小型混流式水輪發電機組擺度超標分析與處理

黃 健，梅 勇，王 朋，張樹峰，盧 娜

（1.河南省信陽市鲇魚山水庫管理局，河南 商城465300；2.河南鄭大水利科技有限公司，河南 鄭州 450001；3.新華水力發電有限公司，河南 洛寧471700；4.鄭州大學水利與環境學院，河南 鄭州450001）

0 引言

對于小型水電站，在其運行過程中會受到電磁、機械、水力等多方面因素的影響[1]，從而出現不同形式的振動、擺度等現象。水輪機振動所造成的危害很大，不僅會造成自身結構的損壞，還會影響到電力系統的穩定，甚至對運行人員的生命安全造成威脅[2]。

水輪機振動、擺度是反應機組運行狀況好壞的一個重要參數，它取決于機組設計、制造水平和安裝質量[3]。通過監測大軸擺度，可以判斷機組的運轉穩定性能。通常機組在不同工況下的大軸擺度是保持在一定范圍內的，如果擺度超標，機組運行不穩定，便存在安全隱患，因此，當發現機組擺度超標時，應根據實際情況，對擺度超標的原因進行綜合分析，選取合適的措施及時進行處理。

1 電站概況

位于黃河一級支流洛河干流上的某渠道引水式水電站，于2014年完成了增效擴容技術改造，目前電站裝機3臺，總容量為16500kW（6500kW+2×5000kW）。該電站機組為立軸懸吊式混流機組，其推力軸承主要承擔軸向力，上下導軸承承擔徑向力，水輪機導軸承為鎢金分塊瓦可調式結構，主要采用稀油潤滑，設計雙邊瓦間隙和為0.25～0.35mm。

水輪發電機組主要技術參數如表1所示。

表1 水輪發電機組主要技術參數表

2 機組擺度問題描述

該電站自1993年建成投產以來，在多次檢修時均發現機組緊固部件并無松動，但上導瓦間隙變大。在3臺水輪發電機組中，3號機組的情況尤為嚴重。自1998年大修后3號機組上導軸承處擺度值在各機組同工況下最大，期間多次匯同專家查找原因、配重以及盤車處理，均未能有效解決問題。

通過對3號機組進行技術改造，對大軸進行加工處理，改造后各項實驗數據均正常，其中上導擺度-X方向不大于0.20mm，-Y方向不大于0.19mm。改造完成后3號機組長時間保持正常運行。但是在近期監測到3號機組的上導擺度值突然變大，最大值達到了0.40mm，超過了設計要求的雙邊瓦間隙和值（0.25～0.35mm）；同時監測發現機組振動值有增大的趨勢，嚴重影響了機組的安全穩定運行。基于此，對機組推力機架和頂蓋的振動值進行全面測試，測試結果如表2所示。

表2 3號機組試驗各測點振動速度均方根值 單位：mm/s

運行狀態監測是提高機組運行安全性、可靠性，降低維護成本，提高經濟效益的重要途徑[4]。通過監測發現：當3號機組的有功處于3.6MW至空載區間時，各導瓦瓦溫正常，且水導擺度值滿足設計要求的不大于0.40mm，但是其上導擺度值偏大大（設計要求不應超過0.36mm），同時在-X和-Y方向的最大擺度值分別達到了0.35mm和0.60mm。機組穩定性試驗表明，除上導擺度以外，機組其他各部位監測數據均滿足相關要求，對機組進行加勵磁試驗，加勵后機組上導在-Y方向上的擺度值由原來的0.46mm增大至0.59mm。

3 機組擺度超標原因分析

3.1 發電機機械部分檢查

發電機機械部分連接松動是造成機組擺度超標常見的原因之一。實際情況是，發電機有時候會轉動異常，固定部分組合連接螺栓松動或者結構性變形，破壞了機組的原有平衡和正常約束力，導致機組運行狀態不穩定，結果擺動幅度加大。在這種情況下，我們對發電機多個部位（包括定轉子組合螺栓、磁極鍵、大軸連接螺栓、磁軛鍵、推力頭切向鍵、上機架構架及千斤頂等）進行盤查，均未發現松動、開焊、變形、斷裂等異常現象。

3.2 上導軸承分解檢查

排除發電機機械部分連接松動后，對上導軸承進行分解和檢查。經測量發現，上導瓦間隙值與檢修前原始間隙值存在較大差異，且各上導瓦間隙均有明顯增大的現象。通過對比檢修前后上導瓦間隙（如圖1所示，圖中1～6為上導瓦瓦號，○外部數字為各上導瓦間隙值，單位0.01mm）：雙邊最大間隙出現在2號、5號瓦處，已由上次大修給定設計間隙和的0.25mm增值0.65mm。

圖1 檢修前后上導瓦間隙對比示意圖（左：檢修前，右：檢修后）

通過修改抗重螺栓給進量，間接確保了上導瓦間隙及其與軸領相隔的長度，為了保證間隙值不變，修改之后使用限位鎖定機構把抗重螺栓鎖死，最后對抗重螺栓鎖緊程度和上導軸承機械結構進行查驗，并未出現不正常松動的情況。

3.3 動平衡試驗

水電站機組受制造、安裝等影響，可能會造成機組轉動部分重量不完全對稱，從而造成機組大軸擺度或者機架振動增大，使機組運行狀態惡化，各項大軸擺度、機架振動超標。水輪發電機組的振動大多由于轉子質量不平衡引起，進行轉子動平衡試驗是水輪發電機組啟動試驗的重要內容[5]。針對3號機組存在的動平衡問題，最有效的解決方法就是對機組進行動平衡試驗，同時通過對機組轉動部分配重加以解決。

（1）測試依據標準

根據國家相關標準，結合機組具體參數，率定機組運行限值如下頁表3所示。

（2）實驗準備

成立試驗組織機構，明確各方責任；準備機組試驗所需資料及方案，確定試驗中的聯絡方式，落實試驗日期和時間；參與試驗的有關各方聯系妥當，試驗人員到場；試驗設備及儀器運至現場，開箱檢查、設備完好無損、精度滿足試驗要求；被測試機組的機、電、水三部分均正常，具備開機試驗條件，做好異常情況的保護措施。

表3 機組測試參數穩定性限值表

選定的試驗主要儀器設備有：TTS332水機綜合測試分析儀，測量精度0.5%；ZA211100電渦流位移傳感器；MLS-9W型振動位移傳感器。

（3）試驗測點布置

測點的選擇和布置是有效獲取機組振動信息的重要環節，將直接影響振動數據的真實性和可靠性[6]。本次試驗測點的布置主要包括大軸擺度測點、振動測點和勵磁、負荷電壓測點。

大軸擺度測點的布置：上導擺度測點（+X、+Y方向各1個）：傳感器支架固定在上導上部法蘭上；下導（法蘭）擺度測點（+X、+Y方向各1個）：傳感器支架固定在下導油槽蓋板上；水導擺度測點（+X、+Y方向各1個）：傳感器支架固定在水導油槽蓋板上；大軸擺度鍵相測點：傳感器支架固定在水導油槽蓋板上（與水導+Y擺度測點共用1個支架，兩點垂直距離15mm）。

振動測點的布置：上機架水平方向（+X、+Y方向各1個）：傳感器直接安裝在上機架支臂上；定子基座水平方向（+X、+Y方向各1個）：傳感器直接安裝定子基座外壁上；定子機座垂直方向（+Y方向）：傳感器直接安裝定子基座外壁上。

勵磁、負荷電壓測點：勵磁電壓、負荷信號采用人工記錄。

（4）試驗步驟

Step1，試驗準備：試驗電源及工作臺就位，傳感器及定位鍵相片安裝調校完畢，申請開機試驗。

Step2，空轉運行：空轉運行30min，測試并記錄開機過程及運行穩定后的機組各測點信號。

Step3，變轉速試驗：以60%ne→80%ne→100%ne為工況順序，并保持各工況穩定運行。首先保持電機轉子勵磁不變，機組以不同轉速運行穩定5min后，測量機組各部位的振動和大軸擺度。變轉速試驗可以查清機械因素（動不平衡）對機組的影響。

Step4，變勵磁試驗：保持機組在額定轉速工況下運行，對勵磁電流進行調整，穩定運行5min，測量對應的勵磁電壓，勵磁電流可以取發電機空載額定電壓對應的勵磁電流的0～100%。變勵磁試驗可以查明電磁因素（電磁不平衡）對機組的影響。

Step5，變負荷試驗：機組從并網后0MW運行開始，負荷每增加1MW為一測次，逐步增至測試水頭下最大負荷。每工況穩定運行5min。變負荷試驗通過保持機組在額定轉速或者是額定勵磁工況下穩定運行，以便于分析水力因素對機組穩定性能的影響。

3.4 動平衡試驗結果分析

3.4.1 試驗結果

3號機組完成動平衡試驗后，在機組配重處理前分別對3號機組進行了變轉速、變勵磁、變負荷測試，3號機組各工況下測點試驗結果如表4和表5所示。

表4 3號機組大軸擺度值測試結果 單位：μm

表5 3號機組振動值測試結果 單位：μm

3.4.2 機組運行穩定性分析

（1）機組在空載、額定勵磁以及帶負荷運行工況下機組大軸擺度較大，上導、下導以及水導擺度均超標，特別是Y方向擺度較大；上機架在水平方向的振動值小于在70μm；當負荷小于4MW時，機組上機架在垂直方向的振動值，以及定子機座在水平和垂直方向的振動值均小于20μm。

（2）根據變轉速測試結果，機組基本不存在動平衡問題。為了進一步驗證動平衡問題，在計算出可能存在動平衡的方位（圖2）試加一個較小（0.5kg）配重塊，在轉子上部距離旋轉中心0.7m風扇葉輪內沿，根據加上配重塊后額定轉速空轉各測點振動、擺度測試結果（表6），引起機組擺度、振動增加，因此該機組不存在動平衡問題，將該配重塊取消。

圖2 3號機組試重位置示意圖

表6 3號機組試重0.5kg振動、擺度測試結果 單位：μm

（3）根據變勵磁試驗結果，機組不存在明顯的磁拉力，加上勵磁后對機組有約束力，運行穩定性有好轉，大軸擺度、機架振動有所改善。

（4）機組負荷從0～4.0MW機組運行穩定性基本無明顯變化，只有在4.3MW擺度、振動約有增加，帶負荷后對機組穩定性影響不大。

（5）機組在轉速較低工況下大軸擺度也較大，并且X、Y向2個方向上的擺度值相差較多，軸心軌跡不規則。分析認為是目前大軸旋轉中心有偏移，不在旋轉中心，上、下、水導軸承不同心。根據機組的的情況，水導軸承有偏磨，存在與大軸間隙不均勻，軸瓦間隙較大，對大軸徑向約束作用不夠。

3.5 動平衡試驗分析結果

動平衡試驗中分別完成了3號機組變轉速、帶勵磁、變負荷的擺度和振動測試，依據相關國家和行業標準對所測試點進行了評價，分析了機組動平衡問題，3號機組不存在明顯的動平衡問題和磁拉力不平衡問題。

分析認為3號機組目前主要是由于機組旋轉中心偏移、上下水導不同心造成運行中大軸有傾斜，大軸擺度較大，建議對3號機組水導瓦進行檢查處理，重新調整上下水導瓦間隙，檢查同心度，確保機組旋轉中心同心、大軸不傾斜。

4 擺度超標缺陷的處理及修后試驗

根據上述理論分析和試驗結果，對水導軸瓦進行復核，在處理擺度超標缺陷過程中，更換新的水導軸瓦重新研磨，將上導瓦放置于運行瓦位，重新調整間隙，如圖3所示。

圖3 檢修前水導瓦間隙與更換水導瓦后間隙示意圖

水導瓦檢修后對機組進行穩定性測試試驗，試驗數據如表7：

表7 3號機組檢修后擺度測定結果

由試驗數據可知：在不同工況下機組在-X和-Y方向的擺度值均小于設計規范要求的0.15mm，機組運行正常，驗證了上述處理措施是合適的，達到了良好的處理效果。

5 結語

根據上述技術措施對機組擺度超標問題進行處理后，機組至今保持穩定運行，未發生擺度超標現象。由此證明，針對3號機組擺度超標的原因分析準確到位，處理措施合理有效，解決了機組擺度超標的問題。3號水輪機水導軸承經過長期運行磨損接近標準最大限值時，會造成機組擺度逐漸增大現象，因水導軸承是原動機控制第一道環節，與盤車時控制點相反，在調整間隙時一定要引起重視。建議對于同類小型混流式機組在運行過程中出現擺度超標現象時，可以參照本文提出的原因分析思路進行系統分析，尤其機組經過長期運行，存在磨損、變形等問題，在檢修中應嚴格按照國家、行業相關標準執行，盡力控制指標下線，確保機組檢修質量。