劉家溝水電站2號機組振動原因分析及消缺

向明

摘 要：針對巫溪縣劉家溝水電站2#機組運行振動值、擺度值偏大，在運行中多次觸發保護動作導致自動停機的情況，我們從電氣因素、水力因素、機械因素及機組工況等方面全面探尋了振動偏大的原因，通過對整個機組逐步進行排查，最終通過動平衡試驗，在轉子下端面加12Kg配重塊后，有效地消除了機組振動過大的缺陷。

關鍵詞：水電站;水輪機;機組振動

1引言

水電屬于可再生清潔能源，水電在推動能源生產和消費革命、促進節能減排、促進碳達峰、碳中和目標的實現、高效調控和開發利用水資源等方面的綜合效益持續顯現。2020年，我國水電裝機容量達3.7億千瓦，穩居世界第一。在水電站運行過程中，經常會遇到的水輪發電機組振動問題，機組振動對電站的安全運行和設備使用壽命帶來不利影響。水輪發電機組的運行工況比較復雜，引起機組振動的因素較多，振動的分析和消減難度很大，因此，研究機組振動產生的原因、危害，并提出防治措施，對提高機組的安全運行具有重要意義。

2電站概況

劉家溝水電站位于重慶市巫溪縣鳳凰鎮，為水庫式電站，電站裝機容量2×10MW，水輪機型號：HLA920-LJ-118，額定功率：10.417 KW，額定轉速：750r/min，飛逸轉速：1286r/min，額定水頭：190m，額定引水流量：5.908m3/s。劉家溝水電站首臺機組于2014年10月底成功并網發電，2014年11月2日第二臺機組并網發電。

劉家溝水電站機組投運時未進行動平衡試驗，機組運行幾個月后，發現上導瓦背有所損壞，電站組織技術人員重新盤車檢查軸線、調整瓦隙后，開機運行發現機組的振動值、擺度值仍超過國家標準。劉家溝水電站機組在運行過程中因振動值超標多次觸發保護動作，導致機組自動停機，影響到電站的安全運行。

3水輪發電機組振動產生的原因分析

水輪發電機組在實際運行過程中工況比較復雜，根據水電站實際運行管理經驗來看，水力振動、電磁振動和機械振動是常見的引起機組振動的主要因素。

3.1水力振動

水輪發電機組水力振動主要因機組負荷變化、發電水頭變化、機組過流部件的水壓力脈動和調速器系統震蕩等因素引起。例如，水輪機尾水管卡門渦列、渦帶誘發的機組振動均與水壓力脈動有關。

通過對劉家溝水電站2#機組在空載、2.5MW、5MW、7.5MW、10MW等幾個負荷工況和劉家溝水庫水位由正常蓄水位448m逐步降至最低發電水位426m左右下的運行振動值、擺度值進行測量，發現在不同負荷和水頭工況下機組振動值、擺度值變化不大。由此排除了該機組因水力振動導致振動偏大的可能。

3.2電磁振動

水輪發電機組電磁振動主要因機組設計參數不夠合理，或者未嚴格按照設計圖紙制造、安裝精度不夠，從而導致發電機工作時磁拉力不平衡，并由此引起的機組振動。例如，機組定子鐵芯松動、轉子旋轉中心偏移、轉子圓度不夠等均為造成發電機磁拉力不平衡的原因。

通過對劉家溝水電站2#機組設計參數進行復核，重新盤車檢查軸線、調整瓦隙、檢查轉子和定子安裝精度后，開機運行發現機組的振動值、擺度值仍超過國家標準。由此排除了機組因電磁振動導致振動偏大的可能。

3.3機械振動

水輪發電機組機械振動主要因機組的轉動部件質量不平衡、上導、下導或水導軸承間隙調整不合理，或者機組轉動部件重心偏移引起。我們在運行過程中最常見的是機組轉動部件質量不平衡，由此引起弓狀回旋，進而導致機組振動。

2015年6月30日，劉家溝水電站委托成都坤瑞安科技有限公司對2#機組進行了動平衡試驗。試驗儀器使用英華達公司生產的EN900便攜式振擺儀，擺度傳感器使用德國申克公司生產的IN081電渦流一體化傳感器，振動傳感器采用德國申克的VS068/069速度傳感器。根據《水輪發電機組啟動試驗規程》（DL/T507—2002）規定，結合電站高轉速機組的特點進行測點布置，測試工況包括機組空轉、動平衡試驗、空載試驗、機組帶負荷試驗。

3.3.1開機過程機組的振擺數據分析

（1）低轉速運行時，機組振動、擺度監測及數據分析。當機組在低轉速137.8轉/分、223.4轉/分、404.4轉/分、483.6轉/分運行時，從機組振動、擺度監測數據和軸心軌跡圖分析可以看出，機組上導、下導、水導擺度的一倍頻幅值偏差比加大，說明機組盤車時軸線處理得比較理想。從波形圖來看，上導、水導擺度波形圖的重合性很差;上導、水導軸心軌跡成三角形。說明機組轉動部件尤其是水導處存在嚴重的摩擦、碰撞。

（2）開機過程，（變轉速）機組的振擺數據分析。從上機架水平振動與轉速的關系曲線看，振動與轉速成二次曲線;從擺度與轉速的關系曲線來看，擺度的幅值與轉速成一次（正比例）曲線。機組存在質量不平衡。

（3）額定轉速時，水輪機轉動部件仍然存在摩擦、碰撞。機組振動、擺度超過國家標準，需要進行動平衡試驗。

3.3.2 動平衡試驗

首先在轉子下端面加配重4.2Kg（試配）后，機組的振擺數據有所減小。通過試配后計算，二次在轉子下端面共加了12Kg配重塊。開機后機組的振動、擺度明顯減小，水輪機轉動部件的碰撞基本消除，機組的振動、擺度數據均符合國家標準（《水輪發電機組安裝技術規范》GB/T8564—2003）。規范要求：轉速在375≤n<750范圍的機組，機組運轉時，機組運行擺度（峰值）應不大于軸承總間隙的75%;帶導軸承支架的水平振動小于50微米，帶推力軸承的垂直振動小于40微米，頂蓋水平振動小于30微米，頂蓋垂直振動小于30微米。通過分析得知水輪機轉動部件的碰撞是因為轉動部件的離心力作用，使得機組軸線擺度太大，其擺度大于轉輪上、下止漏環的間隙（單側最小間隙僅0.3mm）。本次動平衡試驗非常成功。動平衡試驗后，機組轉動部件的碰撞基本消除，機組運行穩定，機組安全穩定運行至今。

4水輪發電機組振動的危害

水輪發電機組運行過程中如果發生劇烈振動，將會造成機組轉動部件和靜止部件之間的摩擦加劇，進而影響機組零部件的使用壽命。機組發生經常性的振動將會引起相關部件金屬疲勞，從而可能使各部件的連接處和結合處發生松動，導致部件出現裂紋甚至斷裂[1]。當振源頻率與機組或電站廠房的固有頻率接近時，將會引起共振，可能引起機組解列，甚至造成水工建筑破壞。如果機組的振動值、擺度值長期超過允許值范圍，將不利于機組正常運行，嚴重時甚至會危及電站的安全運行 [2]。

5水輪發電機組振動的防治措施

通過對水電站水輪發電機組振動產生的主要原因進行探索分析，我們發現有些機組振動是不可避免的，但有些機組振動是可以消除的。所以，水電站運行管理人員只有盡量把機組振動控制在《水輪發電機組安裝技術規范》（GB/T8564-2003）允許范圍內，方能保障電站機組安全運行。

根據我們在劉家溝水電站運行管理實際中總結的一些經驗，避免或減輕、消除機組振動的一些常用措施如下：

（1）對因機組轉子質量不平衡，由此產生弓狀回旋而引起的振動，針對大中型低轉速水輪發電機組，可以在轉子組裝前對磁極、磁軛壓板、磁極引線等進行稱重，進行靜平衡計算。如果轉子不平衡質量超過規范要求，則需要在適當的位置進行配重，并進行動平衡試驗，并根據動平衡試驗結果調整配重，從而減小或消除由于轉子靜不平衡所產生的振動。

（2）對由于機組主軸出現不同心或折線而引起的振動，可以通過對機組進行盤車加以調整。

（3）對因發電機磁拉力不均勻引起機組振動，可以通過對軸線進行調整，使發電機空氣間隙均勻，從而消除或減小磁拉力不均勻引起的機組振動。

（4）對因上導、下導或水導軸承間隙過大、推力軸承各支柱變形過大引起的機組振動，可以通過盤車調整導軸瓦間隙、調整推力軸承各支柱的受力，從而減小機組振動。

參考文獻

[1]李啟章.對大型機組振動、裂紋問題的探討[J].水電站機電技術，2003（s1）：17-19.

[2]董毓新.水輪發電機組振動[M].大連理工大學出版社，1989.