某水電站某機組異常振動試驗分析及檢修

閔占奎，陳柏旭，劉秀良，馬喜平，周政龍

(國網甘肅省電力公司電力科學研究院，甘肅 蘭州 730070)

0 引 言

水電機組在運行過程中受水力、機械和電氣三者影響，可能會出現各種類型的故障現象[1-3]。目前對水電機組運行故障的研究主要集中在采用不同算法進行診斷及分析[4-6]，但由于運行故障的復雜性、多樣性、不確定性和耦聯性，故障現象及故障形成機理間的映射關系十分復雜，單純依靠數學方法有時不能很好地解釋故障的形成原因，因此通過現場試驗對機組進行故障診斷就顯得十分重要[7]。

2018年8月，某水電站一號機因水輪機部件磨蝕損壞嚴重進行了緊急檢修，檢修完啟動時因振動問題機組只能帶1/3額定負荷勉強運行，不僅威脅機組安全，還影響電站發電效益。為分析該機組振動原因，進而制定處理方案，進行了全面穩定性試驗。本文通過該水電站一號機組某負荷區出現振動嚴重超標現象的實際案例，通過試驗分析了造成異常振動的原因，并總結提出了解決該問題的基本方法。

1 水輪機組及振動情況介紹

該水電站位于甘肅省甘南州迭部縣東南30 km處的達拉河上，規模為III等中型工程，壩高67 m，總庫容1740萬 m3，電站安裝3臺由富春江水電設備有限公司制造的17.5 MW懸式混流式水輪機發電機組，總裝機容量52.5 MW，多年平均發電量2.73億kW·h。工程于2003年6月底開工建設，首臺機于2007年6月啟動，3臺機于2007年8月全部并網發電。機組主要技術參數如表1所列。

2 試驗目的和依據

此次試驗的目的是測試分析一號機檢修運行穩定性特性，如果存在動不平衡問題則通過配重處理，重點分析機組帶負荷運行至某一工況時突然出現劇烈振動、迫使機組減負荷運行的故障原因，并提出處理措施建議。試驗依據有GB/T 17189-2007《水力機械(水輪機、蓄能泵和水泵水輪機)振動和脈動現場測試規程》和GB/T 8564-2003《水輪發電機組安裝技術規范》。機組振動、擺度值標準要求見表2(GB/T 8564-2003)。

表1 機組主要技術參數

表2 水輪發電機組各部位振動允許值 /μm

3 試驗測量方法

試驗測量項目包括：

(1) 上導擺度-X、-Y，下導擺度-X、+Y，水導擺度+X、+Y，采用7200和3300型電渦流傳感器測量，傳感器通過磁力表座安裝。

(2) 上機架水平振動+Y、垂直振動+Y，下機架水平振動+Y，發電機定子外殼水平振動+Y，頂蓋水平振動+X、垂直振動+X，測量傳感器用MSL低頻振動型位移傳感器，用傳感器自帶的磁力座安裝。需要說明的是，由于頂蓋本體上無法安裝振動傳感器，傳感器安裝在水導軸承座上，所以測量值比頂蓋本體振動值要大。

(3) 蝸殼、頂蓋腔和尾水管水壓脈動值各一點，測量傳感器用3277型壓力傳感器。

(4) 機組轉速(鍵相)，用光電傳感器測量，位置在水導+Y側。

(5) 發電機端電壓和機組功率。

試驗工況包括無勵變轉速、額定轉速變勵磁、并網變負荷等工況，具體試驗工況見表3、4所列。

試驗流程為機組切手動運行，依次讓機組穩定運行在選定的試驗工況，并在每個試驗工況運行約五分鐘后，同步自動采樣記錄各測量值。

4 試驗結果及分析

4.1 變轉速和變勵磁試驗

為了了解一號機旋轉體質量力和電磁力對穩定性的影響，首先測試了不同轉速和不同勵磁電流條件下機組各部位的振動、擺度值和水壓力脈動等參數，試驗數據見表3(表中：上游水位：2260.75)。圖1是機組各部位水平振動和擺度值轉頻幅值與轉速平方的關系曲線。

表3 電站一號機變轉速、變勵磁試驗數據

續表3 電站一號機變轉速、變勵磁試驗數據

由于導葉漏水量較大，開機后轉速最低只能穩定在435 r/min，所以測試從此轉速開始，最高為額定轉速。預測到發電機電磁力平衡狀態較好，變勵磁試驗只進行了0、50%和100%額定電壓三個工況。

圖1 機組各部位水平振動和擺度值轉頻幅值與轉速平方的關系曲線

從變轉速試驗數據看，機組各部位振動和擺度值隨機組轉速的升高而增大，但除頂蓋水平振動和水導擺度值超過標允許值外，其余量都在允許范圍內，這說明發電機轉子的質量平衡狀態尚可，但水輪機轉輪有較明顯的動不平衡現象。變勵磁試驗數據顯示，隨發電機勵磁電流增加，即隨發電機端電壓的升高，機組各部位的振動和擺度值變化不大，說明發電機電磁力平衡狀態良好。

4.2 變負荷試驗

從變轉速、變勵磁試驗數據知道，一號機振動異常與質量不平衡和電磁不平衡關系很小。為了準確分析水力原因造成的振動，變負荷試驗進行了兩次，測試了不同負荷(不同導葉開度)工況下機組各部位的振動、擺度和壓力脈動等，以綜合分析水力因素對機組運行穩定性的影響。測量數據見表4，圖2是第一次變負荷試驗振動、擺度和壓力脈動通頻幅值與機組功率的關系曲線。

表4 電站一號機變負荷試驗數據

從表4數據和圖2趨勢圖知道，機組在1 000 kW、2 000 kW、3 000 kW、4 000 kW工況運行正常，各部位振動、擺度值并不大，但負荷升到4140 kW時，突然出現劇烈振動，振動、擺度值成倍增加，同時出現了明顯的振動噪聲，威脅安全，被迫減負荷運行。機組功率從4 000 kW(運行正常)增加到4 140 kW(劇烈振動)時，上導擺度值從140 μm/-X和132 μm/-Y增大到303 μm/-X和319 μm/-Y；下導擺度從204μm/-X和255μm/+Y增大到421 μm/-X和453 μm/+Y；水導擺度值從272 μm/+X和160 μm/+Y增大到965 μm/+X和724μm/+Y；上機架水平振動值從24 μm/+Y增加到203 μm/+Y，上機架垂直振動值從71 μm/+Y增加到101 μm/+Y；下機架水平振動值從10 μm/+Y增加到23 μm/+Y；發電機定子外殼水平振動值從16 μm/+Y增加到133 μm/+Y；頂蓋水平振動值從119 μm/+Y增加到2142 μm/+Y，頂蓋垂直振動值從181 μm/+Y增加到2 150 μm/+Y；蝸殼、頂蓋和尾水管壓力脈動值變化很小，但頂蓋壓力值從292 kPa瞬時減小到168 kPa。頂蓋壓力突然下降，主要是劇烈振動出現時引起機組抬機，造成轉輪上迷宮間隙減小，使進入頂蓋的水流減小所致。

圖2 機組各部位振動、擺度和水壓脈動通頻幅值與機組功率的關系曲線

第二次變負荷試驗結果和第一次情況類似，但第二次試驗時劇烈振動出現的功率是5 500 kW，即強振出現的功率向大負荷移動了。造成這一現象的可能原因有：①由于水流的復雜性，水輪機所受的力每時每刻不一定相同，導致振動特性發生變化；②機組經過幾次開停機和經歷幾次劇烈振動后，機組構件之間的連接性能會發生一些變化，導致組合體固有頻率改變，進而引起振動特性變化。

5 振動原因分析

從變轉速、變勵磁試驗結果知道，發電機轉子質量軸對稱特性和電磁力平衡特性良好，變負荷試驗表明，蝸殼、頂蓋和尾水管壓力脈動值較小，壓力脈動不是造成該機組異常振動的原因。但這次試驗，與以前試驗相比，最大的特點是頂蓋的振動值增加了幾十倍(以前未做負荷工況試驗)，這說明振動源在水輪機部分。

圖3是第一次變負荷試驗時不同負荷下各部位振動、擺度頻譜圖(圖中從右到左依次是0 kW、2 000 kW和4 140 kW工況)，圖4是第二次變負荷試驗典型部位振動、擺度頻譜圖，工況是5 500 kW。

從圖3、4中可以看出，異常振動出現時其主頻發生了顯著變化，即運行正常時主頻為轉頻10 Hz，而劇烈振動發生時，除了轉頻外，出現了16～19 Hz左右的高頻分量，而且所占比重較大(由于劇烈振動出現時，頂蓋的振動值超過了傳感器測量量程，頻譜無法得到，測得的頂蓋振動值也不準確)，這為典型的自激振動。自激振動是系統受自身運動的反饋能量激勵引起的振動，其振動頻率接近于系統的固有頻率，其振動烈度與振動體的強度和剛度有關。

圖3 第一次試驗不同運行工況振動擺度頻譜圖

圖4 第二次試驗5 500 kW工況典型測點頻譜圖

另外，從圖3、4可知，第一次試驗出現劇烈振動時轉頻外的主頻率約為18.7 Hz，第二次試驗出現劇烈振動時轉頻外的主頻率約為16.7 Hz左右，比第一次試驗時低了，而且各部位的振動、擺度值也小了。也就是說，頻率越接近于固有頻率，振動強度就越大，有趨近于共振的傾向。對本機組來講，誘發自激振動的能量，就是水輪機所受的水力，主要是水輪機迷宮間隙壓力不均勻、水輪機過流不對稱等。由于水輪機部分未進行全面的系統性檢修，致使水輪機迷宮間隙均勻性很差，活動導葉開口、轉輪葉片開口偏差較大，造成水輪機受力與設計相差較大，為自激振動的產生埋下了隱患。另外，也不能排除水導軸承潤滑油渦動產生自激振動。由于液體具有一定的可壓縮性，故水流和軸承潤滑油渦動誘發的自激振動有一個特點，就是其振動頻率不會是轉頻的倍數。

從自激振動產生的原理可以知道，只要改變了系統的參數，就可以避免自激振動發生，如系統頻率、構建剛度和強度、動靜部件間隙、水流流態等。

6 結論及建議

(1) 發電機轉子的質量平衡狀態和電磁力平衡狀態良好，但水輪機轉輪存在一定量質量不平衡和水力不平衡，建議把活動導葉開口和轉輪葉片進出口通過檢修調均勻，并對轉輪做靜平衡試驗。

(2) 機組一定負荷工況下出現的劇烈振動，是由轉輪迷宮間隙內的水壓力或水導軸承潤滑油渦動誘發的自激振動，建議對水輪機部分進行全面的檢修，尤其是對上、下動靜迷宮環按設要求進行檢修恢復，使迷宮間隙滿足設計要求，并把水導軸承間隙做適當調整。

(3) 檢修安裝時，不僅要軸線滿足設計要求，同時對上導、下導和水導軸承間隙和發電機空氣間隙、水輪機迷宮間隙等調整均勻同心。

(4) 考慮到機組推力瓦溫偏高，設法減小頂蓋腔壓力，以減小水推力，如適當減小上迷宮間隙、加大頂蓋排水管尺寸、轉輪上冠上開泄水孔等，減輕推力軸承載荷。

該機組按照以上方案檢修處理后投運時，各種工況下運行狀態良好，達到了安全穩定運行的目標。