水電站機組振動的原因分析及處理

李忠臣

（中國水利水電第十一工程局有限公司，河南 鄭州450000）

1 工程概況

龍背灣水電站工程位于湖北省竹山縣堵河支流官渡河上游，為地面引水式廠房，裝機容量180 MW（2×90 MW），年發電量4.19 億kW·h。引水方式為由一根主管分岔為兩根支管分別與兩臺水輪機的進水閥相連接，采用1 回220 kV 電壓等級出線接入電網，電站于2015 年5 月投入商業運行。2017 年2月我單位對該電站2 號機組進行B 級檢修，檢修過程中對機組振動過大的問題進行分析、處理。

2 機組振動的危害與產生振動的原因

水輪發電機組的振動是一種有害現象，影響到機組的使用壽命。振動過大會造成設備焊縫開裂、螺栓松動、零件疲勞斷裂、飛出等，這對于高速旋轉的機組來說是相當危險的，嚴重地威脅著電站的運行安全。

水輪發電機組振動的原因，根據外力來源的不同可分為3 種：水力振動、機械振動、電磁振動。其中水力振動的原因有水力不平衡，水輪機在非設計工況下運行，尾水管中水流不穩等；機械振動的原因有轉子重量不平衡，機組的軸線不正，軸承存在缺陷等；電磁振動的原因有轉子繞組短路，空氣間隙不均勻等。了解這些振動產生的原因，就為正確解決問題提供了保證。

3 機組振動的測量

在2 號機組檢修前，對機組振動情況進行測量。受到現場條件的限制，采用千分表機械測振法，用廠房的橋式起重機吊一重物，此重物相對于機組的振動部件來說是靜止的，本身不受振動的影響，然后把千分表固定在重物上，使千分表測桿的觸頭緊緊的頂住機組的被測部位，并使測桿的方向與振動方向一致，從千分表上就可以直接讀得指針的擺動最大值，此值即為振動振幅，此方法用來測量上機架的振動。對于定子、水導軸承、下機架和水輪機的頂蓋振動則采用手持測振儀和千分表進行測量。測點的布置為：上機架支腿內側、下機架支腿內側、定子基座、水輪機頂蓋、水輪機導軸承，每個測點在水平和垂直各架設一塊千分表進行測量。

4 分析機組振動的試驗

為了將機組的振動值降低到規范允許的范圍內，需要找到產生振動的主要原因。振動產生的原因比較復雜，通過對相關的試驗數據篩選、對比、分析，然后確定引發振動的主要因素。水輪發電機組產生振動的原因包括：水力不平衡、機械不平衡、電磁不平衡等。為了判斷是哪一種狀況引起機組振動過大，我們需要做以下幾項試驗：

（1）轉速試驗

分別使機組在60%、70%、80%、90%、100%的轉速運行，并測量各部導軸承機架內側振動的振幅及頻率，繪制轉速與振幅的關系曲線。振幅與轉速的關系為：

A 為雙振幅，單位為0.01 mm；n 為轉速，單位為r/min。

如果機組在以上轉速范圍運行，振幅一直很大，改變轉速對振幅的影響不大，則引起振動的原因可能是：軸線曲折、盤車擺度超標、導軸承不同心及主軸與固定部分有偏磨等，對此類問題的解決方案是重新盤車并調好機組中心。

如果振幅隨機組的轉速增高而增大，且基本與轉速的平方成正比，則振動的原因是由轉動部分的不平衡引起的，應做靜平衡和動平衡試驗。

（2）勵磁試驗

在額定轉速下給轉子加勵磁電流，測量并繪制振幅與勵磁電流的關系曲線。

A 為雙振幅，i 為勵磁電流。

如果振幅隨勵磁電流的增加而增大，則磁拉力不平衡是引起機組振動的主要原因，應進一步檢查定子和轉子空氣間隙是否均勻、磁極線圈是否有匝間短路、磁極是否松動、磁極和磁軛間是否有間隙等，此外還要注意是否有因為定子組合縫把合不嚴引起的冷態振動。

（3）帶負荷試驗

按25%、50%、75%、100%分別帶上不同的負荷，測量各種負荷下的振幅，并繪制振幅與負荷的關系曲線。

A 為雙振幅，p 為發電機負荷，單位為kW。

如果振幅隨負荷的增加而增大，且水輪機導軸承處的振幅變化比上導軸承處的變化靈敏，則水力不平衡是引起機組振動的主要原因，應在水輪機部分查找原因。如果僅僅是在某一特定的負荷區域振幅較大，其他負荷區正常，則應避開這一振動區域運行。

經過上述試驗測得的相關數據見表1～表3。

表1 轉速與振動關系的測量記錄

表2 勵磁電流與振動關系的測量記錄

表3 機組帶負荷與振動關系的測量記錄

5 振動產生的原因分析及處理

根據前項的各種試驗數據，繪制上機架及水導部位的振動曲線圖見圖1。

圖1 振動曲線圖

通過圖1 的關系曲線，我們可以看到上機架和水導振動值是隨著轉速的增加而急劇增大的，可見靜不平衡或動不平衡是造成本臺機組振動過大的主要原因。而在勵磁區，發電機上機架的振動值也隨勵磁電流的增加而增大，但在水導處卻變化不大，這說明有磁拉力不平衡的因素包含在其中，這屬于次要原因。在負荷區可以看到，發電機的振動不隨負荷的變化而變化，而水導的振動卻隨負荷增加而增大，說明在水輪機方面也存在著水力不平衡的因素。至此2 號機組振動過大的原因已基本確定，下面針對以上幾種原因采取以下方法處理：

（1）將機組拆出后，首先對水輪機轉輪進行檢查，發現轉輪磨損及氣蝕情況較為嚴重，且尤為嚴重的是原來轉輪靜平衡所加的配重都已經丟失。在對轉輪的磨損和氣蝕進行處理后，決定對水輪機轉輪進行靜平衡試驗，需要配重達16 kg，最后把殘留不平衡重量控制在圖紙要求的0.1 kg 之內，至此轉輪的靜平衡滿足規定。

（2）對水輪機的上、下止漏環進行修磨，使圓度達到規范要求的標準，并對導葉的開度進行檢查和處理，把每對導葉的開度偏差調整到規范要求的標準值。

（3）在水輪機方面的因素排除后，對定子中心及圓度、轉子中心及圓度進行檢查，并在轉子吊入后，對空氣間隙進行測量，重新設定機組轉動部分的中心，經過調整空氣間隙達到了規范要求的標準。

經過上述處理，在機組安裝完畢后，對機組進行試運行，各部位的振動值均已恢復到規范要求的許可范圍，至此2 號機組振動過大的問題徹底解決。

6 結束語

龍背灣水電站2 號機組檢修工作歷時45 d，針對修前存在的機組振動過大的問題，通過相關試驗確定機械不平衡是主因，水力不平衡、磁拉力不平衡是次因，三者相互作用。通過采取對轉輪進行靜平衡試驗，上、下止漏環間隙調整，導葉開度調整，定、轉子空氣間隙調整等一系列措施，最終使機組各部位的振動值恢復到規范許可范圍。