水電站機組異常振動分析

云南滇能（集團）控股公司 黃永凱 錢 剛 付忠林

1 引言

在水電站的安全、可靠和經濟運行過程中，水電站機組的穩定性是一個非常關鍵的問題。隨著水電站機組工作水頭和單位裝機量的增加，為保證其可靠、穩定地工作，對機組的振動、噪聲水平提出了更高的要求，另外還提出了相應的預防措施[1]。水輪機是一種具有轉動功能的機器，在其正常工作狀態下，均存在著一定的振蕩與搖擺，而過度的振蕩與搖擺不僅會對機組的平穩工作造成嚴重的危害，而且還會對機組的其他部件造成損壞，所以對水電站機組異常振動進行檢查和分析是確保整個水電站工作的關鍵。

2 研究背景

水電站的建設和運行都與環境保護和安全管理息息相關，由于水電站是利用自然水流轉化為電能的發電方式，深入了解水電發電技術的原理和發展歷程，認識到水電作為一種可再生能源的重要性，并了解到其在能源領域的應用前景。對于水輪機機組振動情況，水輪發電機在使用過程中所發生的強烈振動，可能導致機組零部件金屬和焊縫疲勞破壞區的形成和擴大，進而引發裂紋，甚至導致設備損壞，無法再使用。通過增加機組轉動部分的相互磨損，如大軸劇烈擺動使軸與軸瓦溫度升高造成軸承過熱，并發生損毀。同時，需要關注發電機轉子的過滑環與電刷的磨損情況，進一步讓電刷冒火花，嚴重的還可能會造成電廠廠房乃至整個水工結構發生共振，造成大量機組工作人員睡眠質量下降，嚴重影響了整個機組的安全。因此，水電站機組的穩定問題也成為一個長期困擾著水力發電企業的普遍問題。因而，對水輪發電機組中的振動、噪聲進行精確的診斷和解決的需求也變得日益緊迫。為找出造成水電站機組異常振動的根源，本文已作出了一個初期的檢驗。以某個機組為例，其各部位振動值見表1。

表1 機組各部位振動值（單位：mm）

水輪發電機組參數見表2。

表2 水輪發電機組參數

3 可能引起機組振動的原因分析

水電站機組在設計、制造、安裝、檢修以及運行過程中出現的問題，都將會導致水電站機組在運行過程中出現產生一些振動[2]。如果振動超出了容許范圍，就會對機組的安全和使用年限產生不利的影響。從可能引起機組振動的情況來看，一般有三個方面的因素，分別是水輪機的水力方面、電磁方面以及機械方面。

3.1 水力方面原因分析

水力失衡、尾水管壓力低頻波動、空腔氣蝕、卡門渦串以及間隙射流均是引起水電站機組異常振動的原因。而且，在工況不良好的條件下以及瞬態過渡工作的條件下，水電站機組可能會因為水流條件的變差，使得系統的各個部分的振動顯著增加。在機組運轉過程中，還可能會發生強烈的振動還會伴隨著一些奇怪的聲響。可以推測，這可能是因為在轉輪的葉片之間存在著一些外來物質，這些外來物質不均衡地流入到轉輪中，會形成了一個水力不均衡的橫向力，從而導致轉輪的振動產生異響，這些外來物質會跟一些固定的零件發生碰撞，從而導致了一些異響。所以，在停止供水后，工作人員們將蝸殼的入口開啟，然后查看轉輪的上、下漏環和轉輪葉片，在轉輪的葉片中沒有發現任何東西，由此可以確定尾水管中水力不穩定是由轉輪引起的。尾水管內由于水力失穩，使其產生周期性波動，壓力脈動施加在機組上進而引起振動。在某一時刻，在水輪機尾水管內產生渦滯，導致其流量周期改變，引起水壓波動及管道壁面振動。如果水輪機自由振蕩頻率與水輪機自激振蕩頻率一致，就會產生共振，將會嚴重威脅機組的安全。對此，工作人員在高、低水頭下（有一定的開口量）進行了機組啟動測試，發現振動的聲音不能被去除，緊接著對轉輪的葉片進行了檢測，發現也沒有出現裂縫，所以可以將這個因素進行了排除。

由于防漏圈的不對稱，使得流入防漏圈內的水流不均衡，從而造成了防漏圈的橫向壓力，引起防漏圈的振動[3]。經檢測，轉輪下端進行止漏操作，四周達到均勻狀態。但實際測試中發現，三面的縫隙非常一致，其中約1/4的縫隙最大，接近1mm，遠大于設計的0.3mm，所以可以推斷出上止漏不均勻是造成裝置振動的一個重要因素。

3.2 電磁方面可能引起振動的分析

機組的振幅隨著電機勵磁電流增加而上升，這是繞組短路和空氣間隙的不均勻性等原因所致。在機組運行中，由于電機勵磁電流逐漸增加，諧振效應愈發顯著，振幅逐步擴大。當發電機三組不對稱工作時將導致三相不均衡，三相不均衡的電流進而導致三相線圈中出現正、負兩套旋轉磁場。當負序磁場靠近轉子縱軸時，由于氣隙較小，產生的磁力線較多，這樣就使得轉子與定子之間不能產生較大的作用力。因此，負序磁場和轉子之間的作用力不斷變化，最終引發了機組的振動。通過監測三相電流，發現三相不均衡的不均衡都在夫定區之內，這表明三相不均衡并不是造成三相不均衡的主要因素。

另外，導致了機組振動的原因之一是磁場周期性變化產生的磁張力，還有一個原因就是定子、轉子之間存在著不均衡的氣隙，這種振動現象在機組停機后，對定子、轉子之間的空氣間隙進行測量，發現其滿足裝置和設計的需求，這就表明與這個因素沒有關系。除此之外，由于發電機發生了突發性的短路，導致磁場不平衡，使得發電機組經歷了強烈的振動。然而，對發電機轉子的一點接地保護進行詳細檢測時發現，該保護裝置的響應極為靈敏。觀察發電機過流保護記錄的電流曲線，未發現數值躍動情況。因此，可以排除這種情況對機組異常振動的影響。當日天氣良好，基本不會出現打雷的情況，可以排除因打雷造成的設備損壞的情況。可見，造成機組振動的因素并非發電機根本因素。

3.3 機械方面原因分析

水輪機和發電機在設計和生產過程中出現的問題，其在裝配和調試過程中出現的問題都可能是造成這些水電站機組異常振動的主要原因。機器的振動是由機器各部件之間的摩擦引起的。因為轉子的質量不均衡導致其在旋轉的時候會因離心慣性力的影響，使主軸發生扭曲，導致機器出現振動。但是，由于本機的轉子和主軸都是在工廠中進行過熱套和動靜平衡測試的，且本來就是平穩的，所以可以消除轉子的不均衡的因素。

另外，機組的軸線不正也可能會造成機組在運行中產生橫向和縱向振動，最終引發回旋效應。這種現象不但會對推力軸承和導軸承有較大的沖擊，而且會使離心慣性力變大，導致振幅增加。為了確保機組的平穩運行，需要詳細分析軸線不正可能帶來的振動影響，采取相應的振動控制策略，降低對機組關鍵部件的損害，并提高水電站機組的運行效率。

在一定的運行周期內，機組可能會因為某些因素導致系統的軸心發生變化。由于推力頭大軸線安裝不緊密，卡環受力不均衡，推力頭與反射鏡之間的隔熱片發生了扭曲和損壞，使機器的裝置振動。拆開上部導向器后將推力瓦拔出，只見其表面光滑，沒有任何摩擦的跡象。將推力頭抽出來后，仔細觀察了一下鏡片的密封圈，見其完好無損，所以這個原因也可以排除。

另外，導軸承可能也有缺陷瑕疵，機組運行過程中，因軸承松弛、剛度不夠、運轉不平穩和缺少潤滑時都將發生摩擦造成逆弓回轉，也就是橫向振動。如果軸承的間隙太小時，轉動軸的振動就會傳遞到軸承和底座上，而軸承的間隙太大時，轉動軸的振動就會增大。此外，又怕因軸承的縫隙變化造成大軸的移動，進而與上導向的油蓋板產生撞擊，在工作人員們對上導向的油蓋板進行了檢測后，要注意上油蓋板主軸的縫隙，四面都要一致，以滿足安裝的需求。但是后來測得的導瓦的間隙較大，最大誤差為0.02mm，從而將其剔除。這很有可能是由于主軸密封座與研磨盤發生了摩擦和撞擊而產生的振動和噪聲，在維修后對主軸密封座與磨板進行了檢測，沒有發現摩擦碰撞的跡象，這也不是最重要的原因。

根據分析，發現機組的振動主要是由于轉輪上的止漏環間隙不平均所造成的。但是，由于外部的原因，不能從外部來判斷是否會出現異常的聲音，也就不能啟動。所以，決定對機組進行拆除維修。

4 水電站機組異常振動的處理

為了讓水電站機組正常運行，將對機組進行一些必要的處理。

首先，對水電站機組的頂蓋進行修補，在修補的時候先去掉原來的兩個圓弧形狀的鋼圈，再將頂蓋的緊固止漏環的內壁旋轉1.5cm，增加內部嵌入的鐵環的厚度，并考慮到內部嵌入的鐵環的加工性，然后在內部嵌入的鐵環上形成一個“梅花型”的鐵環，以確保焊縫的強度。在此過程中，要確保鐵環內部的表面光潔和圓度，尤其是錨焊部位要打磨光滑平整，不要有太多的凸起，要確保在加工過程中的定位及止漏量符合設計的容許偏差。其次，再次調節導瓦的間距，對拆卸掉的上導瓦、下導瓦、水導瓦等進行檢測，觀察瓦后撐桿螺釘是否有松動、裂紋現象，對有拉伸的導瓦展開打磨修理，根據盤車的資料，再重新分配并調節導瓦的間距。最后進行轉輪的更換操作：因為轉輪上冠外緣磨壞了，在短時間內很難維修，所以采用了替換新轉輪的辦法，將新轉輪送到了工廠，并對其進行了檢驗，同時對連軸后的轉輪也進行了同樣的檢驗。對施工過程中的施工質量進行了嚴格的監控，按照工藝流程對每一道工序都進行了檢查，確保了施工質量達到了技術標準。

5 結語

由于修理頂蓋、替換轉輪、拆解重裝這些流程，導致了大量的經濟損失。在上一次檢修中，由于檢修時對頂蓋緊固漏環的修復方法錯誤，導致了設備的振動及轉輪的損壞。后來由于葉輪損壞降低了葉輪的使用壽命。在檢修的過程中，由于監管制度缺失，缺少對外加工零配件質量的監管，導致其在制造過程中未進行葉身零件的檢驗，從而影響了葉身的使用壽命。經過對頂蓋處的緊固漏環進行維修，對轉輪進行了更換操作，并按照盤后對導瓦間隙進行了重新調節，從而有效地消除了機組在運行過程中產生的強烈振動和異響，該機組在經過了一次檢修后這些問題都已經全部解決，一直到現在都處于一種安全運行的狀態。