蔡 燕 生， 李 東， 燕 飛

(1.四川電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610072；2.龔嘴水力發(fā)電總廠，四川 樂山 614900)

0 引 言

水輪發(fā)電機組振動是機組運行中一種非常有害的現(xiàn)象，它嚴(yán)重影響機組的供電質(zhì)量，威脅著機組安全、穩(wěn)定運行和使用壽命[1]。機組振動按照振源分為水力、機械和電氣，其振動的復(fù)雜性主要表現(xiàn)在：幾種振源同時存在，需要分清主次關(guān)系；既有個別部件振動，又有部件的耦聯(lián)振動；既有迫振和共振，又有倍頻共振和自激振動[2]。目前，解決機組振動問題的方法主要包括，一是在設(shè)計方面，以理論研究為基礎(chǔ)，優(yōu)化改進結(jié)構(gòu)、水力、電磁設(shè)計以減少振動對機組運行穩(wěn)定性的影響；二是在制造和安裝方面，采用新材料、新工藝和先進制造技術(shù)，優(yōu)化安裝工藝，減少機組轉(zhuǎn)動部件的不平衡重量，從而提高運行穩(wěn)定性；三是在運行方面，通過原型觀測或機組狀態(tài)監(jiān)測，如機組各部位振動監(jiān)測、發(fā)電機氣隙監(jiān)測、水輪機空蝕監(jiān)測和壓力脈動監(jiān)測等[2]，為解決機組振動提供依據(jù)；四是在檢修和試驗方面，在變轉(zhuǎn)速、變負荷、變勵磁和調(diào)相等工況下，測量機組各部件振幅、頻率、周期和相位等，運用時域波形分析法[3]、FFT變換等對機組振動進行分析，并通過水輪機尾水管補氣，減小或消除轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡[4]等方法加以解決。實踐證明這些方法較好地解決了實際生產(chǎn)中發(fā)生的機組振動問題。

針對增容改造后的龔嘴水電站2F水輪發(fā)電機組(以下簡稱2F機組)仍存在較大振動問題，本文通過對未補氣和補氣條件下穩(wěn)定性試驗數(shù)據(jù)的分析，并與實際運行數(shù)據(jù)進行分析對比，探討解決該型機組振動的辦法并提出意見和建議。

1 基本情況

龔嘴水電站投產(chǎn)30多年來，水輪機過流部件磨損嚴(yán)重，轉(zhuǎn)輪、頂蓋、底環(huán)、導(dǎo)葉等主要部件的汽蝕嚴(yán)重部位的坑穴深度達到10 mm左右；轉(zhuǎn)輪葉片、導(dǎo)葉出水邊磨成刃口，止漏環(huán)間隙由2 mm磨大至20 mm，使機組停機漏水嚴(yán)重，水輪機最高效率從90%下降到86%左右，汛期單機最大負荷下降到85 MW左右。在運行過程中曾發(fā)生過轉(zhuǎn)輪葉片斷裂、轉(zhuǎn)輪泄水錐脫落、轉(zhuǎn)輪上止漏環(huán)脫落等嚴(yán)重威脅機組安全穩(wěn)定運行的事故，長期無法滿足安全經(jīng)濟運行的需要。為此，龔嘴水電站實施了水輪發(fā)電機組的增容改造，2002年11月至2012年03月，龔嘴水電站先后對全部水輪發(fā)電機組進行了增容改造，表1是改造前后水輪發(fā)電機組參數(shù)的對比表。

龔嘴水電站2F機組的改造是在對已改造的1F、5F機組改進的基礎(chǔ)上進行的，主要有四個方面：一是增加了大軸中心自然補氣裝置；二是增設(shè)了尾水錐管射流補氣裝置；三是增加了轉(zhuǎn)輪與頂蓋上止漏環(huán)間隙的高度，上止漏環(huán)間隙增加0.5 mm；四是減小了轉(zhuǎn)輪泄水孔排水面積與上止漏環(huán)縫隙面積比值。但是，增容改造后仍存在以下問題：第一空載運行時勵磁滑環(huán)擺度較大；第二頂蓋振動較大且振動負荷區(qū)間較大等，影響了機組安全穩(wěn)定運行，并使其優(yōu)越的調(diào)節(jié)性不能正常發(fā)揮。

2 穩(wěn)定性試驗主要內(nèi)容

表1 龔嘴水電站增容改造前后機組參數(shù)對比

針對龔嘴水電站2F機組振動情況，由四川電力調(diào)整試驗研究所進行了機組穩(wěn)定性試驗。

2.1 穩(wěn)定性試驗測量部位和參數(shù)

龔嘴水電站穩(wěn)定性試驗測量部位：①滑環(huán)、下導(dǎo)、水導(dǎo)擺度測量；②上機架、下機架、頂蓋和尾水門+X、+Y方位的水平、垂直振動；③蝸殼壓力、尾水管壓力脈動測量；④水輪發(fā)電機組電壓、功率、導(dǎo)葉開度、上/下游水位等。

2.2 穩(wěn)定性試驗項目及內(nèi)容

龔嘴水電站穩(wěn)定性試驗監(jiān)測項目及內(nèi)容如下：①啟動和停機試驗；②變轉(zhuǎn)速試驗：在各轉(zhuǎn)速下測量相關(guān)部位擺度和振動，檢查轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡；③變勵磁試驗：在不同空載額定電壓條件下測量各部位擺度和振動，檢查轉(zhuǎn)子的磁力不平衡；④帶負荷試驗：以每10 MW一個測點，在各負荷工況下測量機組相關(guān)部位擺度和振動。并進行補氣條件下的上述試驗。

3 水輪發(fā)電機組振動試驗分析

3.1 啟動和變轉(zhuǎn)速試驗分析

圖1是2F機組變轉(zhuǎn)速試驗時，在各轉(zhuǎn)速下，滑環(huán)、下導(dǎo)軸承、水導(dǎo)軸承處X、Y方位擺度的通頻幅值變化趨勢。圖2是在各轉(zhuǎn)速下，上機架、下機架和頂蓋的水平、垂直方向振動通頻幅值變化趨勢。

圖1 2 F水輪發(fā)電機組變轉(zhuǎn)速過程各部位擺度趨勢

圖2 2F水輪發(fā)電機組變轉(zhuǎn)速過程各部位振動趨勢

在試驗時2F機組轉(zhuǎn)速<50%ne時滑環(huán)擺度幅值較大，由圖1可知，各部位擺度隨轉(zhuǎn)速的增加而減小，但減小幅值不明顯，其中，滑環(huán)處擺度值較大，在100%額定轉(zhuǎn)速時，滑環(huán)X方向擺度約1 145 μm，轉(zhuǎn)頻分量523 μm，頻譜分析顯示存在幅值為189 μm的兩倍頻分量。下導(dǎo)擺度變化規(guī)律與滑環(huán)基本相同，但是幅值減少較小。圖2所示上、下機架垂直振動幅值隨轉(zhuǎn)速增加并不顯著，但是水平振動變化比較大。筆者認為：上述擺度和振動是滑環(huán)與主軸的對中不良所致。

由圖1水導(dǎo)軸承處+X、+Y方位擺度隨轉(zhuǎn)速增加均呈增加趨勢，增加值分別為79 μm、71 μm。圖2中，頂蓋的水平和垂直振動均隨轉(zhuǎn)速明顯增加，100%ne水平振動值較75%ne增加了2.27倍，垂直振動增加了3倍。尾水門水平振動也較大，振動頻率主要集中在0.5 Hz(0.34倍轉(zhuǎn)頻)附近，顯然這是由于水輪機不在最優(yōu)工況，導(dǎo)葉開度較小，轉(zhuǎn)輪進口水流為非無撞擊進口，出口水流也不是法向出口，水流流態(tài)紊亂引起振動。

3.2 變勵磁試驗分析

在變勵磁試驗中2F機組各部位擺度和振動隨勵磁電壓的變化趨勢如圖3、圖4所示。隨發(fā)電機勵磁電壓的增加，滑環(huán)、下導(dǎo)的擺度幅值及上、下機架的水平振動通頻幅值均有明顯的增大，水導(dǎo)擺度和頂蓋振動均變化很小。說明發(fā)電機存在一定程度的磁拉力不平衡。

圖3 2 F水輪發(fā)電機組變勵磁試驗各部位擺度趨勢圖

圖4 2 F水輪發(fā)電機組變勵磁試驗各部位振動趨勢

3.3 帶負荷試驗分析

圖5 2 F機組補氣前60 MW工況時上導(dǎo)+X擺度頂蓋+Y垂直振動、尾水門振動頻譜圖

圖5是龔嘴2F機組未補氣狀態(tài)下且功率為60 MW工況時的頻譜圖，從上至下依次為上導(dǎo)擺度、頂蓋垂直振動、尾水門振動；圖6是補氣狀態(tài)下相同工況相同測點的頻譜圖。限于篇幅，將10～110 MW各工況下的各測點的0.3、1、2、3、4倍轉(zhuǎn)頻及以上轉(zhuǎn)頻和相應(yīng)振幅的統(tǒng)計得到表2～4。機組轉(zhuǎn)頻值為1.47 Hz。

圖6 2 F機組補氣后60 MW工況時上導(dǎo)+X擺度、頂蓋+Y垂直振動、尾水門振動頻譜圖

由表2可知，補氣前上導(dǎo)處1倍轉(zhuǎn)頻的最大幅值出現(xiàn)在10～30 MW負荷區(qū)，振幅值為610～680 μm，40 MW以后隨著負荷的增加而逐漸減少，最小振幅為170 μm。補氣后，上導(dǎo)處1、2倍頻振幅的規(guī)律沒有顯著變化。其次，在0.3～0.4倍頻下，負荷為30、40、70、80、90 MW時上導(dǎo)振擺較大，其中在70、80 MW負荷時振幅最大，達到500μm、610μm，補氣后振幅減小不顯著。根據(jù)國內(nèi)外多年的工程實踐，一般在導(dǎo)葉開度為40%～70%，或最優(yōu)流量的30%～80%范圍時，尾水管中會出現(xiàn)低頻渦帶[5]。由此可知，2F機組存在低頻渦帶引起的振動。

表2 2 F機變負荷試驗上導(dǎo)擺度頻譜統(tǒng)計表 (單位：負荷/MW，振幅μm，轉(zhuǎn)頻Hz)

表3 2 F變負荷試驗頂蓋Y向垂直振動頻譜統(tǒng)計表 (單位：負荷/MW，振幅μm，轉(zhuǎn)頻Hz)

表4 2#變負荷試驗尾水門振動頻譜統(tǒng)計表 (單位：負荷/MW，振幅μm，轉(zhuǎn)頻Hz)

根據(jù)資料[5]，國外有制造廠建議將混流式水輪機運行范圍大致分成A、B、C、D四個區(qū)，A區(qū)為極低負荷運行區(qū)；B區(qū)為低部分負荷運行區(qū)，其振動主要與尾水管的旋轉(zhuǎn)渦帶有關(guān)，高部分負荷運行區(qū)，在不同水頭最優(yōu)流量的65%～90%工況，可發(fā)現(xiàn)高于轉(zhuǎn)頻的壓力脈動存在于整個流道中，其頻率常為1～5倍轉(zhuǎn)頻，且比較穩(wěn)定；C區(qū)又分為最優(yōu)效率運行區(qū)和滿負荷運行區(qū)；D區(qū)為超負荷運行區(qū)[5]。由表3可知，在0.3倍轉(zhuǎn)頻附近，補氣前后最大振幅均出現(xiàn)在30、40、50 MW負荷段，振幅為27 μm、12.5 μm、16.5 μm，約為其它負荷段的2～10倍，補氣后振幅還有明顯增加，其特征與B區(qū)低部分負荷運行特征比較接近，判斷其振動是由尾水渦帶造成的。

另外，1倍頻的振動，補氣前后較大振動值均出現(xiàn)在10～50、80、90 MW區(qū)域(72.7%～81.8%負荷段)，振動規(guī)律和振幅無明顯變化。2倍頻的振動，補氣前后在10～50 MW負荷區(qū)間振幅相對較大，其它負荷區(qū)振動較小。3倍頻和高倍頻振動的規(guī)律與2倍頻振動基本一致。上述2F機組振動現(xiàn)象與前述高部分負荷運行區(qū)的振動特征比較吻合。

此外補氣前后頂蓋垂直振動的變化規(guī)律基本相同，且存在0.67倍頻和1.36倍頻的振動，振動頻率無明顯的規(guī)律。

由表4可知，補氣前尾水門處的0.3倍頻振動在10～90 MW負荷區(qū)較大，振幅為210～700 μm，最大振幅出現(xiàn)在80 MW處；補氣后振動規(guī)律與補前基本相同，振幅為210～650 μm，最大振幅在40 MW處；機組負荷在100、110 MW區(qū)間，振幅減小2倍以上。0.68倍頻振動規(guī)律與0.3倍頻基本相同，僅振幅減小。在10～60 MW負荷區(qū)，1倍頻振動振幅為60～100 μm，70～90 MW負荷區(qū)振幅為10～20 μm，100～110 MW負荷區(qū)最?。?、3、4及以上倍頻的振動，隨倍頻數(shù)的增加其振動區(qū)間逐漸減小，且振幅也隨之減小。補氣后，振動的負荷區(qū)間縮小到10～50 MW，且振幅隨倍頻數(shù)增加而減小。

上述分析可見，尾水管內(nèi)存在0.3倍頻左右的低頻渦帶，也證實了低部分負荷區(qū)的振動與渦帶有關(guān)。此外機組在100～110 MW負荷區(qū)運行較為穩(wěn)定，穩(wěn)定運行區(qū)范圍較小且偏高。

值得注意的是通常在70%～75%負荷區(qū)，渦帶與機組同心同向，無螺旋，壓力脈動很小，對機組運行無擾動[5]，而龔嘴2F機組在64%～73%負荷區(qū)振幅為最大值，補氣后最大振幅移至45%以下負荷區(qū)。

3.4 采取補氣措施后2F機組實際運行狀態(tài)的分析

對2 F機組采取補氣措施后，通過調(diào)看2012下半年2 F機組的擺度和振動數(shù)據(jù)，其擺度測量部位為滑環(huán)、下導(dǎo)和水導(dǎo)的XY向等6個測點，振動測量部位為上機架、下機架、頂蓋的X、Y和垂直方向等9個測點，共計104 280條記錄，其有效記錄104 122條，各個測點有效記錄在6 900條左右，由各負荷區(qū)各測點振動平均值得出圖7。

由記錄可知，2F機組有94.26%的時間運行在90 MW及以上負荷區(qū)，運行穩(wěn)定性較好。由圖7可見，在≤72.7%負荷區(qū)頂蓋垂直振動數(shù)據(jù)失真，頂蓋水平、上機架垂直和下機架水平振動平均值均超過《規(guī)范》[6]規(guī)定的允許值0.11 mm，特別是頂蓋水平振動值大大超過允許值，達到300～390 μm。

4 總結(jié)及處理建議

通過對機組穩(wěn)定性試驗和實際運行數(shù)據(jù)的分析，筆者認為2F機組擺度和振動超標(biāo)的主要原因是：

(1)變轉(zhuǎn)速試驗滑環(huán)處擺度達到 1.045～1.278 mm，為[6]規(guī)定發(fā)電機集電環(huán)允許絕對擺度值0.5 mm的2倍以上，可能是主軸、勵磁機軸線不正或滑環(huán)橢圓等因素引起，建議調(diào)整勵磁軸線擺度，或測量勵磁滑環(huán)的圓度與同軸度，并加以修復(fù)。

另外，在變轉(zhuǎn)速試驗中，頂蓋、尾水門振動均呈增加趨勢，其原因是水輪機導(dǎo)葉開度較小，轉(zhuǎn)輪進、出口為非最優(yōu)工況，水流流態(tài)紊亂從而引起振動。

(2)隨著勵磁電流增加，滑環(huán)、下機架擺度以及上、下機架水平振動均呈現(xiàn)增大趨勢，且擺度超過[6]允許值0.08 mm和0.11 mm，說明機組存在一定的電磁力不平衡。需對定、轉(zhuǎn)子空氣間隙和轉(zhuǎn)子繞組匝間短路情況做進一步排查。

(3)變負荷試驗說明：尾水管內(nèi)除存在27.3%～45.5%負荷區(qū)低頻渦帶振動，還存在72.7%～81.8%高部分負荷區(qū)的振動。補氣對消除高部分負荷的振動效果較好，對低部分負荷區(qū)振動效果較差。尾水門處測得振動與頂蓋測振情況較為一致，低頻渦帶振動區(qū)范圍較大，為0～81.8%負荷區(qū)。

(4)試驗和實際運行記錄表明，2F機組基本上只能運行在81.8%以上負荷區(qū)，否則振動就十分嚴(yán)重，使水輪發(fā)電機組優(yōu)越的調(diào)節(jié)性能受到極大限制。建議對2F機組做調(diào)相運行工況試驗，進一步確認機組振動是由水力不平衡，還是電氣不平衡引起的。

(5)通過對運行記錄分析，筆者認為水輪機的水力設(shè)計較為偏重能量指標(biāo)，使其結(jié)構(gòu)強度降低，導(dǎo)致振動加劇，建議對水輪機轉(zhuǎn)輪進行建模仿真優(yōu)化水力設(shè)計，進行必要的技術(shù)改造，以改善水輪機穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)性能。

參考文獻：

[1] 閻宗國等，水輪發(fā)電機組轉(zhuǎn)子動平衡試驗[J]. 水力發(fā)電學(xué)報,2012，31(2)：235-239.

[2] 馬震岳、董 新.水電站機組及廠房振動的研究與治理[M].北京：中國水利水電出版社，2004.156-157

[3] 姚大坤、鄒經(jīng)湘、胡建文，水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子動平衡時-頻分析[J].水力發(fā)電，2005，31(8)：56-58

[4] 劉保生、姚大坤、胡建文，動平衡消除水輪發(fā)電機振動故障[J].大電機技術(shù)，2005，3：5-8

[5] 王玲花， 水輪發(fā)電機組振動及分析[M].鄭州：黃河水利出版社，2011.37-38，51-53

[6] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局 GB/T8564-2003《水輪發(fā)電機組安裝技術(shù)規(guī)范》[S]，北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2004