長甸電站4號機組異常振動原因分析及處理

史恩澤

（太平灣發電廠，遼寧 丹東118000）

0 概述

太平灣發電廠長甸電站位于遼寧省寬甸滿族自治縣境內，是中朝界河鴨綠江中下游水豐電站的擴建工程，與水豐電站共用一個水庫。廠區由A站和B站兩座引水式廠房組成，其中A站于1986年開工建設，廠房內安裝1號和2號水輪發電機組，1989年10月2臺機組相繼投產發電；B站于2011年6月開工建設，廠房內安裝3號和4號水輪發電機組，2014年9月2臺機組相繼投產發電。

長甸電站4號機組主設備由哈爾濱電機廠有限責任公司制造、中國水電第六工程局安裝，水輪機結構型式為立軸混流式，型號為HL883A-LJ-442；發電機結構型式為傘式，型號為SF100-40/9200，推力軸承安裝在轉子下方的下機架上，上機架為井字梁結構型式，中心體內裝置楔子板式上導軸承，下導軸承位于下機架中心體內。當上游庫區水位在80～123.3m范圍的條件下，該機組具備發電運行的條件。

1 問題的提出

1.1 投產發電以來機組的運行情況

長甸電站4號機組自投產發電以來，一直存在著上機架徑向振動和上導主軸處擺度超標問題，在2014年8月機組調試階段進行穩定性試驗時，測量數據顯示在空載無勵狀態下上導擺度X向355μm、Y向349μm、上機架徑向振動342μm；空載加勵時，上導擺度X向342μm、Y向356μm、上機架徑向振動342μm，隨著負荷的增加，上導擺度呈減少趨勢，帶84MW負荷時（當時上游水位93.96m，已是最大負荷），上導擺度X向290μm、Y向280μm。負荷15MW工況下，上機架徑振動最大為434μm。兩者均出現超標現象（標準規定上導擺度≤230μm，上機架徑向振動≤90μm)，其他各部位振動、擺度均符合規范標準[1-2]。

2015年5 月以后，由于上游庫區水位較低，機組幾乎未進行發電，僅處于備用狀態，2015年10月中旬進行了一次B級檢修，期間運行小時數約為560h。2016年1月檢修完成，在連續進行12h試運行后，機組又進入停機備用狀態。

2016年5月28 日，當上游水位上漲至98.6m時，機組開始頻繁調度，發電機有功功率最大可達到93MW，此負荷下測量：上導X向擺度為281μm、Y向擺度為392μm，上機架徑向振動X向為185.6μm、Y向為188.9μm，兩者數據仍然嚴重超標。

1.2 歷次檢查曾3次發現上導瓦調節螺栓斷裂事件

2015年10 月中旬進行的B級檢修時檢查，發現靠近Y向的1號和6號上導瓦調節螺栓斷裂；

2016年6月3 日，臨時檢修過程檢查發現靠近Y向的6號和12號上導瓦調節螺栓斷裂；

2016年6月27 日，動平衡試驗后檢查時，發現靠+Y向的1號上導瓦調節螺栓斷裂。

三次斷裂位置均發生調節螺栓的根部，見圖1。

圖1 上導瓦調節螺栓斷裂的位置

對于4號機組上機架徑向振動和上導擺度嚴重超標問題，及其所導致的上導瓦調節螺栓斷裂事件，已嚴重影響了機組的安全運行。為查找原因，消除隱患，2016年6月，電廠委托遼寧東科電力有限公司，進行動平衡試驗，試驗結果表明4號機組存在轉動部件質量不平衡問題。試驗完畢后，召開專題分析會，邀請制造廠、安裝單位、試驗單位和業務主管部門代表組成的技術專家組，從設計、制造、安裝和運行維護等方面對4號機組存在異常振動原因進行全面分析和探討，提出了處理方案。

2 上機架徑向振動、上導擺度超標原因分析

2.1 動平衡試驗測試過程及質量不平衡的原因分析

（1）動平衡試驗測試過程

試驗時在對應轉子引出線1號磁極位置的大軸上，粘貼一片鍵相塊作為測速及標記相位位置，空載狀態下，在80%，90%、100%額定轉速情況下，測量上機架徑向振動及上導擺度，計算振幅與轉速平方的關系，見圖2。

數據顯示，上機架徑向振動與上導擺度幅值與轉數平方成線性關系，說明4號機組轉動部件存在質量不平衡問題，試驗進一步計算，缺重方位在23號磁極所在方位。

試驗共進行5次配重，配重塊安裝位置在23號磁極所在方位轉子磁軛與支臂交界處，距轉子中心R=2700mm的位置。隨著配重質量的增加，上機架徑向振動和上導擺度逐漸變小，當配重增加到120kg時，由于電廠備用的配重塊數量不足和固定配重塊的螺栓長度不夠，試驗暫停。雖然此次配重試驗沒有完成任務，但試驗測量的數據，為查找4號機組上導擺度和上機架徑向振動超標原因提供了依據。試驗測量結果見表1[3]。

圖2 機組轉速與上機架徑向振動和上導擺度關系

表1 長甸電站4號機動平衡配重試驗記錄

（2）產生轉動部件質量不平衡的原因

4號水輪發電機軸系分上端軸、轉子中心體、下端軸轉子3部分，轉子中心體設有檢修進人孔、轉子引線固定在上端軸中心孔內壁上，通過螺栓固定，在與進人孔中心180°角的方向引出，兩個因素疊加是產生轉子質量分布不均勻，產生機械不平衡力的主要原因，試驗計算的缺重方位所在23號磁極位置，正是進人孔所處的方位[4-5]。

2.2 上機架與基礎板連接部位安裝不符合設計要求

上機架為“井字梁”結構形式，由鋼板焊接而成，機架通過4個連接板與埋設在機坑內壁的基礎板相連接，此種結構可以把機組通過上機架傳向基礎的徑向力轉化為對基礎的切向力，改善了基礎的受力情況。上機架與基礎的連接方式，見下頁圖3。為了確保將上機架傳向基礎的徑向力轉化為切向力，在設計時，要求每個連接點兩側在周方向用楔子板打緊，并用螺栓固定，并要求機架與基礎板和兩側楔子板在安裝時徑向預留12±1.5mm的間隙[6]。

安裝后檢查發現4個上機架與基礎板預留最大間隙僅為0.7mm，與楔子板徑向無間隙，這樣就限制了上機架在機組運行中將產生的徑向力轉化為切向力的功能，上機架由于徑向力大而產生彈性變形，

圖3 上機架與基礎板連接方式示意圖

2.3 上導瓦調節螺栓斷裂原因分析

4號機上導軸承的結構型式為楔子板式，上導瓦的固定方式，如圖4，整個機構主要包括上導瓦、楔子板、卡板和調節螺栓等部件，上導瓦背面設有一個鉻鋼墊，鉻鋼墊與瓦背之間有墊片，安裝時通過增減鉻鋼墊與瓦背之間墊片的厚度為楔子板預留出主軸與上導瓦間隙調節余量。通過升降上導瓦調節螺栓控制楔子板的高度，進而確定上導瓦與主軸間隙。由于機組振動的原因，上導擺度產生的徑向力傳遞給楔子板，楔子板振動傳遞給卡板和調節螺栓，這樣就對調節螺栓產生一個杠桿的力矩效應，根部是最簿弱的部位，長期的作用引起金屬疲勞，導致調節螺栓在根部剪切斷裂。

圖4 上導軸承結構示意圖

在機組檢查時，發現卡板距調節螺栓底部固定部位的距離達到90mm，距離越長，力矩效應就越大。同時卡板與楔子板上的卡槽未設計軸向間隙，使徑向力全部傳遞到調節螺栓上。見圖5。

2.4 分析得出的結論

除從轉子設計、上機架與基礎板連接方式和上導瓦固定方式3個方面分析缺陷產生原因外，還通過分析機組安裝和檢修記錄、機組啟動試運轉和機組B級檢修后試驗數據等資料，排除了水力因素、電磁因素對機組振動的影響。得出結論如下：

圖5 上導固定方式存在的問題

（1）上機架徑向振動、上導擺度超標的原因

1）轉動部分存在質量不平衡；

2）機組安裝時上機架與基礎板和兩側楔子板預留的徑向間隙不滿足設計要求。

（2）上導瓦調節螺栓斷裂原因

除上機架徑向振動和上導擺度過大的原因外，卡板距調節螺栓根部的距離過長和卡板與卡槽未設計軸向間隙，兩種原因產生的力矩效應，造成調節螺栓在根部發生疲勞斷裂。

3 處理措施和效果

3.1 預防上導瓦調節螺栓斷裂的措施

（1）對卡板進入卡槽的部分進行打磨處理，安裝后保證卡板與卡槽之間不小于0.5mm的軸向間隙，這樣在機組運行時，楔子板在軸向和徑向都有足夠的串動量，產生的振動力就不會全部傳遞到上導軸瓦間隙調節螺栓上。

（2）減小鉻鋼墊后面墊片厚度，將楔子板下移，縮短卡板距調節螺栓底部的距離，處理后12個卡板高度一致，由處理前的90mm降為30mm，見下頁圖6。

經過以上處理后，力矩效應大大的降低。

根據設備制造廠的建議，將上機架吊出，對上機架與基礎板連接部件進行打磨處理，確保上機架與基礎板和兩側鍥子板在安裝后有5mm以上的徑向間隙值。

重新進行動平衡試驗，將首次動平衡試驗安裝的配重塊拆除，在原安裝位置，重新加裝配重塊，配重過程共分5次，累計共加裝配重塊270kg。試驗后空載運行，上導擺度X向為227μm、Y向擺度為212μm、上機架徑向振動值為55μm。數據顯示上導擺度和上機架徑向振動均符合標準要求。

圖6 上導處理后的狀態

3.2 處理后的效果

機組臨時檢修及動平衡試驗完畢，對多種負荷工況和部位的振動及擺度值進行檢查測量，測量數據見表2。

表2 長甸電站4號機組不同負荷工況下振動和擺度測量記錄

數據表明，檢修及動平衡試驗取得了較好的效果，機組在上述負荷下，上機架徑向振動及上導擺度均符合規范標準的要求。

通過2016年8月至2017年12月，1年多時間的觀察，這期間機組經歷了全負荷和汛期大發電的考驗，機組各部振動、擺度、瓦溫正常，在各工況下能夠長期穩定運行，說明4號機組上機架振動和上導擺度超標問題處理是成功的。

4 結語

針對長甸電站4號機組存在的上導擺度、上機架徑向振動超標問題，通過原因查找、分析以及提出的問題處理方案，是在機組設計制造、安裝和運行維護等方面累積經驗的過程。同時通過同類型的水輪發電機組類似問題的處理、探討和交流，對于設備制造廠優化產品設計和提高電廠技術人員處理問題的能力，提供了借鑒經驗。