立式水輪發(fā)電機組垂直振動的分析及處理

陳曉明，彭祖賢，張 華

(國電恩施水電開發(fā)有限公司，湖北 恩施 445000)

水輪發(fā)電機組振動是機組運行中一種非常有害的現(xiàn)象，它嚴(yán)重威脅著機組的供電質(zhì)量、機組的使用壽命和安全經(jīng)濟運行。引起機組振動的因素很多，主要包括機械振動、水力振動和電磁振動三類。我國現(xiàn)行的水輪發(fā)電機允許振動值見表1。

表1 水輪發(fā)電機組各部位振動允許值表 mm

立式機組振動常見表現(xiàn)為水平振動超標(biāo)，水平振動通過轉(zhuǎn)速試驗、動平衡試驗、勵磁試驗、負荷試驗，確定振動原因，進行有針對性處理可以解決水平振動問題。在高水頭立式混流水輪發(fā)電機組中，因水力因素更加復(fù)雜，導(dǎo)致水輪發(fā)電機組發(fā)生垂直振動超標(biāo)現(xiàn)象，這類垂直振動分析處理更加復(fù)雜。

1 機組垂直振動分析處理實例

1.1 基本情況

某水電站2臺立式混流水輪發(fā)電機組，結(jié)構(gòu)型式為懸吊型，額定水頭238 m，單機額定容量25 000 kW，轉(zhuǎn)速600 r/min。自2012年投運以來，1號機組垂直振動值長期超出規(guī)范要求，2號機組垂直振動值在規(guī)范允許值附近。自2014年初至2018年底，電站對1號機組進行了3次A修，重點針對發(fā)電機及推力軸承檢查分析，針對檢查發(fā)現(xiàn)的問題，先后復(fù)核調(diào)整了機組高程，發(fā)電機定子、轉(zhuǎn)子相對高程，對上機架底部進行加固增加剛性，處理更換推力軸承支柱螺栓配合間隙偏大的缺陷[1]，完成機組配重試驗并增加配重塊，開展了轉(zhuǎn)速試驗、勵磁試驗、負荷試驗等分析，每次檢修后，水平、垂直振動能夠降低至規(guī)范附近，但垂直振動源未徹底消除，隨著運行時間延長，垂直振動值又逐步增大超出規(guī)范要求。

1.2 振動原因分析

2019年，為徹底解決1號機組振動問題，電站組織對1號機組進行了全面系統(tǒng)分析，再次開展了負荷試驗、配重試驗，新增了頂蓋排水試驗。

1.2.1 機組配重及負荷試驗情況

表2和表3為1號機組2019年檢修后配重及負荷試驗實測數(shù)據(jù)。

表2 配重前振動值實測數(shù)據(jù)表 μm

表3 配重后振動值實測數(shù)據(jù)表 μm

從以上數(shù)據(jù)分析，通過機組動平衡配重試驗，水平振動值明顯降低，但垂直振動值無明顯改善。

1.2.2 水力因素分析

機組振動主要是機械振動、水力振動和電磁振動三類，綜合前幾次A修對發(fā)現(xiàn)問題的處理分析，排除了機械和電磁因素導(dǎo)致垂直振動大的影響，重點針對水力因素分析。

1)機組結(jié)構(gòu)分析。圖1為機組導(dǎo)水機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪裝配局部結(jié)構(gòu)圖。

圖1 機組導(dǎo)水機構(gòu)、轉(zhuǎn)輪裝配局部結(jié)構(gòu)圖

從結(jié)構(gòu)圖中可見，為減少水輪機容積損失，轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)均設(shè)計有梳齒式止漏環(huán)結(jié)構(gòu)，其中，轉(zhuǎn)輪直徑1.63 m，轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)止漏環(huán)單邊間隙設(shè)計為1～1.2 mm，上下梳齒單邊間隙設(shè)計值為0.85～1 mm，在上下梳齒至轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)止漏環(huán)之間，分別有A、B兩腔，機組運行過程中，受上下梳齒止水的影響，A、B兩腔均會產(chǎn)生水壓，B腔水壓對轉(zhuǎn)輪形成向上頂托力，抵消部分軸向水推力，同時產(chǎn)生1個水平徑向分力，該結(jié)構(gòu)常應(yīng)用于較高水頭混流式機組結(jié)構(gòu)中。在上梳齒后，設(shè)有6根頂蓋排水管，通過轉(zhuǎn)輪上冠上部設(shè)置的泵板，排除上梳齒漏水[2]。

2)水力分析及驗證。該結(jié)構(gòu)中，A、B兩腔壓力值受上下梳齒間隙值及同心度影響，其中B腔若存在壓力不均勻，就可能產(chǎn)生不均勻的向上頂托力，引發(fā)水力自激振動，導(dǎo)致機組垂直振動[3]。因A、B兩腔均未設(shè)計測壓管，現(xiàn)場難以新增。為驗證垂直振動可能來源于B腔壓力脈動，研究確定在6根排水管上增加閥門，通過減少頂蓋排水管泄流量，調(diào)整上梳齒后部壓力值，改變軸向水推力，測量機組在不同工況下的振動值進行綜合分析。不同工況對比如表4。

表4 不同階段振動、擺度測量表 μm

第一階段：關(guān)閉頂蓋2根排水管,負荷10 MW工況數(shù)據(jù)。

第二階段：關(guān)閉頂蓋4根排水管，負荷25 MW工況數(shù)據(jù)。

第三階段：最后兩根排水管閥門關(guān)閉1/2，負荷25 MW工況數(shù)據(jù)。

第四階段：最后兩根排水管閥門關(guān)閉3/4，負荷25 MW工況數(shù)據(jù)。

通過4個階段分析，隨著頂蓋排水管過流面減少，壓力上升，增大了轉(zhuǎn)輪向下的軸向水推力，導(dǎo)致振動、擺度略微下降。

圖2為水導(dǎo)擺度變化趨勢圖。

圖2 水導(dǎo)擺度變化趨勢圖(第二、第三、第四階段)

從圖2分析，每次閥門操作后，機組振動、擺度值迅速下降，在此工況下運行3～4 min，振動、擺度值又恢復(fù)到以前數(shù)據(jù)，第四階段工況，機組振動、擺度值下降明顯。通過以上數(shù)據(jù)分析，減少頂蓋排水泄流量、增加轉(zhuǎn)輪上部水壓，可改善機組運行工況，初步確認了垂直振動源來自于A、B腔壓力脈動，通過增大轉(zhuǎn)輪上部水壓，可抵消部分壓力脈動，降低垂直振動值。

3)壓力脈動產(chǎn)生來源。從圖1的機組結(jié)構(gòu)中可看出，機組實施A級檢修時，現(xiàn)場只能測量、控制轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)止漏環(huán)間隙，對于上下梳齒間隙值，安裝就位后現(xiàn)場不能測量。上梳齒的間隙值及同心度需要頂蓋加工確保，下梳齒的間隙值需要加工確保，而同心度需要現(xiàn)場安裝調(diào)整確保[4]。也就是該結(jié)構(gòu)型式，在機組安裝時，除需保證頂蓋、底環(huán)兩處止漏環(huán)部位同心度外，還需保證下固定梳齒、頂蓋梳齒、頂蓋止漏環(huán)、底環(huán)止漏環(huán)4部位同心度，在前3次A修過程中，均未檢查復(fù)核下固定梳齒同心度。因上下固定梳齒均可能存在同心度超標(biāo)，導(dǎo)致上下梳齒間隙不均勻，A、B腔內(nèi)形成壓力振蕩，引發(fā)水力自激振動。

1.3 處理及試運行

2019年底，再次對1號機組A修檢查處理。拆卸過程中，發(fā)現(xiàn)頂蓋梳齒、轉(zhuǎn)輪下環(huán)梳齒及下固定梳齒對稱側(cè)有明顯磨損痕跡，進一步證實了我們的分析。將頂蓋、轉(zhuǎn)輪、下固定梳齒、底環(huán)等過水部件修復(fù)加工，實測各梳齒配合間隙尺寸，參考《水輪機設(shè)計手冊》[5]設(shè)計值，將轉(zhuǎn)輪上冠、下環(huán)止漏環(huán)單邊間隙增大至1.9 mm左右，梳齒單邊間隙值增大至1.5 mm左右。頂蓋與上梳齒在廠內(nèi)固定后，同鏜加工，整體運輸，現(xiàn)場不再拆卸，轉(zhuǎn)輪復(fù)測葉片節(jié)距、開口值，消除葉片之間水力不平衡的影響，對轉(zhuǎn)輪作靜平衡試驗。因下固定梳齒就位后無法調(diào)整，優(yōu)化現(xiàn)場回裝工序，以下固定梳齒為基準(zhǔn)，重新復(fù)核調(diào)整頂蓋止漏環(huán)、底環(huán)止漏環(huán)同心度在規(guī)程范圍內(nèi)，檢修完成后，機組運行振動測試數(shù)據(jù)表5。

表5 檢修后振動值實測數(shù)據(jù)表 μm

通過調(diào)整上下梳齒、上下止漏環(huán)間隙值及同心度，機組各類工況下振動值均較以前降低，進一步明確了機組垂直振動根源。相對于中低水頭混流式機組，該機組垂直振動值雖然在規(guī)程范圍內(nèi)，但仍然偏大，分析主要原因為上下梳齒間隙難以完全均勻，A、B兩腔壓力脈動始終存在難以徹底消除，只是振動量值及對機組運行穩(wěn)定性影響有所減小。該機組經(jīng)過半年多時間運行，振動值無明顯變化，運行情況良好。

2 結(jié) 語

高水頭混流式機組，為減小軸向水推力，在機組局部結(jié)構(gòu)上，往往和中低水頭機組存在細微差別，通過本次機組垂直振動的處理，在同類型機組結(jié)構(gòu)設(shè)計及安裝階段，可以進行以下優(yōu)化：

1)設(shè)計階段增加A、B腔測壓管及壓力監(jiān)測，其中B腔可考慮增設(shè)外圍環(huán)管，起到B腔周邊聯(lián)通均壓作用[5]，在上梳齒后增加壓力監(jiān)測。

2)規(guī)范高水頭混流式機組梳齒間隙取值，適當(dāng)降低A、B兩腔運行期間壓力值，降低壓力脈動幅值。

3)頂蓋上部梳齒在制造廠內(nèi)同鏜加工后，整體運輸，不再拆卸。

4)導(dǎo)水機構(gòu)預(yù)裝階段，應(yīng)以下固定梳齒為基準(zhǔn)，定位底環(huán)和頂蓋，嚴(yán)格控制預(yù)裝階段同心度偏差值，該類型機組，偏差值應(yīng)較中低水頭混流式水輪機安裝標(biāo)準(zhǔn)更小，盡量降低梳齒間隙不均勻值。