涔天河水電站1 號機(jī)組動平衡試驗

郭曉寧

（湖南涔天河工程建設(shè)投資有限責(zé)任公司，湖南 永州425500）

1 引言

涔天河水庫擴(kuò)建工程位于湖南省永州市江華瑤族自治縣境內(nèi)的湘江支流瀟水上游峽谷出口處，系瀟水流域開發(fā)的第一個梯級。是一座以灌溉、防洪、下游補(bǔ)水和發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)等綜合利用效益的大型水利水電工程。涔天河水電站總共裝有4 臺50 MW 混流式水輪機(jī)組，2017 年9 月23 日首臺機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，2018 年6 月底4 臺機(jī)組全部實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。其水輪發(fā)電機(jī)組為立式混流機(jī)組，額定功率50 MW，設(shè)計水頭77.5 m，，額定轉(zhuǎn)速230.8 r/min，葉片數(shù)13，活動導(dǎo)葉數(shù)24，固定導(dǎo)葉數(shù)23，轉(zhuǎn)子重量177.3 t，轉(zhuǎn)動方向為俯視順時針。

涔天河水電站1 號機(jī)組自2018 年6 月4 日開始頻繁報出匝間保護(hù)啟動動作，經(jīng)現(xiàn)場查看，1 號機(jī)組二次側(cè)橫差電流達(dá)0.19 A，從機(jī)組振擺系統(tǒng)顯示的數(shù)據(jù)來看，機(jī)組上、下導(dǎo)擺度以及上機(jī)架水平振動較大，嚴(yán)重超過國標(biāo)，初步分析是由于機(jī)組轉(zhuǎn)子動不平衡引起的。因此2019 年1 月在現(xiàn)場對機(jī)組進(jìn)行了動平衡試驗。

2 試驗方法及步驟

2.1 試驗方法

根據(jù)規(guī)程規(guī)范要求，在試驗機(jī)組上布置相應(yīng)傳感器，用振動測試分析儀記錄試驗工況下各測點的輸出變化情況，分析機(jī)組的運(yùn)行特性。

2.2 測點布置

擺度測點有：上導(dǎo)X、Y 向擺度，下導(dǎo)X、Y 向擺度，水導(dǎo)X、Y 向擺度，上機(jī)架X、Y 水平振動，下機(jī)架X、Y 水平振動，上機(jī)架垂直振動，頂蓋水平振動，頂蓋垂直振動，定子機(jī)架水平振動。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，該機(jī)組各部位擺度及振動值應(yīng)滿足表1 要求。

表1 機(jī)組振擺標(biāo)準(zhǔn)限值 單位：μm

2.4 試驗步驟

2.4.1 變轉(zhuǎn)速、變勵磁試驗

（1）變轉(zhuǎn)速試驗

機(jī)組開機(jī)后分別將機(jī)組穩(wěn)定在50%nr，75%nr，100%nr 工況點，進(jìn)行各測點數(shù)據(jù)采集，每個工況點采集2～3 min。

（2）變勵磁試驗

機(jī)組加勵磁后分別將機(jī)組穩(wěn)定在25%Ur，50%Ur，75%Ur，100%Ur 工況點，進(jìn)行各測點數(shù)據(jù)采集，每個工況點采集2～3 min。

2.4.2 動平衡試重

（1）試重方位的確定

根據(jù)100%額定轉(zhuǎn)速（或100%額定勵磁電壓）工況下測量機(jī)組振動、擺度數(shù)據(jù)，綜合分析確定機(jī)組配重塊的重量及方位。

（2）試加重量

按試加配重所產(chǎn)生的離心力為轉(zhuǎn)子重量的0.5%～2.5%適當(dāng)選擇試加重量。

（3）試重塊的安裝

機(jī)組停機(jī)，蝶閥關(guān)閉，根據(jù)原始振動數(shù)據(jù)確定試加重塊的位置。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，轉(zhuǎn)子中心體上副板表面可以進(jìn)行試重塊的安裝。

（4）試重

將應(yīng)加的配重塊安裝后開機(jī)，緩慢增加機(jī)組的轉(zhuǎn)速并對機(jī)組各部位的振動進(jìn)行監(jiān)測，在判斷振動對機(jī)組無危害后再增加機(jī)組的轉(zhuǎn)速至100%額定轉(zhuǎn)速。將機(jī)組工況分別穩(wěn)定在100%額定轉(zhuǎn)速、100%額定勵磁電壓工況，測量機(jī)組各部位的振動情況。

2.4.3 最終配重量及配重方位

根據(jù)試重結(jié)果，在兼顧到各導(dǎo)擺度及振動的情況下，綜合分析確定最終配重量及安裝角度；將應(yīng)加重量Mp 安裝在方位角ФP，開機(jī)測試各部位的振動和擺度。在100%nr、100%Ur 工況下，振動和擺度值如達(dá)到要求，將配重塊焊牢。2.4.4 動平衡試驗后工況驗證

將機(jī)組分別穩(wěn)定在100%nr、100%nr、10 MW、20 MW、30 MW 負(fù)荷工況點，每個工況穩(wěn)定3～5 min，用測試儀記錄機(jī)組各部位的振動情況。

3 試驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

3.1 機(jī)組原始狀態(tài)測試結(jié)果

機(jī)組在變轉(zhuǎn)速、變勵磁及30 MW 工況下原始振動見表2；機(jī)組擺度隨轉(zhuǎn)速平方相對值變化趨勢見圖1；機(jī)組振動隨轉(zhuǎn)速平方相對值變化趨勢見圖2；機(jī)組擺度隨勵磁相對值變化趨勢見圖3；機(jī)組振動隨勵磁相對值變化趨勢見圖4。

表2 原始狀態(tài)試驗數(shù)據(jù) 單位：μm

圖1 機(jī)組擺度-轉(zhuǎn)速平方相對值

圖2 機(jī)組振動-轉(zhuǎn)速平方相對值

圖3 機(jī)組擺度-勵磁百分比相對值

圖4 機(jī)組振動-勵磁百分比相對值

變轉(zhuǎn)速試驗結(jié)果表明，隨著轉(zhuǎn)速上升，振動、擺度大幅增加，空轉(zhuǎn)狀態(tài)下，機(jī)組上機(jī)架水平振動達(dá)到356 μm，下機(jī)架水平振動達(dá)到53 μm，上導(dǎo)擺度達(dá)到1 550 μm，下導(dǎo)擺度達(dá)到1 763 μm，轉(zhuǎn)子存在嚴(yán)重的機(jī)械不平衡。

變勵磁試驗結(jié)果表明，隨著勵磁電壓的增加，機(jī)組振動、擺度大幅增加，空載狀態(tài)下，機(jī)組上機(jī)架水平振動達(dá)到1 098 μm，下機(jī)架水平振動達(dá)到259 μm，上導(dǎo)擺度達(dá)到1 731 μm，下導(dǎo)擺度達(dá)到2 797 μm，轉(zhuǎn)子存在嚴(yán)重的磁拉力不平衡。

機(jī)組帶30 MW 負(fù)荷情況下，上機(jī)架水平振動達(dá)到1 033 μm，下機(jī)架水平振動達(dá)到234 μm，上導(dǎo)擺度達(dá)到1 677 μm，下導(dǎo)擺度達(dá)到2 784 μm，各測點測值嚴(yán)重超標(biāo)。

3.2 動平衡試驗結(jié)果

1 號機(jī)組振擺超標(biāo)情況較3 號、4 號機(jī)組嚴(yán)重，現(xiàn)場進(jìn)行了2 次配重。試驗結(jié)果見表3。

表3 動平衡試驗結(jié)果對比 單位：μm

根據(jù)原始振動數(shù)據(jù)，第1 次配重50 kg 安裝角度157°，結(jié)果表明空轉(zhuǎn)狀態(tài)下機(jī)組上機(jī)架水平振動降至69 μm，上導(dǎo)擺度降至751 μm，下導(dǎo)擺度降至356 μm，說明機(jī)組機(jī)械不平衡已經(jīng)明顯改善，但機(jī)組空載狀態(tài)下振擺即增大至原始振動水平，沒有較大改善，機(jī)組磁拉力不平衡較嚴(yán)重。

第2 次試重83 kg 安裝角度177°，測試結(jié)果表明，機(jī)組上/下機(jī)架水平振動、定子機(jī)座水平振動及上下導(dǎo)擺度較原始狀態(tài)有所較低，但相對第1 次試重第2 次測試結(jié)果振擺均有所增加。

2 次試重計算出的最終配重重量及方位存在較大差別，綜合試驗結(jié)果不建議繼續(xù)對該機(jī)組進(jìn)行配重，現(xiàn)場拆除全部配重塊。

4 對本次動平衡試驗的結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

（1）1 號機(jī)組振動擺度嚴(yán)重超過國標(biāo)，機(jī)組帶30 MW 負(fù)荷情況下，上機(jī)架水平振動達(dá)到1 033 μm，下機(jī)架水平振動達(dá)到234 μm，上導(dǎo)擺度達(dá)到1 677 μm，下導(dǎo)擺度達(dá)到2 784 μm。

（2）現(xiàn)場開展了2 次試重，2 次試重計算出的最終配重重量及方位存在較大差別，綜合試驗結(jié)果不建議繼續(xù)對該機(jī)組進(jìn)行配重，現(xiàn)場拆除全部配重塊。

4.2 建議

（1）建議對1 號機(jī)組進(jìn)行檢修。機(jī)組上、下導(dǎo)原始狀態(tài)的擺度以及上機(jī)架水平振動較大，嚴(yán)重超過國標(biāo)，導(dǎo)瓦雙邊間隙實際上已經(jīng)大大超過了設(shè)計值。建議對軸瓦間隙、轉(zhuǎn)動部件中心進(jìn)行檢查調(diào)整，同時檢查軸瓦磨損情況，對機(jī)組關(guān)鍵部件進(jìn)行探傷。

（2）機(jī)組上機(jī)架整體結(jié)構(gòu)安裝在定子機(jī)架上，徑向承壓能力可能不足，建議盡早安裝上機(jī)架千斤頂以增強(qiáng)上機(jī)架徑向水平方向承壓能力，并重新進(jìn)行機(jī)組動平衡試驗。

（3）建議將機(jī)械過速保護(hù)裝置安裝間隙調(diào)整為3 mm，防止出現(xiàn)誤動。

（4）機(jī)組振動測點位置安裝不正確，建議按照規(guī)范對測點位置進(jìn)行調(diào)整；在線監(jiān)測系統(tǒng)顯示擺度數(shù)據(jù)與試驗實測值存在較大偏差，建議進(jìn)行檢查。

5 結(jié)束語

一般來說，由于機(jī)組在制造、安裝等機(jī)械方面的原因，在運(yùn)轉(zhuǎn)中都不可避免地存在著不同程度的振動，這是不可能完全避免和消除的現(xiàn)象。只要將振動限制在允許的范圍之內(nèi)，它對機(jī)組本身及其運(yùn)行并不會造成危害，也就是說可以保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行。然而，當(dāng)機(jī)組的振動超過允許的范圍，或振動的頻率同機(jī)組的某固有頻率產(chǎn)生共振時，就會嚴(yán)重地影響到機(jī)組的安全運(yùn)行。

涔天河水電站機(jī)組通過動平衡試驗，判斷并消除可能存在的轉(zhuǎn)子動不平衡，優(yōu)化機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，保證了電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。