某燈泡貫流式機組水導軸承異常振動原因分析

肖啟志，黃波，劉暢堯，付亮，謝捷敏

(1.馬跡塘水電廠，湖南益陽413405；2.國網湖南省電力有限公司電力科學研究院，湖南長沙410007)

0 引言

燈泡貫流式水輪發電機組具有適應中低水頭,水頭變化大的特點,與其他類型機組相比,在相同的性能參數條件下,貫流式機組可適應更低的水頭,同時土建工程量少,施工簡單[1-6]。近年來,燈泡貫流式水輪機在水電的開發和利用上運用得越來越廣泛,并向大容量、高比轉速、高效率的方向發展[7-8],但同時該類型水輪機在穩定性方面的問題出現的也越來越多,其中水導軸承水平振動超標問題尤為突出。

引起水輪發電機組振動的原因主要包括三個方面[9-13],即機械因素、電氣因素和水力因素。機械因素一般包括機組軸線不正或對中不良、轉動部件質量不平衡、導軸承缺陷或間隙調整不當等；電氣因素一般包括轉子不圓、定子鐵芯壓緊不夠或松動、轉子匝間短路等；水力因素一般包括動靜干涉、尾水管渦帶、卡門渦街等。目前對于水輪發電機組穩定性研究一般有四種方法[14-15],即理論分析、模型試驗、真機試驗及仿真計算等方法。

1 缺陷簡介

某水電廠裝有3臺18 MW燈泡貫流式機組,機組額定轉速75 r/min,額定水頭6.55 m,額定流量312 m/s,該機組水導軸承通過扇形板固定于內配水環上,扇形板角度為127°。電廠運行人員發現3臺機組均存在水導軸承水平振動間歇性異常增大情況,即水導軸承水平振動存在突然上升情況,維持一段時間后,又恢復正常,異常振動與運行工況無明顯關系。

2 故障分析

電廠3號機組水導軸承間歇性異常振動問題最為突出,因此選擇3號機組開展研究分析。

2.1 隨負荷變化趨勢分析

相同水頭下,水導軸承正常運行工況及異常振動工況的振動位移隨負荷變化趨勢如圖1所示,兩種工況趨勢相反。水導軸承發生異常振動時,振動幅值明顯大于正常運行工況的振動幅值。水導軸承正常運行時,振動位移隨負荷增大而增大；水導軸承發生異常振動時,振動位移隨負荷增大而減小。

2.2 波形及頻率分析

對比正常工況及異常工況水導軸承波形頻譜圖(圖2、圖3),分析結果表明:正常運行工況,水導軸承振動主頻為轉頻,1.25 Hz；異常振動工況,水導軸承振動轉頻分量增幅明顯,且出現2倍頻、3倍頻、4倍頻等分量。

圖2 正常工況水導軸承水平振動波形頻譜圖

圖3 異常工況水導軸承水平振動波形頻譜圖

通過高通濾波方式提取了水導軸承正常振動時及異常振動時水導軸承振動、轉輪室振動高頻信號分量 (大于10倍頻即12.5 Hz信號),結果表明,水導軸承正常振動工況時,高濾波處理后的轉輪室振動特征表現為白噪音波形特征。但水導軸承異常振動工況時,高通濾波處理后的轉輪室振動存在明顯的脈沖波形特征 (如圖4—5所示)。高通濾波可以濾除由于機械、電氣、水力等因素引起的常規振動分量,轉輪室振動出現脈沖特征波形通常是由轉輪與轉輪室發生碰磨引起,即由轉輪葉片與轉輪室直接發生碰磨或葉片與轉輪室間隙卡有異物引起。

圖4 正常工況高通濾波后波形

圖5 異常工況高通濾波后波形

轉輪葉片與轉輪室直接發生碰磨常發生于機組存在槳葉軸套磨損嚴重、轉輪室間隙偏小時,若存在上述情況,將出現機組帶特定負荷時發生轉輪葉片與轉輪室碰磨情況。該現象與該機組水導軸承間隙性異常振動特征不相符合,因此葉片與轉輪室間隙卡有異物是引起水導軸承異常振動的主要原因。

為了進一步分析異常工況的發生規律,統計了該機組某個月內水導軸承連續7次出現異常振動的情況,統計內容包括:異常振動前轉輪室振動高通濾波波形,異常振動發生時轉輪室振動高通濾波波形,異常振動消失后轉輪室振動高通濾波波形。統計結果表明:所有水導軸承異常振動過程基本一致,異常振動前轉輪室振動高通濾波波形呈現白噪聲特征；異常振動發生時轉輪室振動高通濾波波形出現明顯脈沖特征,機組存在碰磨特征；異常振動消失后轉輪室振動高通濾波波形恢復白噪聲特征。

3 現場檢查及原因分析

3.1 現場檢查

2018年7月30日,該機組再度出現水導軸承水平振動異常增大情況,電廠采取調整負荷及重新開停機措施,水導軸承水平振動情況仍未改善,電廠臨時停機排水進入流道檢查。檢查發現轉輪室與槳葉間夾有拖鞋、塑料等異物,清除后開機運行正常。分析此次水導軸承異常振動時機組的振動波形,和前文所描述的現象一致,異常振動發生時轉輪室振動高通濾波波形出現明顯脈沖特征,機組存在碰磨特征；異物處理后,水導軸承水平振動恢復正常,轉輪室振動高通濾波波形也恢復白噪聲特征。該現象也進一步說明引起水導軸承間歇性異常振動的主要原因是葉片與轉輪室間隙卡有異物。

3.2 轉輪室頻繁卡異物原因

該機組存在水導軸承頻繁異常振動情況,汛期尤為頻繁,通過統計該機組2016年4月份運行數據,僅一個月內出現異常振動情況達20余次。通過分析可知,轉輪室卡異物是引起水導軸承異常振動的原因,即該機組存在頻繁的轉輪室卡異物情況。

為分析轉輪室頻繁卡異物原因,無水工況下,對轉輪室及槳葉進行檢查。檢查機組槳葉開關情況發現,槳葉全關時,槳葉裙邊與轉輪室間隙僅有3～5 mm間隙,但槳葉全開時,槳葉裙邊與轉輪室間隙超過10 cm,槳葉開關過程出現槳葉裙邊與轉輪室卡塞異物。通常燈泡貫流式機組轉輪室球面段設計應確保槳葉動作范圍內槳葉裙邊均應在球面段內,即全關至全開過程槳葉裙邊與轉輪室間隙基本為一固定值,但該機組轉輪室球面段設計面積過小,造成槳葉全開時槳葉裙邊超出球面范圍,并引起槳葉裙邊與轉輪室出現較大間隙。

電廠未設置攔污排,大量污渣堆積于攔污柵前,極易通過攔污柵進入流道。若正好出現負荷調整情況,容易出現槳葉裙邊與轉輪室卡塞異物,槳葉開度越小,槳葉裙邊與轉輪室之間的間隙越小,異物也就卡的越緊,轉輪室碰磨特征也更加明顯。這正好能夠說明水導軸承異常振動時,水導軸承振動隨負荷減小呈現增大趨勢的現象。

3.3 水導軸承間歇性異常振動原因

水導軸承間歇性異常振動的主要原因是由于葉片與轉輪室間隙卡有異物引起。機組轉輪室球面段設計面積過小,造成槳葉全開時槳葉裙邊超出球面范圍,槳葉裙邊與轉輪室出現較大間隙,并引起槳葉開關過程存將導致轉輪室與槳葉間頻繁卡塞異物,水導軸承頻繁出現異常振動情況。

4 處理措施

1)提升清渣能力。增設攔污排,減少污渣進入流道的風險；提升攔污柵前清渣能力,增大清渣頻次或增設自動動水清渣功能；針對部分機組柵口間距偏大情況,應結合檢修機會,加密柵條,減小柵口間距。

2)優化異常振動處理措施。①當機組水導軸承出現異常振動時,電廠通常采用降低負荷、調小開度措施,但該處理方法可能造成卡塞的異物越夾越緊,同時水導軸承水平振動越來越大,惡化機組運行狀態。建議機組出現異常振動時,盡量將槳葉開度增大,增大槳葉裙邊與轉輪室間隙,將異物盡可能沖走,必要時停機清理異物。②電廠汛期經常動水清渣,清渣時可能將異物擠壓進入流道,進而造成機組異常振動。建議電廠盡量在停機時開展清渣作業,采取動水清渣作業時,應避免調整負荷操作。

3)開展技術改造。可考慮開展水輪機改造,增大轉輪室球面段面積,確保槳葉動作范圍內槳葉裙邊均在球面段內,同時還可提升水輪機效率和出力。