溧陽抽水蓄能電站機組振動和擺度異常治理

馬運翔，彭 輝，倪海梅，邵冰嘯，吳茂才

(1.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇南京211102；2.江蘇國信溧陽抽水蓄能發電有限公司，江蘇溧陽213334)

0 引 言

抽水蓄能電站具有調峰、填谷、調頻、調相以及事故備用、黑啟動等多種功能，可以保障電網安全經濟高效運行。近年來我國抽水蓄能電站不斷發展，已成為電力系統的一個重要組成部分。水泵水輪發電電動機是抽水蓄能電站的核心設備，其工作狀態是否穩定對整個電站發電系統的安全運行具有很大的影響，若設備出現安全事故往往會造成巨大的經濟損失。振動擺度參數是機組運行狀態的“體溫計”，機組 70%～80%的故障都能通過機組的振動擺度反映出來。溧陽抽水蓄能電站于2016年開始調試，6號機組調試期間機組首次啟動和帶負荷過程中振動擺度異常，經過現場分析治理，找出了振擺異常的根本原因，并進行了配重處理，效果明顯。

1 設備概況

溧陽抽水蓄能電站安裝6臺單機容量為250 MW的混流可逆式水泵水輪電動發電機組，總裝機容量1 500 MW。水泵水輪機為立軸、單級混流水泵水輪機，型號為HLNA1094-LJ- 474；發電電動機為三相、立軸、半傘式、空冷可逆式同步發電電動機，型號為SFD250-20/7500。機組調速器微機控制部分由ALSTOM公司生產，型號為T.SLG，采用PID調節規律。水泵工況啟動拖動采用靜止變頻裝置(SFC)，額定電壓為15.75 kV，額定功率為18 MW。機組軸系為立軸結構，發電機由兩個導向軸承和一個推力軸承組成，水泵水輪機由一個導向軸承組成，整個機組支撐結構如圖1所示。

圖1 機組結支撐結構示意

2 振擺異常情況

2.1 機組升速過程振擺異常

6號機組為電站首臺調試機組，機組升速期間共進行了4次動平衡試驗，在水輪機工況下進行了2次配重后，在水泵方向SFC拖動中又進行了兩次配重。2016年6月7日15∶37，機組水輪機工況啟動開機進行升速試驗，機組最大升速至269.34 r/min，機組上導擺度和上機架振動過大，上導擺度X向和Y向分別為415、423 μm，上機架水平和垂直振動分別為86、24 μm，機組緊急停機。在水輪機工況269.34 r/min轉速下，機組振擺數據如表1所示。

機組上導擺度及上機架振動過大，振擺幅值隨轉速升高而增大，頻譜分析振擺成分主要以轉頻分量為主，表明發電機轉子存在質量不平衡，需要進行現場動平衡配重[1- 4]。現場配重方案：發電機轉子上部由鍵相位置俯視逆時針方向 160°加重50 kg。機組加重后再次水輪機工況啟動，轉速升速至282.1 r/min，機組上導擺度和上機架振動仍過大，機組停機。表2給出了機組升速至282.1 r/min時的振擺數據。機組加重后雖然振擺幅值有所減小，但仍然無法順利升速至額定轉速。頻譜分析振擺成分主要以轉頻分量為主，發電機轉子仍然存在較大的質量不平衡。

表1 機組振擺數據(水輪機工況269.34 r/min轉速) μm

表2 第1次動平衡試驗后水輪機方向機組各部位振擺數據 μm

第2次配重方案：在第1次配重基礎上，在轉子上端面由鍵相位置俯視逆時針方向125°加重105 kg。完成加重后，機組于6月8日15∶00水輪機工況啟動升速至300 r/min空轉工況，升速到空轉工況后，機組上導擺度和下導擺度轉頻分量仍然較大，幅值均大于130 μm。機組于6月20日進行SFC拖動試驗， 14∶58拖動至額定轉速，該工況下發電機轉子下導擺度較大，其X方向和Y方向擺度幅值分別為190 μm和193 μm，轉頻分量分別為182 μm和185 μm。第二次動平衡試驗后機組各部位振擺數據見表3。

根據以上情況，機組SFC拖動試驗過程中繼續進行了第3、4次加重，第3次在發電機轉子下部以鍵相為基準俯視逆時針方向85°位置加重30 kg，加重后機組下導擺度稍大。第4次在發電機轉子下部以鍵相為基準俯視逆時針方向115°加重15 kg。加重后機組于2016年6月27日進行SFC拖動，12∶05機組拖動至額定轉速，機組各導軸承擺度幅值均小于110 μm，機架振動均小于20 μm，振動達到較好水平。機組反向運行在水輪機工況下振擺同樣處于較好水平，機組順利進入整組調試階段。第4次動平衡試驗后水泵方向機組各部位振擺數據見表4。

表3 第2次動平衡試驗后機組各部位振擺數據 μm

表4 第4次動平衡試驗后水泵方向機組各部位振擺數據 μm

表5 發電滿負荷機組各導軸承擺度爬升前后數據

2.2 機組帶負荷過程振擺異常

6號機組于2016年12月16日進行發電滿負荷工況軸承熱穩定試驗，試驗從13∶27開始，至17∶31結束，共進行4 h 4 min。試驗過程中機組上導擺度、下導擺度和水導擺度都不斷爬升，圖2給出了機組進行發電滿負荷工況軸承熱穩定試驗過程中各導軸承擺度變化趨勢圖，表5給出了機組各導軸承擺度爬升前后數據。由圖2、表5數據可以看出，下導擺度爬升幅度最大，X向擺度由109 μm爬升到207 μm，其中轉頻分量由99 μm爬升到187 μm，Y向擺度由95 μm爬升到206 μm，其中轉頻分量由81 μm爬升到176 μm，相位基本不變。

圖2 機組發電滿負荷各導軸承擺度趨勢

機組各導軸承擺度主要分量為轉頻分量，帶滿負荷運行時擺度增量中同樣以轉頻分量為主，機組發電機轉子存在質量不平衡。調試期間多次啟動試驗過程發現，機組在冷態狀態下啟動時初始擺度較小，連續運行30 min后基本穩定。機組在熱態狀態下啟動時初始擺度較大，隨后擺度爬升并穩定在一較高水平。試驗表明發電機轉子初始不平衡質量較小，帶負荷后隨著發電機轉子溫度升高，發電機轉子變形產生熱不平衡，熱不平衡質量與轉子原始不平衡質量相位基本一致，擺度增大。為進一步降低擺度值，2017年2月18日現場分析決定在發電機下部加重30 kg，位置位于以鍵相片為基準俯視逆時鐘轉65°處。此次配重后機組再次啟動，發電狀態下各導軸承擺度幅值均小于140 μm，滿足合同要求。

3 振擺異常原因分析

6號機組共配重5次，等效配重量相當于在發電機上端俯視逆時針136°加重149kg，在發電機下端俯視逆時針83°加重71 kg。機組產生如此大的初始不平衡可能有以下原因：發電機轉子部件脫落；轉子組裝不同心和安裝不對中；轉子熱脹冷縮產生質量不平衡；發電機轉子結構不合理等。

對以上原因逐一進行排查：現場多次動平衡試驗過程中未出現異常，現場風洞內未發現脫落部件；現場安裝過程均進行了嚴格把控，各工序質量優于規范要求；轉子熱脹冷縮是客觀存在的，在設計計算時考慮了該因素，其對振擺的影響較小。以上三點原因均可排除。

現場檢查發現發電機轉子勵磁銅引線布置于鍵相位置0°，銅引線總重達245 kg，在發電機轉子下部180°位置內筒留有一用于安裝螺栓的人孔，開孔去除質量達175 kg，兩處位置設置不當，導致偏重過大，產生不平衡力達58 T，勵磁銅引線與電機轉

子下部人孔位置設置不當使發電機轉子產生較大的原始不平衡質量，是機組振擺異常的根本原因。在5號至1號機組進行調試前對發電機轉子進行預配重，配重方案為在發電機勵磁引線對面180°位置發電機轉子上部和下部均加重100 kg，配重后機組首次啟動均能順利升速至額定轉速，經過一到兩次精調后機組振動擺度均達到優秀水平。

4 結 論

溧陽抽水蓄能電站機組調試期間振動擺度大，無法升速至額定轉速，勵磁銅引線與發電機轉子下部人孔位置設置不合理，使發電機轉子產生較大的原始不平衡質量，是機組振動擺度異常的根本原因。對同類型其他機組轉子不平衡質量位置進行準確定位，并對轉子進行預配重可以大大提高動平衡效率。