水力發電機組振動故障與排除措施分析

國電投重慶新能源科技有限公司 姚海洋

1 水力發電機組振動故障的發生特點

在水力發電機組的投用運行過程中，振動故障是相當常見的故障類型之一。同時，結合我國水電站、水電廠的既往工作情況來看，水力發電機組振動故障也是水電生產風險防范與水電設施監控檢修的重點關注對象。

1.1 多源性特點

水力發電機組的工作結構較為精密、復雜，其主要由水動力系統、機械系統、電氣系統三個部分組成，并包含有軸承、導葉、槳葉、蓋板、平衡管、控制環等數十種零部件。在生產運行過程中，只有保證各系統、各零件均處在健康狀態，水力發電機組才能具備安全、穩定的工作性能。換言之，任一系統或任一零部件出現損壞或顯現病態，都會引發水力發電機組運行不穩定的問題，繼而發生振動故障。在此基礎上，由于誘發因素相對多樣，且分布在水力發電機組的多個部分，所以振動故障往往還有著頻發、多發的特征[1]。

1.2 積累性特點

結合行業經驗來看，水力發電機組振動故障極少有突然發生的情況，其形成與發作通常是積累性、漸進式的。一方面當機組內部出現零部件的松動、磨損、偏位等情況時，其原本協調穩定的運行狀態便會被打破，繼而形成相對細微的振動故障；若相關人員并未采取有效的干預手段，零部件的松動、磨損、偏位等病態便會不斷加深，機組振動現象也會更加劇烈；當零件異常程度、振動故障水平超出水力發電機組的最大承受范圍時，機組便會出現嚴重損壞、運行癱瘓等問題。

另一方面，當機組內部單一部位或零件發生異常時，相關系統的運行穩態也會受到侵擾。在此背景下，其他原本健康的零部件也會受到消極的帶動或影響，顯現出一定的病態。由此，水力發電機組帶病運行時間越長，其內部的受累零部件越多，振動故障也就會積累得越嚴重。

1.3 差異性特點

基于我國水利發電事業的蓬勃發展，水電站、水電廠中使用的水力發電機組已有多種類型，并在軸系布置、水流導向、參數設計、技術配置等方面存在很大區別。所以，不同水力發電機組的振動故障在成因、表現等方面通常有較大差異性。

2 水力發電機組振動故障的形成因素

2.1 水力因素

在水力發電機組的水動力系統運行時，水流會繞經旋轉中的導葉、槳葉等處，并在葉片兩側形成與其旋轉方向相反的規則渦流，即發生卡門渦街現象。這一現象發生后，機組內部過流部位會持續受到水流的擾動影響，繼而形成振動故障。此時，振動故障的具體發生頻率為。其中：f為機組故障部位（通常為過流部位）的振動頻率，ω1為受擾動葉片邊緣部位的水流流速，δ1為受擾動葉片邊緣部位的厚度，c為由雷諾數決定的奇偶系數。

在常規運行狀態下，水力發電機組中的水流往往是均勻旋轉、軸向流動的。但在負荷、水頭等方面存在異常時，水流的旋轉分量、流動方向很可能發生改變，繼而形成空腔、渦流等現象。在此背景下，不僅水流及相關過流部位的穩定性會受到影響，周圍的管道、零件等也會出現共振，從而導致明顯的振動故障。這種情況發生時，振動故障的頻率多與機組轉動參數有關，即f=n/p×z。其中：f為機組故障部位的振動頻率，n為機組轉速，p為機組轉頻，z為轉頻取值的控制系數，通常c=4或5，即取機組轉頻的1/4或1/5進行故障分析[2]。

當水力發電機組的水動力系統存在作用力不均、結構不合理等問題時，也會導致振動故障的形成。例如，若轉輪槳葉與后方活動導葉的數量、尺寸等不匹配，水流在經過兩處時便會發生一定的波動變化，繼而直接形成振動故障，或埋下機組運行穩態被破壞的隱患。一般來講，槳葉與導葉的匹配度越低，水流波動越劇烈，由此引發的振動故障也越嚴重。

2.2 機械因素

作為一種復雜精密的大型機械設施，水力發電機組的故障問題必然與其機械構造、機械運作存在高度關聯。首先，若水力發電機組的生產裝配質量不達標，或在儲運、保管等環節遭到碰撞、破壞等，其機械內構很可能會出現松動、偏移、形變等情況。如此一來，機組機械系統存在基礎性的故障問題，必然會在運行過程中出現振動、異響等負面情況。其次，在長期、持續的運行狀態下，水力發電機組會面臨多種作用力影響，如傳動力、慣性力、摩擦力等。在此基礎上，一旦機組內部的力學平衡體系出現變化，其機械系統的運行負荷將明顯增大，繼而形成局部過熱、異常振動等故障表現。

最后，在水力發電機組的機械系統中，軸承、齒輪、葉片、鏡板、導桿、傳動件等零部件必然會發生摩擦、碰撞等運行動作。由此，隨著機組運行時間的延長，相關零部件難免會出現磨損、形變、移位、松脫等消極改變，進而發生機械疲勞、材質老化、性能下滑等問題，最終導致振動故障的形成。

2.3 電氣因素

電氣系統出現運行缺陷，也是導致水力發電機組發生振動故障的常見原因。一方面若機組控制程序、控制信號在編制、傳輸、反饋等方面存在異常變化，相關電機設備、機械設備的運行參數將發生同步改變，繼而導致機組的穩定運行狀態遭受破壞。另一方面，若電氣系統中的鐵芯、線圈等硬件出現問題，如鐵芯松動、線圈短路等，也會引發直接性或繼發性的振動故障。

3 水力發電機組振動故障的排除措施

3.1 合理運用多種故障診斷方法

及時、準確地分析了解水力發電機組的運行狀態與故障情況，是有效排除振動故障的前提和基礎。所以，相關人員在開展故障處理實踐時，必須合理化、多元化地運用故障診斷方法。具體來講：首先，可運用簡單化、常規性的檢查手段實現機組故障的初步診斷。例如，當振動故障發生時，水力發電機組必然處在不穩定、不均衡的運行狀態下。此時，除了振動以外，機組往往還會有其他故障表征，如局部發熱、異常噪聲等。所以，相關人員通過聽、看、觸等方式，便能對故障影響部位進行大致的辨認確定。再如，零部件及線路的松脫、損壞既是導致振動故障的常見因素，也是振動故障的作用表現。所以，相關人員在實施振動故障的排查診斷時，可在機組停機狀態下進行拆機檢查，從而直觀判斷水力發電機組內部有無零件松動、零件變形、零件磨損、線路松脫、線路損壞等情況。

其次，可使用專業儀器設備對機組故障進行精密性的排查診斷。例如，在水力發電機組運行過程中，相關人員可使用檢測儀器獲取表面溫度、工作壓力、水流流速、水流流量、電流值、電壓值、轉動速度、轉動頻率等數據信息。如此一來，若某項或多項運行參數存在明顯的異常變化，或其實際數值已超出水力發電機組的健康運行標準，則表明相應系統、部位與振動故障存在關聯。

再如，在非運行場景下，相關人員可使用光譜法、頻譜法、色譜法、應變法等技術手段，對水力發電機組的性能參數、負荷閾值等信息進行掌握。如此一來，若發現機組某項靜態性能較出廠標準存在明顯劣化，則振動故障的形成或影響與該方面有關。在此基礎上，在掌握機組實際情況后，相關人員可進一步分析水力發電機組在生產運行中的工作環境、受力條件，從而實現機組適宜工況與生產實際工況的有效對照。通過這樣的方式，也能排查出誘發機組振動故障的外部因素，繼而為故障的解決排除夯實基礎[3]。

最后，在互聯網技術、大數據技術等先進科技大行其道的當下，相關人員也可采取智能化、數字化的振動故障診斷方法。例如，可在全面采集水力發電機組數據信息的前提下，在虛擬環境中創建機組的三維模型。其后，將不同控制標準、生產工況以數字化形式輸入建模平臺，即可動態模擬出機組的運行過程。如此一來，一方面能對機組振動故障的發生來源、作用機理、影響部位進行精確呈現，從而高效率、高質量地完成故障定位與故障分析。另一方面，也能對機組整體的病害規律、運行趨勢進行掌握，從而預先性地規避風險、消除故障。

3.2 明確掌握水電機組排障標準

在實施水力發電機組振動故障的排除處理時，相關人員應明確掌握相關技術規范與排障標準。只有這樣，才能保證應對振動故障時做到有據可依，進而將水力發電機組準確調整至良性運行狀態。例如，根據《水輪發電機組安裝技術規范》（GB 8564-2003），水力發電機組振動允許值的部分內容見表1。在此基礎上，相關人員處理振動故障時還需明確以下三點。

表1 水力發電機組的振動允許值

基于水力發電機組的工作特性，幾乎無法實現振動現象的完全消除。所以，僅需確保水力發電機組在運行過程中的振動參數始終處在允許范圍內即可；在水力發電機組內部，一旦出現共振現象，或零部件發生形變問題，振動故障的發展速度、危害程度往往會處于較高水平。因此，相關人員應在處理故障時保證，無論是在何種工況下，水力發電機組及其內部結構都不宜產生共振或變形；排除故障時，應意識到振動故障的多源性、差異性特點。所以，一方面要統籌關注多種系統部位與影響因素，盡可能實現風險源的全面治理。另一方面，要避免采取僵化的工作方法，應根據水力發電機組的具體參數、工況要求、技術類型、所處環境等實際情況，有針對性地實施診斷檢修、機組調試、零件更換等故障處理手段。

3.3 科學采取振動故障處理措施

水力發電機組振動故障的形成原因、發生部位、危害表現極具多樣性，且存在混發、繼發等聯動機制。所以，相關人員在采取處理措施、解決故障問題時，必須嚴格保證針對性、實效性。首先，在水動力系統方面，水力發電機組常見的故障表征有葉片卡門渦街、尾水管空腔、轉輪槳葉與后動導葉匹配性差等。對此，若為葉片問題，則可對槳葉、導葉實施修形處理，或直接將葉片更換為合適的材質、尺寸、數量。這樣一來，便能達成緩解渦流現象、避免水流擾動的目的，進而降低振動故障的發生概率與影響程度。若為尾水管問題，則可對相應部位實施補氣處理，從而避免尾水管渦流的形成，防止空腔、空蝕等情況發生。此外，適當減小機組水動力系統的運行負荷，也可達到減輕振動的效果。

其次，在機械系統方面，水力發電機組常見的故障表征有軸系不正、軸系間距過大、傳動零件形變、軸承嚴重磨損、連接件松動等[4]。對此，若為靜態工況下的安裝問題，則可對機組機械系統的軸系布局、零部件方位等進行調整，并對松動連接件實施緊固處理，以便從根本上保證機械系統的協調平衡運轉。若為動態工況下的作用力影響問題，如摩擦影響、傳動影響等，則需要對形變、磨損的零部件進行更換，以確保機械系統質量達標，防止機組振動不規則或加劇化的情況發生。最后，在電氣系統方面，水力發電機組的振動故障多與線路短路、線圈松脫有關。對此，相關人員在排除故障時應收緊線圈并固定好定子、墊片等零部件。若已有電氣線路發生損壞，應及時進行更換。

綜上所述，振動故障的形成機理相對復雜，且對水電機組運行質量、水電生產綜合效益具有一定的負面影響。相關人員在應對處理振動故障時，既要保證故障診斷的精確性、合理性，也要保證故障排除的針對性、實效性。只有這樣，才能確保水力發電機組長期處在穩定、安全的工作狀態當中。