接力器拉緊度試驗、引水系統充水試驗、鎖定投、退試驗等。在引水系統充水試驗中，試驗目的主要為檢查引水系統充水時間，在操作過程中，需要檢查機組油壓裝置工作的正常性，對引水系統充水時間進行仔細記錄。

結論：

綜上所述，水力原因、機械原因與電氣原因均會讓水輪發電機組出現振動情況，對此，水電站維護人員、運行管理人員需要通過振動試驗來增強機組振動原因排查力度，針對振動情況產生具體原因來制定解決措施，讓事故影響得到減輕，保證水輪發電機組運行的穩定性和安全性，保證水電廠運行經濟效益。

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