水輪機“振動異常增大”原因及處理方法研究

蒙祖義

（貴州黔源電力股份有限公司引子渡分公司,貴州 貴陽 550000）

1 前言

引子渡分公司位于烏江上游南源三岔河下游，是國家實施“西部大開發”戰略、貴州首批“西電東送”、“黔電送粵”第一個投產發電水電項目。工程于2000 年11 月8 日正式開工建設；2003 年5 月1#機組投產發電，2#、3#機組分別于同年8 月、12 月全部建成投產，順利實現了“一年三投”發電目標。工程以發電為主，水庫總庫容5.29 億m3，正常蓄水位1086m，屬不完全年調節水庫。電站裝機容量360MW（3×120MW），設計年均發電量9.78 億kW。

表1 水輪機參數

表2 發電機參數規范

2 引子渡發電廠1#機組振動異常現象

引子渡發電廠1#機組于2003 年5 月投入運行，2012 年4 月進行解體性大修，導葉吊出后檢查發現上、下軸頸銹蝕嚴重，對導葉上、下軸頸用304 不銹鋼加套處理。檢修后各項參數正常，投入運行后各工況穩定，并每年進行C 修。

2016 年12 月27 至2017 年1 月4 日，對1#機進行C 修期間，檢查發現轉輪有3 處裂紋，基礎環有局部氣蝕、裂紋，對轉輪裂紋與基礎環進行處理。檢修完成后，機組投入運行正常，各項技術參數與檢修對比沒有明顯變化。

2017 年1 月19 日11：44 分，庫水位1065m、尾水位965m、水頭90m，1#、2#機有功負荷增至100MW，1#機導葉開度65.75%時，1#機發出異常聲響，尾水管內發現有金屬振動敲擊聲音，檢查發現各部振動異常增大。發現此設備缺陷后，值班人員迅速聯系調度值班員調整1#機有功負荷，當1#機導葉開度降至60%，有功負荷95MW 時，異常聲響消失，各部參數恢復正常。兩次增加負荷，加大導葉開度，當導葉開度超過60%時，異常聲響，振動擺度異常增大。

表3 機組異常工況下各部振動及擺度值與定額對比表

3 振動異常增大原因分析

從正常情況與異常情況各部振動、擺度數據分析，頂蓋垂直振動變幅最大，由24.5μm 增大到273.12μm，增大約11 倍，水平振動由23.50μm 增大到111.25μm，增大約5 倍；下機架垂直振動由13.30μm 增大到88.20μm，增大約6 倍，水平振動由13.10μm 增大到23.20μm，增大約1 倍；各軸承擺度約有增大，但變化不是太大。

引起機組異常振動的原因主要有電磁、機械、水力3方面，結合實際情況分別從電磁、機械、水力3 個方面進行原因分析

3.1 電磁力振動原因分析

機組空轉、加勵磁與低負荷時，振動擺度沒有變化，同時在異常振動發生前后機組勵磁電壓、電流沒有變化。在機組不同的水頭下，只要導葉開度超過65%時，異常振動就會發生。因此，電磁力不平衡引起的振動不太可能，排除了電磁振動原因。

3.2 機械振動原因分析

機械振動引起的主要原因如下：

（1）轉子質量不平衡，當轉子重心與軸心產生偏心距，由于質量失衡，離心力的作用，主軸將產生彎曲變形，隨著速度的加大，振動越嚴重。

（2）機組軸線不正，當轉動部分的總軸向力不通過推力軸承中心時，產生的偏心力矩隨著轉速的升高，振動也隨之增大（水平與垂直都會增大）。

（3）機組轉動部分與固定部分有碰擦，引起振動。由于機組軸線不正，轉子、轉輪等轉動部分在運轉過程中可能會與固定部分發生碰擦，導致機組異常振動。

（4）活動導葉發生傾斜，引起振動。長期運行后，導葉軸頸與軸瓦間間隙增大，導葉位置發生傾斜，可能會因為與頂蓋、底環碰撞而引起振動。

根據異常振動的現象，如果是轉子質量不平衡、機組軸線不正、機組轉動部分與固定部分有碰擦的原因引起，那么空轉時隨著機組轉速增加，振動、擺度就會大。因此排除這3 種機械原因。

3.3 水力振動原因

水力引起振動的主要原因如下：

（1）轉輪葉片之間夾有異物，進入轉輪的水流不對稱而產生水力不平衡，造成轉輪振動，發出金屬振動敲擊聲，引起機組各部振動。

（2）尾水管中水力不穩定現象引起尾水管中的水壓周期性的變化，壓力脈動作用于機組與基礎上，引起振動。水流在尾水管進口有一環量形成旋流，當此分量達到一定值時，便在尾水管中出現渦滯，使尾水管的水流發生周期性變化，從而引起水壓脈動和管壁振動。當水流進入葉片，由出口邊流出時，便會在出口邊產生渦列，形成對葉片交替沖擊，當葉片自振頻率與沖擊頻率相同時，便產生共振，這種振動只在一定水頭和開度時才會產生，它能使葉片的根部或輪緣產生裂紋，有時還伴有異常金屬聲響。

（3）轉輪上下止漏環偏心，使進入轉輪上冠外沿的水流不均勻，進而產生側向壓力，引起轉輪振動，發出金屬敲擊聲。

（4）活動導葉開度不一致，進入轉輪的水流不平衡，環流不穩定，引起機組振動。

綜上原因分析，引起1#機組異常振動的主要原因應為導水部分故障引起。

4 處理措施

通過以上原因分析，引起1#水輪發電機組在特定工況下異常振動的主要原因：可能是活動導葉發生傾斜，或轉輪葉片之間夾有異物引起水力不平衡造成。因此，制定處理措施如下：

（1）首先對1#水輪發電機組過流部件進行檢查，檢查蝸殼與固定導葉內是否有異物；

（2）檢查轉輪是否有大的裂紋，檢查活動導葉是否發生傾斜；

（3）如對過流部件檢查沒有發現問題，請電科院做機組穩定性試驗，測試出機組在異常振動工況下的電氣、振動、擺度、壓力脈動等各項參數。根據測試出機組在異常振動時的各項參數，分析查找引起異常振動的原因，并制定可行的解決方案。

（4）如還沒有查出問題，對機組進行解體大修處理。

5 檢查處理情況

2017 年10 月，將1#水輪發電機組退至檢修狀態，進入蝸殼對過流部件及機組水力機械部分進行檢查。在蝸殼內檢查發現導流板脫落1m 多長（圖2），被水流沖到蝸殼鼻端卡在固定導葉處（圖1），使蝸殼內及進入轉輪導水葉的水流不平衡，進而引發機組水力不平衡，使機組尾水管內發出金屬敲擊聲，水力不平衡引起機組振動異常增大。

重新加工一板導流板焊接穩固后投入運行正常。

圖1 脫落的導流板卡在蝸殼鼻端固定導葉處

圖2 蝸殼導流板脫落位置

圖3 打磨焊縫表面至圖紙要求

圖4 焊縫PT 檢查合格

6 導流板脫落原因分析與預防措施

導流板脫落的原因：

（1）施工時焊接質量不高，監管不嚴，存在虛焊與漏焊，特別是導流板加固筋部分只是點焊，焊接不牢固是主要原因；

（2）運行管理重視不夠，管理不到位，沒有形成嚴格的檢查機制現責任落實是造成導流板脫落的次要原因。

預防導流板脫落的預防措施：

（1）對3 臺機導流板焊縫做專業檢查，對虛焊與漏焊進行補焊；

（2）制定措施，落實責任，要求維護班級在每年機組檢修時，對導流板焊縫進行檢查，對存在的隱患及時消除，并做好記錄。