沙坪二級水電站機組水導軸承振動超標原因分析

張華壘，李 昂

(國電大渡河檢修安裝有限公司，四川 樂山 614900)

沙坪二級水電站安裝有6臺單機出力58 MW的燈泡貫流式機組，為目前國內單機容量最大的燈泡貫流式機組。工程于2011年1月動工籌建，2012年5月開始建設，首臺機組于2017年7月底投產發電，末臺機組于2019年5月投入商業運行。機組額定轉速88.2 r/min，額定水頭14.3 m，最大水頭24.6 m，最小水頭5.9 m，額定流量457.66 m3/s。隨著機組投入運行時間的增加，逐漸出現了1號、6號機組在汛期低水頭運行時水導軸承振動長期超標的現象。

1 設備運行情況

1.1 振擺系統介紹

沙坪二級水電站機組振動擺度監測系統采用北京華科同安公司開發的TN8000水輪發電機組振動擺度監測分析系統。

水導軸承和組合軸承的振動傳感器都選擇北京豪瑞斯MLS-9低頻速度傳感器，在相應軸承-X，+Y向位置焊接一個水平和一個垂直安裝板, 安裝板上各安裝1個振動傳感器。

水導軸承和組合軸承的擺度傳感器都選用德國申克公司的IN-081一體化渦流傳感器，安裝在相應軸承油槽蓋上端面鉛垂方向±45°位置，通過焊接支架固定對準軸表面。6臺機組安裝位置相同，能準確反應實際振動值和擺度值。

1.2 各部軸承振動情況

同立式機組相同，燈泡貫流式機組運行時的振動不可避免，但相對較大的振動會對機組的安全運行和使用壽命造成影響，如緊固件松動，受力筋疲勞斷裂等。我國現行有關燈泡貫流式機組振動允許振動值如表1所示。

表1 燈泡貫流式機組各部位振動允許值表[1]

2019年入汛以來，沙坪二級水電站6臺機組在14、16 m水頭局部負荷運行時，出現了1、6號機組水導軸承X向徑向振動長期超標的現象，見表2，且呈現出機組運行水頭越低，導葉開度越大，機組振動越大的情況。

表2 TN8000振擺監測分析系統測量的振動值表 μm

選取6號機組14 m水頭下水導振動進行頻譜分析，水導軸承振動通頻值137.5 μm，各分頻中以轉頻為主，測值達84.8 μm，其余各倍頻還包括0.5倍頻、0.75倍頻、2倍頻、4倍頻和5倍頻，其測值較小，見圖1。

圖1 水導振動頻譜圖

2 原因分析

2.1 軸承支架支撐剛度不足

水導軸承的傳感器支架安裝于導水機構的內配水環上，導水機構內配水環并非基礎受力部件，是通過把合螺栓固定在管型座上，在機組運行時本身就有一定振動，所以水導軸承所測得的振動值實際是內配水環與水導軸承振動值的疊加，當兩個振動發生正向疊加時，就會造成機組水導軸承振動偏大[2]。

2.2 攔污柵淤堵造成水頭損失

沙坪二級水電站大壩有機組段和泄洪壩段，左岸為機組段，右岸為泄洪壩段，中間采用隔墻隔開，機組段進水設置有擋沙坎、攔污漂以阻止樹木、大量泥沙進入機組。這種布置方式造成了布置在機組壩段兩側的機組進水口(1、6號)會形成回流，雜物易在該處淤積，實際運行中也發現1、6號機組進水口攔污柵壓差同比其它機組更大。

2019年汛期，處于沙坪二級水電站上游的金口河地區發生了泥石流，大量的生活垃圾、樹木等進入河道，使機組攔污柵壓差明顯高于往年同期，加大了機組的水頭損失。

由于燈泡貫流式機組的特點是水頭越低，其水頭損失對機組運行越敏感，機組的出力明顯減小，振動、擺度增大[3]。而沙坪二級水電站1、6號機組攔污柵更容易淤堵加大水頭損失，造成在相對較低的水頭下運行時，機組的水力不平衡越明顯，最終造成水導軸承長期超標運行。

2.3 機組空蝕引起振動偏大

水輪發電機組中，影響機組振動的類型很多，通常有間隙空化和空蝕、空腔空蝕、局部空化和空蝕，以及卡門漩渦等，這些空蝕會直接加劇水輪機振動。尤其在含沙量較大的河流中，泥沙對機組導葉、槳葉的磨損程度加大。機組的空蝕現象嚴重，更容易形成卡門漩渦，更會加劇水輪機振動，從振擺監測系統反應出來就是水導擺度偏大，水導軸承振動偏大[4]。

沙坪二級水電站在近兩年檢修過程中，對過流部件進行全面檢查，沒有發現明顯的空蝕現象。

2.4 協聯關系參數不準確引起機組振動

燈泡貫流式機組同軸流轉漿式機組相同，采用導葉、槳葉雙重調節，導葉、槳葉協聯關系的正確設置，能使機組在各個水頭都處于最優工況。沙坪二級水電站6臺燈泡貫流式機組使用的是投運之初安裝單位設定的協聯關系曲線，沒有根據機組實際運行工況進行試驗調整，使部分機組沒有在最優工況下運行，槳葉不再具有無撞擊進口，水流對葉片產生沖擊，在轉輪轉動過程中，由于槳葉沖角不斷變化，作用在葉片上的力及產生的葉片扭矩相應變化，導致機組振動加劇[5]。

2.5 異物卡塞在固定部件與轉動部件之間造成機組振動

沙坪二級水電站水庫途徑樂山市金口河區，沿途多條小河匯流進大渡河，主河道和小河流周邊為主要聚集居住地，人口多，造成河道生活垃圾多。這些垃圾會穿過攔污柵進入機組流道，其中的塑料垃圾、橡膠制品偶爾會卡在轉輪槳葉與轉輪室之間，造成機組各部振動突然大幅增加。若機組長期在異物卡塞狀態下運行，也會造成水導軸承振動超標。

沙坪二級水電站機組在實際運行過程中，曾多次發生過各部軸承振動突然大幅加劇的情況，雖然其中絕大多數通過多次調節負荷、開停機操作，能讓各部軸承振動恢復正常。但也曾兩次出現無論怎么調節負荷或開停機都無法使其振動恢復至正常的狀況，隨后經停機打開流道檢查，發現槳葉與轉輪室之間卡塞了橡膠制品，轉輪室球面也有明顯的摩擦痕跡，清理卡塞物后重新開機，各部軸承振動恢復正常。

2.6 其它原因

槳葉安裝角不同或槳葉接力器行程不同導致的葉道不一致、葉片生產加工產生的葉型不同，槳葉與轉輪間隙不均勻，導葉接力器行程不同或拐臂長度不同等等原因導致的水力不平衡等都會導致機組振動加劇。

沙坪二級水電在檢修過程中已經對槳葉安裝角、導葉開度值、內外環向心球段開檔尺寸、槳葉與轉輪室間隙進行了檢查，其中存在主要問題為多臺機組槳葉與轉輪室間隙比圖紙設計值偏小。但相同的狀況下，只有1號和6號機組水導軸承振動長期超標，分析認為槳葉與轉輪室間隙偏小不是導致機組水導軸承振動長期超標的主要原因。

3 結 語

沙坪二級水電站安裝的燈泡貫流式機組是目前國內單機最大的燈泡貫流式機組，其振動超標具有一定的代表性，筆者簡要介紹了設備運行狀況及分析超標的原因，希望對燈泡貫流式機組運維人員判斷設備狀況、分析設備振動原因有一定借鑒意義。