劉 韋

（寶雞市馮家山水庫管理局，陜西 鳳翔 721405）

馮家山電站是馮家山水庫樞紐工程的一部分，由一、二級電站組成，位于渭河一級支流千河下游，地處陜西寶雞。一級電站為壩后式，主要配合干渠引水發(fā)電，機(jī)組運(yùn)行水頭和流量變幅較大，裝機(jī)兩臺，容量2×1250kW，水輪機(jī)采用HL123-LJ-120型，額定水頭17.5m，單機(jī)額定流量7.5m3/s。二級電站為引水式，主要以水庫棄水發(fā)電為主，由總干渠引水發(fā)電，裝機(jī)1臺，容量1×2000kW，水輪機(jī)型號為HL220-WJ-84，額定水頭46.6m，額定流量5.39m3/s。

水輪發(fā)電機(jī)組振動對水電站危害較大，是難以防治的故障之一，有設(shè)計(jì)、制造、安裝、運(yùn)行、檢修等方面的原因。如何治理運(yùn)行中機(jī)組振動，消減振動造成的危害是水電站的主要研究問題之一。本文以馮家山水電站為例，討論水輪發(fā)電機(jī)組振動故障的防治。

1 機(jī)組振動分析

1.1 機(jī)組振動的危害性

振動是旋轉(zhuǎn)機(jī)械不可避免的現(xiàn)象。對水輪發(fā)電機(jī)組而言，振動除了使機(jī)組效率降低，還會帶來一系列危害，甚至?xí){機(jī)組的正常運(yùn)行和安全，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1) 機(jī)組振動會造成某些部件的有害彈性變形和塑性變形，使一些零部件材料發(fā)生疲勞、裂紋及斷裂，引起機(jī)組零部件金屬焊縫中疲勞破壞區(qū)的形成和擴(kuò)大，使之發(fā)生裂紋甚至斷裂損壞而報(bào)廢。

2) 振動使機(jī)組各部位緊固連接部件松動，導(dǎo)致這些緊固件本身的斷裂，加劇其連接部分的振動，促使它們迅速損壞。

3) 振動加重機(jī)組轉(zhuǎn)動部件之間的相互磨損。

4) 尾水管中的水流脈動壓力可使尾水管壁產(chǎn)生裂縫，嚴(yán)重的可使整塊鋼板剝落。

5) 振動導(dǎo)致機(jī)組出力不足，運(yùn)行范圍縮小，壽命縮短。

6) 振動也可引起機(jī)組基礎(chǔ)廠房構(gòu)件和引水壓力鋼管等的共振，有時會釀成嚴(yán)重事故，可能使整個設(shè)備和廠房毀壞。

7) 過大的振動不僅導(dǎo)致機(jī)組運(yùn)行參數(shù)的波動，影響機(jī)組的負(fù)荷分配及供電質(zhì)量，縮短機(jī)組的使用壽命，危及電站安全運(yùn)行和電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1.2 機(jī)組振動原因

造成水輪發(fā)電機(jī)組振動的原因很多而且復(fù)雜，機(jī)組振動除了機(jī)器本身轉(zhuǎn)動或固定部分引起的振動外，還需考慮發(fā)電機(jī)的電磁力以及作用于水輪機(jī)過流部分的流動壓力對系統(tǒng)及其部件振動的影響。因此，一般將引起水輪機(jī)組振動的原因分為電磁、機(jī)械、水力三個方面。

1）電磁引起的振動。主要由發(fā)電機(jī)電磁不平衡引起，常見的有轉(zhuǎn)子磁極`線圈層間短路、勵磁回路兩點(diǎn)接地、空氣間隙不均勻、定子三相不平衡等。切除勵磁電流，空載運(yùn)行如振動消失，證明是電磁方面引起的震動。

2）機(jī)械引起的振動。主要有轉(zhuǎn)動部分重量不平衡、機(jī)組軸不正、主軸聯(lián)結(jié)不同心、軸承缺陷、推力或?qū)лS承調(diào)整不當(dāng)，以及靜、轉(zhuǎn)部分偏磨等。

3）水力引起的振動。如尾水管中渦帶引起振動、機(jī)組偏離最佳運(yùn)行工況區(qū)運(yùn)行、止漏環(huán)間隙不均、蝸殼及導(dǎo)葉引水不均的轉(zhuǎn)輪進(jìn)口水流沖擊、卡門渦列、空腔汽蝕、間隙射流等。將機(jī)組改調(diào)相如振動消失就是水力振動，如不消失即為機(jī)械振動。

2 機(jī)組振動防治方法

2.1 避振運(yùn)行

為滿足經(jīng)濟(jì)運(yùn)行要求，應(yīng)避開各臺機(jī)組出現(xiàn)振動和空蝕的運(yùn)行范圍。馮家山一級站為壩后式電站，主要結(jié)合灌溉引水發(fā)電，水頭、流量變幅大，最高水頭22m，最低水頭12m，灌溉期間為中、低水頭，小流量用水較多。在這種情況下，運(yùn)行主要以減小汽蝕和機(jī)組振動為主，降低機(jī)組故障率。對一級電站歷史運(yùn)行資料進(jìn)行了整理，找出了不同水頭下機(jī)組單機(jī)運(yùn)行的最小流量及當(dāng)時運(yùn)行工況。同時結(jié)合HL123-LJ-120型水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線，為了確保安全，降低汽蝕，減輕機(jī)組振動，單機(jī)運(yùn)行最小流量應(yīng)限制在4.5m3/s以上。水輪機(jī)導(dǎo)葉開度達(dá)到一定程度后，導(dǎo)葉開度再繼續(xù)增大，而功率變化量不大，導(dǎo)葉開度的增大反而破壞蝸殼中進(jìn)水流態(tài)，加重汽蝕，使機(jī)組振動加劇。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行及水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線，導(dǎo)葉開度達(dá)到88%時，不再增加開度，以減輕汽蝕和振動。

二級站為引水式電站，主要以水庫棄水發(fā)電，水頭變幅不大。運(yùn)行記錄表明當(dāng)導(dǎo)葉開度低于40%時，振動明顯，噪音增大。同時導(dǎo)葉開度超過85%時，再繼續(xù)增大，功率變化量不大，而機(jī)組振動加劇。結(jié)合實(shí)際運(yùn)行及HL220-WJ-84水輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)特性曲線，導(dǎo)葉開度限制在40%～85%之間運(yùn)行，以減輕汽蝕和振動。

2.2 尾水管適時適量補(bǔ)氣

水輪機(jī)在非設(shè)計(jì)工況下運(yùn)行時，由于轉(zhuǎn)輪出口處的旋轉(zhuǎn)水流及脫流旋渦和汽蝕等影響，在尾水管內(nèi)常引起水壓脈動。尤其是在尾水管內(nèi)出現(xiàn)大渦帶后，渦帶以近于固定的頻率在管內(nèi)轉(zhuǎn)動，引起水流低頻壓力脈動。當(dāng)管內(nèi)水流一經(jīng)發(fā)生，壓力脈動就會激起尾水管壁、轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、蝸殼、壓力管道的振動。渦帶壓力脈動對機(jī)組運(yùn)行的影響主要在于振動、擺度、功率擺動及其它附加影響。小水電站一般采用尾水管補(bǔ)氣來減少尾水管的渦帶壓力脈動，補(bǔ)氣效果的關(guān)鍵在于自然補(bǔ)氣的補(bǔ)氣量。水輪機(jī)尾水管真空度數(shù)值大，空蝕影響也大，數(shù)值小，水能得不到充分利用。

馮家山電站在機(jī)組偏離最佳運(yùn)行工況（一般是40%～70%的額定工況）時，運(yùn)行人員定時監(jiān)測尾水管真空表數(shù)值，當(dāng)真空度超過規(guī)定值時，調(diào)節(jié)補(bǔ)氣短管閥門開度，控制進(jìn)氣量的大小，使真空度維持在一定的數(shù)值。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，在海拔1000m以下地區(qū)，尾水管真空度數(shù)值一般以13.33～20kPa為宜。機(jī)組在高負(fù)荷狀態(tài)下補(bǔ)氣會導(dǎo)致效率下降，此時關(guān)閉補(bǔ)氣閥停止補(bǔ)氣，通過尾水管適量補(bǔ)氣可降低尾水管渦帶脈動壓力，減輕機(jī)組振動。補(bǔ)氣運(yùn)行中應(yīng)注意真空度不能太低，以免造成水能過量損失。

2.3 加強(qiáng)軸承維護(hù)

推力軸承存在缺陷，如推力頭與軸配合不嚴(yán)密、卡環(huán)不均勻壓縮、推力頭與鏡板間的墊變形或破壞等都會使機(jī)組的軸發(fā)生變化，致使運(yùn)行中大軸擺度忽大忽小，呈不穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)導(dǎo)軸瓦間隙不均勻、軸瓦及螺栓松動、軸承潤滑及冷卻不良、軸承與固定止漏環(huán)不同心等都會發(fā)生干摩擦，引起機(jī)組的橫向振動。軸線不符合要求和軸承缺陷引起的振動，通常與機(jī)組的轉(zhuǎn)速和出力相關(guān)，轉(zhuǎn)速提高、出力加大時振動更嚴(yán)重。

馮家山電站在檢修中注意機(jī)組軸線對正，將主軸旋轉(zhuǎn)中心線調(diào)到機(jī)組中心線上作為主要質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，若軸線與機(jī)組中心線產(chǎn)生較大差值，會對機(jī)組的安全、穩(wěn)定運(yùn)行十分不利。機(jī)組調(diào)整中心同推力瓦受力調(diào)整配合進(jìn)行。調(diào)整推力瓦受力時，要使轉(zhuǎn)輪位于轉(zhuǎn)輪室中心，并使各推力瓦受力均勻。調(diào)整導(dǎo)軸承間隙值大小，使電機(jī)軸法蘭、導(dǎo)軸承軸頸、集電環(huán)等各部件擺度符合規(guī)范要求。運(yùn)行中加強(qiáng)軸承監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，防止由于推力軸承和導(dǎo)軸承存在缺陷造成機(jī)組較大的振動或故障。

2.4 注重過流部件修復(fù)

水流通過蝸殼的作用形成環(huán)流,再通過分布均勻的固定和活動導(dǎo)葉均勻作用于轉(zhuǎn)輪激發(fā)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)，如果導(dǎo)水葉葉片、流道的形狀與尺寸差別較大，作用于轉(zhuǎn)輪的水流失去軸對稱時就產(chǎn)生一個不平衡橫向力，引起轉(zhuǎn)輪振動。其次當(dāng)水流繞流葉片時的卡門渦列可造成水輪機(jī)固定導(dǎo)葉、活動導(dǎo)葉和轉(zhuǎn)輪葉片的共振，發(fā)生共振時除噪聲大外，葉片的動應(yīng)力也很大，加上其頻率很高，極容易使水輪機(jī)發(fā)生疲勞甚至斷裂。此外水流通過水輪機(jī)時的空腔汽蝕、間隙射流等也會產(chǎn)生強(qiáng)烈振動和噪音。

馮家山水電站在檢修中，注重過流部件的修復(fù)，導(dǎo)葉間隙調(diào)整注意間隙大小均勻及導(dǎo)葉片表面粗糙度，使導(dǎo)葉葉道流速分布均勻，以減輕壓力脈動。轉(zhuǎn)輪汽蝕補(bǔ)焊修復(fù)注重葉片出水邊的厚度、葉型曲線及輪葉表粗糙度，以降低空蝕及渦列引起的振動。

3 振動防治效果

馮家山水電站根據(jù)站內(nèi)各臺機(jī)組振動的不同特點(diǎn)，確定各自不同但經(jīng)濟(jì)合理的防治方案。一級站振動防治方案以避振運(yùn)行、檢修中加強(qiáng)軸瓦維護(hù)為主，其它為輔助方法。二級站振動防治方案以避振運(yùn)行、機(jī)組偏離最佳運(yùn)行工況時尾水管適時適量補(bǔ)氣、檢修中注重過流部件修復(fù)為主，其它為輔助方法。自電站對機(jī)組振動進(jìn)行綜合防治以來，機(jī)組振動強(qiáng)度降低，大軸擺度符合要求，轉(zhuǎn)輪等過流部件檢修周期內(nèi)汽蝕程度降低，機(jī)組噪音減弱，運(yùn)行工況良好，延長了大修周期，降低了運(yùn)行成本，達(dá)到預(yù)期效果。

4 結(jié)語

水輪發(fā)電機(jī)組振動防治的方法很多，應(yīng)根據(jù)各臺機(jī)組的實(shí)際情況，分析水力、機(jī)械和電磁三者之間的相互影響，判斷引起振動的主要原因，振動部件的振動特性，并與機(jī)組過去的運(yùn)行工況進(jìn)行比較，通過認(rèn)真研究，再確定適應(yīng)機(jī)組特點(diǎn)且經(jīng)濟(jì)合理的防治方案，消減振動造成的危害，保證運(yùn)行安全，提高電站經(jīng)濟(jì)效益。

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[2]葉元端. 水力機(jī)組及輔助設(shè)備檢修[M]. 北京: 水利電力出版社, 1993.

[3]GB/T8564-2003 水輪發(fā)電機(jī)組安裝技術(shù)規(guī)范[S].