劉家峽水電廠2號機組小負荷區(qū)異常振動試驗分析

閔占奎，劉秀良，甄文喜，沈渭程，趙 煒，茍小軍，同煥珍

（1.國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州730050；2.國網甘肅省電力公司劉家峽水電廠，甘肅 永靖731600）

0 前言

水電機組在運行過程中可能會出現各種類型的故障現象，因此對機組進行狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷就顯得十分重要[1-3]。本文通過劉家峽水電廠2號機組小負荷區(qū)異常振動的實際案例，分析了造成異常現象的原因，并總結出解決該問題的基本方法。

劉家峽水電廠2號水輪發(fā)電機組1973年投運，1994年完成增容改造，是該廠首臺完成改造增容的機組，改造后機組容量由225 MW增加到255 MW，凈增出力30 MW。2號機增容改造前后現場試驗表明，小負荷區(qū)振動一直比較大[4]，尤其在40～60 MW附近工況，上機架和頂蓋的垂直振動特別劇烈，上機架垂直振動峰值有時超過1 000 μm，頂蓋垂直振動值超過 500 μm，嚴重困擾機組小負荷區(qū)安全運行。眾所周知，水輪機壓力脈動是影響機組穩(wěn)定性的重要因素之一，混流式水輪發(fā)電機組小負荷區(qū)振動，一般是由尾水管內的低頻壓力脈動引起的，其頻率約為（1/4～1/3）轉速頻率[5]，但從試驗數據看，該機組尾水管壓力脈動值不大，其主頻率接近轉速頻率，顯然異常振動不是由尾水管內的低頻壓力脈動引起。

為了解2號機組增容改造運行20年后，機組的穩(wěn)定性究竟如何變化了，尤其是小負荷區(qū)振動的變化情況，我們利用2號機組A級檢修（2015年11月～2016年3月），對2號機運行穩(wěn)定性狀態(tài)進行了全面測試，本文通過測試數據對小負荷區(qū)振動進行了分析。

1 穩(wěn)定性試驗及分析

2號機組A修前后穩(wěn)定性試驗，測量參數有上導擺度、法蘭擺度、水導擺度、上機架水平振動、上機架垂直振動、頂蓋水平振動、頂蓋垂直振動及蝸殼、頂蓋腔和尾水管水壓脈動值。試驗工況有變轉速、變勵磁、變負荷等，A修后還進行了動平衡配重試驗。

1.1 動平衡配重試驗

根據A修后變轉速和變勵磁測試數據分析，發(fā)現機組上機架水平振動較大，在額定轉速時超過了允許值，確定存在一定程度的動不平衡現象，應該做動平衡試驗，以改善機組運行穩(wěn)定性。首先在發(fā)電機轉子支架近磁軛處的筋板上加了20 kg臨時試重塊，然后開機在額定轉速無勵條件下測試了加重后各部位的振動和擺度值，測量數據見表1。數據證明，加試重后上機架水平振動值從102 μm減小到84 μm，減小到標準允許值以下，但擺度值變化不大。為了進一步改善振動特性，按照影響系數法原理，將配重量在原位置增加到64 kg，并焊接固定，最后額定電壓條件下再次進行了測試，測量數據見表1。此時上機架水平振動值減小到70 μm，除上導擺度稍有增大外，其他各部位振動和擺度值均有所減小。由于2號機水導軸承實際間隙較大（安裝間隙在450～600 μm），目前水導擺度值遠小于標準規(guī)定的不大于75%軸承間隙值的規(guī)定，上導擺度值更是滿足要求。

表1 2號機A修后動平衡試驗數據

1.2 負荷工況穩(wěn)定性分析

機組帶負荷運行，其穩(wěn)定性受機械、電磁和水力的綜合影響。綜合穩(wěn)定性一般都是通過變負荷試驗來分析。2號機A修前、A修后變負荷試驗數據見表2、表3，圖1、圖2是2號機A修前、A修后振動、擺度和水壓脈動通頻幅值與功率的關系曲線。

圖1 2號機A修前各部位振動擺度水壓脈動通頻幅值與功率的關系曲線

圖2 2號機A修后各部位振動擺度和水壓脈動通頻幅值與功率的關系曲線

表2 2號機組A修前變負荷試驗數據

從測試數據知道，2號機A修前、修后穩(wěn)定性趨勢基本一樣，但由于兩次試驗毛水頭相差約11 m，振動區(qū)位置稍有改變，小負荷區(qū)的強振點位置相差約20 MW，修前低水頭時的強振點在40 MW附近，測得上機架垂直振動值達255 μm，頂蓋垂直振動值達515 μm，蝸殼水壓脈動值達554 kPa，頂蓋腔水壓脈動值達719 kPa；修后高水頭時的強振點在59 MW附近，測得上機架垂直振動值達889 μm，頂蓋垂直振動值達629 μm，蝸殼水壓脈動值達529 kPa，頂蓋腔水壓脈動值達108 kPa。兩次試驗數據表明，強振點各部位的振動和壓力脈動值都達最大，但軸擺度值并非最大。通過修后動平衡試驗，使上機架水平振動減小到允許范圍。

表3 2號機組A修后變負荷試驗數據

1.3 與2號機組增容改造數據比較

從圖2和圖3可見，2號機組經過21年的運行，在相近的試驗水頭下，其振動特性與1994年改造后的振動特性是一致的。

圖3 2號機組增容改造后穩(wěn)定性特性

2 小負荷區(qū)強振動原因分析

混流式水輪發(fā)電機組小負荷區(qū)振動，一般是由尾水管內的低頻壓力脈動引起的，但本機組卻大不一樣，在振動最強烈的40～60 MW工況，蝸殼和頂蓋腔內的壓力脈動值最大，而且其主頻率（1.96 Hz）和機組轉速頻率（2.08 Hz）接近，尾水管壓力脈動值并不算大，其主頻率也接近轉速頻率。圖4是2號機A修后59 MW工況點典型位置振動和壓力脈動波形頻譜圖，從中可以看出，該工況上機架和頂蓋的垂直振動主頻率（1.96 Hz）近似是轉速頻率。也就是說，該工況點的強烈振動是由于蝸殼、頂蓋和尾水管內的水壓脈動頻率與構件的振動頻率接近發(fā)生了水力共振。經粗略計算，A修前后兩次試驗時毛水頭相差約11 m，功率相差約19 MW，換算得到兩次試驗時導葉開度接近（約為35%），也就是說，強振點的功率雖然不同，但導葉開度基本相同。我們知道，導葉開度不僅僅決定通過水輪機的過機流量大小，還決定了進入水輪機轉輪水流的方向，該水流方向與轉輪葉片之間的角度不同，就產生不同頻率的脈動壓力，當這個開度達到某一特定值時（比如35%），脈動壓力的主頻率就會和機組構件的振動頻率接近或一致而產生共振。當然，不是所有水輪發(fā)電機組都會發(fā)生這樣的振動，因為不同型號轉輪的葉片型線和葉片數、導葉數及其型線、構件的固有頻率、整個流道參數等不一樣，致使水壓脈動和構件的振動頻率不一定相同或接近，共振條件不成立。

圖5是2號機A修后220 MW（導葉開度73%）工況下典型位置振動和壓力脈動波形頻譜圖，與59 MW工況比較，此工況下各部位的水壓脈動幅值及其主頻率明顯不同，機組進入了穩(wěn)定運行狀態(tài)。可以這樣說，2號機小負荷區(qū)的異常振動，不管水頭高低，只要導葉開度在35%附近，就會產生由蝸殼、頂蓋和尾水管水壓脈動頻率與構件振動頻率一致的水力共振。

圖4 2號機59 MW工況典型部位振動和水壓脈動波形圖頻譜

圖5 2號機220 MW工況典型部位振動和水壓脈動波形圖頻譜

3 防振對策

共振，是兩個振動頻率相同的物體，當一個發(fā)生振動時，引起另一個物體振動的現象。在共振頻率下，很小的激振力便可產生很大的振動。一般情況下共振是有害的，會引起機械和結構很大變形和動應力，甚至造成破壞性事故。只要設法改變其中一個物體的振動頻率，就會避免共振的發(fā)生。對于2機組，消極的避振方法是迅速越過容易引起共振的工況而進入穩(wěn)定運行區(qū)。若從根本上解決2號機共振問題，就得從改變機組構件的固有頻率或改變通過水輪機的水流脈動頻率入手，如改變轉輪葉片個數或型線、改變導葉數或型線、也可以改變固定部件的固有頻率、改變機組轉速、改變轉動慣量、增減轉輪上冠泄水孔個數、增設頂蓋排水管等等。當然，這只有在進行較大的技術改造時方可實施，而且各方法的作用效果也不一樣。通過精準的動平衡試驗，還可以進一步降低上機架水平振動值。

4 結論

2號機小負荷區(qū)強振動的產生，是機組構件的振動頻率與蝸殼、頂蓋和尾水管壓力脈動相接近引起了共振，這與從流道進口到尾水管出口整個過流通道內的水流特性有關，電站上下游水位變化時，振動烈度和工況點會有些變化。只要改變了振動部件的固有頻率或水流的脈動頻率，就會減輕或避免這種振動。當前，機組在實際運行過程中要迅速越過小負荷強振動區(qū)，以防發(fā)生部件損壞事故。