陳泓宇，楊偉坡，黃運(yùn)福

清遠(yuǎn)抽水蓄能電站影響機(jī)組振動(dòng)主要部件的分析

陳泓宇，楊偉坡，黃運(yùn)福

（調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電公司清遠(yuǎn)蓄能發(fā)電有限公司，廣東 清遠(yuǎn) 511583）

介紹了清遠(yuǎn)蓄能電站1號(hào)機(jī)組調(diào)試過(guò)程振擺情況，對(duì)影響振擺情況的主要設(shè)備從設(shè)計(jì)、制造、安裝過(guò)程進(jìn)行了分析與控制，為后續(xù)電站提供一個(gè)有價(jià)值的參考。

清遠(yuǎn)；電站；振擺；分析

0　緒言

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)規(guī)范，要求水電企業(yè)應(yīng)加強(qiáng)規(guī)劃或加強(qiáng)在建水電機(jī)組前期管理，嚴(yán)格按照國(guó)家與行業(yè)規(guī)范的振動(dòng)區(qū)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。機(jī)組在運(yùn)行中出現(xiàn)微小的振動(dòng)是允許的，但振動(dòng)過(guò)大會(huì)造成機(jī)械連接件的松動(dòng)或造成某些部件有害的彈性變形和塑性變形，使一些零、部件材料發(fā)生疲勞、裂紋以致斷裂，縮短了機(jī)組設(shè)備的使用壽命。因此，振動(dòng)是衡量機(jī)組設(shè)計(jì)、制造、安裝質(zhì)量的一個(gè)綜合性技術(shù)指標(biāo)，也是機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定性的基本表現(xiàn)形式，所以在制造、安裝階段將機(jī)組振動(dòng)控制在盡可能小的范圍意義重大。

蓄能機(jī)組水頭高、轉(zhuǎn)速高、起停頻繁，轉(zhuǎn)輪設(shè)計(jì)要兼顧水輪機(jī)和水泵兩種運(yùn)行特性，因此在振動(dòng)控制方面要求較為嚴(yán)格?？刂茩C(jī)組振動(dòng)，要從機(jī)械、水力和電磁方面入手，確定機(jī)組特征頻率，尋找造成機(jī)組振動(dòng)偏大的原因。清遠(yuǎn)抽水蓄能項(xiàng)目土建設(shè)計(jì)，廠房樓板釆用1m厚板、1機(jī)1縫分縫結(jié)構(gòu)，并針對(duì)水力激振頻率對(duì)廠房建筑物影響課題進(jìn)行了專(zhuān)題計(jì)算研究，為減小廠房振動(dòng)提供了有利條件。本文僅從機(jī)械、水力和電磁方面入手，介紹對(duì)振動(dòng)影響較大的機(jī)組主要部件在制造安裝過(guò)程中的質(zhì)量管控。

1　水力因素方面控制

流道中的每個(gè)部件都將通過(guò)計(jì)算流體力學(xué)（CFD解析）進(jìn)行優(yōu)化。

1.1轉(zhuǎn)輪的特性

水輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)影響最重要的不好控制的因素或者變素是轉(zhuǎn)輪特性。清遠(yuǎn)蓄能電站采用長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪，其具有多個(gè)葉片可以降低葉片負(fù)荷、抑制部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)輪內(nèi)部發(fā)生的流體的偏向，以及二次流的發(fā)生,在壓力脈動(dòng)、振動(dòng)等方面優(yōu)于常規(guī)葉片轉(zhuǎn)輪，同時(shí)廠家針對(duì)長(zhǎng)葉片和短葉片翼型分別進(jìn)行CFD優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)長(zhǎng)葉片和短葉片的進(jìn)出口角，短葉片到相鄰長(zhǎng)葉片背面開(kāi)口的大小等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使機(jī)組在部分負(fù)荷條件下尾水管壓力脈動(dòng)大大降低，可以使轉(zhuǎn)輪直徑減小，從而提高轉(zhuǎn)輪效率，改善水輪機(jī)工況下的“S”區(qū)不穩(wěn)定性問(wèn)題。

1.2蝸殼

清遠(yuǎn)蝸殼結(jié)構(gòu)形式為螺線形，其目的是為了使流道進(jìn)口到流道末端的平均流速保持圓周恒定，固定導(dǎo)葉進(jìn)口的流動(dòng)角度盡可能的保持一致，引導(dǎo)著水流平緩地進(jìn)入固定導(dǎo)葉。

1.3固定導(dǎo)葉與活動(dòng)導(dǎo)葉

考慮到轉(zhuǎn)輪葉片總數(shù)量10的組合中可能產(chǎn)生的轉(zhuǎn)輪振動(dòng)模式的情況，活動(dòng)導(dǎo)葉的數(shù)量定為16個(gè)，固定導(dǎo)葉的個(gè)數(shù)也定為16。固定導(dǎo)葉和活動(dòng)導(dǎo)葉之間的圓周相對(duì)位置的確定是為了使在水力最大開(kāi)度時(shí)的水力損失最小。

1.4尾水管

尾水管形狀優(yōu)化的目的是為了使水輪機(jī)水流進(jìn)口和出口之間水力損失達(dá)到最小。清蓄電站尾水肘管足夠長(zhǎng)（高11500mm，長(zhǎng)17000mm），用以消除偏流現(xiàn)象和水泵工況中轉(zhuǎn)輪進(jìn)口的紊流現(xiàn)象。

2　轉(zhuǎn)動(dòng)部件的控制措施

水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的重心不在機(jī)組的旋轉(zhuǎn)中心線上，則靜止時(shí)有一個(gè)不平衡力矩存在。這種由于轉(zhuǎn)子偏重所產(chǎn)生的離心慣性力對(duì)機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)部分具有周期性的強(qiáng)迫作用，因而可引起機(jī)組的受迫振動(dòng)。所以在制造安裝階段盡可能采取一切措施減小轉(zhuǎn)動(dòng)部件的不平衡非常有意義。

2.1大軸

在合同談判和設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)階段，要求廠家對(duì)軸系加工采用同床鉆鉸工藝，以達(dá)到嚴(yán)格每一個(gè)細(xì)節(jié)，最終獲得加工偏差遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)允許公差的較為理想的軸線。盤(pán)車(chē)過(guò)程中清蓄1號(hào)機(jī)組各導(dǎo)軸承軸領(lǐng)及法蘭盤(pán)的擺度0.011～0.015mm/m，遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值0.02mm/m，運(yùn)行中設(shè)備振動(dòng)0.17～0.47mm/s，遠(yuǎn)低于規(guī)范允許值1.6mm/s，大軸振擺均在優(yōu)良區(qū)。

2.2轉(zhuǎn)輪

清蓄轉(zhuǎn)輪采用了較為先進(jìn)的5長(zhǎng)5短長(zhǎng)短葉片轉(zhuǎn)輪，在能量轉(zhuǎn)換、空化、壓力脈動(dòng)及剛強(qiáng)度等方面都具有很大的優(yōu)點(diǎn)。在轉(zhuǎn)輪制造過(guò)程中嚴(yán)格控制轉(zhuǎn)輪的鑄造質(zhì)量、加工精度及焊接質(zhì)量，為了最大程度上降低轉(zhuǎn)輪殘余不平衡質(zhì)量誘發(fā)或加劇其水力不平衡的可能性、降低運(yùn)行振擺、進(jìn)一步提高機(jī)組長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行質(zhì)量，經(jīng)與東芝水電協(xié)商，最終將水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪靜平衡等級(jí)由ISO19406.3級(jí)提高到ISO19402.5，把轉(zhuǎn)輪外徑側(cè)允許殘余不平衡質(zhì)量從2.23kg降為0.885kg，大大提高了轉(zhuǎn)輪的運(yùn)行均衡度。

同時(shí)轉(zhuǎn)輪葉片焊縫探傷標(biāo)準(zhǔn)提高。轉(zhuǎn)輪焊接過(guò)程中，按照ASME標(biāo)準(zhǔn)對(duì)每一個(gè)焊縫都進(jìn)行UT、MT、PT探傷檢查，加工完成后，按照CCH70-3標(biāo)準(zhǔn)再次對(duì)所有焊縫進(jìn)行MT和PT探傷檢查，確保每一道焊縫的質(zhì)量滿足要求。

轉(zhuǎn)輪進(jìn)行殘余應(yīng)力測(cè)定。委托浙江中能工程檢測(cè)有限公司在轉(zhuǎn)輪熱處理后進(jìn)行了X射線殘余應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試使用國(guó)際一流的Proto-IXRD型便攜式X射線應(yīng)力分析儀，測(cè)試過(guò)程嚴(yán)格按照SL547-2011《水工技術(shù)結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力測(cè)試方法—X射線衍射法》和GB/T7704-2008《無(wú)損檢測(cè)X射線應(yīng)力測(cè)定方法》，轉(zhuǎn)輪殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果為84.5MPa，遠(yuǎn)小于要求值國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定±150MPa。

2.3磁軛

發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子九段厚環(huán)板磁軛疊裝時(shí)，經(jīng)與廠方代表多次協(xié)商進(jìn)一步完善其傳統(tǒng)工藝而使用“最小二乘法”測(cè)量計(jì)算偏心值的規(guī)范工藝，通過(guò)施工人員精心施工，磁軛整體偏心值0.07mm遠(yuǎn)小于允許偏差0.15mm；轉(zhuǎn)子整體（含磁極）0.04mm的偏心值遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)標(biāo)。

2.4水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件安裝不平衡控制

清蓄電站轉(zhuǎn)輪與主軸的螺栓固定采用壓板形式，即用一個(gè)壓環(huán)將螺栓整體固定，而在壓環(huán)與螺栓間需要墊入一定量不銹鋼墊圈，這一步對(duì)靜平衡有一定影響。在轉(zhuǎn)輪與主軸組裝時(shí)，預(yù)先抽檢聯(lián)軸螺栓的外形尺寸，確保尺寸一致。在安裝螺栓后，要求穿入螺孔的深度一致，使墊入的不銹鋼墊圈數(shù)量也一致；壓環(huán)與主軸下法蘭面之間有幾十處焊縫，在盡量做好螺栓緊固和止動(dòng)的前提下，在焊接時(shí)嚴(yán)格按圖紙要求控制好焊角高度、長(zhǎng)度，確保焊縫均勻分布，達(dá)到質(zhì)量平衡分布目的。

2.5軸線的調(diào)整控制

清蓄電站機(jī)組是半傘式結(jié)構(gòu)，推力軸承采用彈簧簇支撐，具有自適應(yīng)調(diào)整的特點(diǎn)，且安裝鏡板的法蘭面與大軸軸線的垂直度已經(jīng)在制造過(guò)程中嚴(yán)格控制。要得到較好的軸線必須要保證鏡板安裝的水平。安裝過(guò)程中通過(guò)不帶轉(zhuǎn)子、帶轉(zhuǎn)子兩次盤(pán)車(chē)對(duì)軸線進(jìn)行測(cè)量，采用在下機(jī)架與基礎(chǔ)間加墊的方式調(diào)整軸線，最終獲得非常好的軸線。盤(pán)車(chē)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1、表2。

表1　1號(hào)機(jī)組水輪機(jī)和下端軸單獨(dú)盤(pán)車(chē)數(shù)據(jù)

表2　1號(hào)機(jī)組整體盤(pán)車(chē)數(shù)據(jù)

2.6動(dòng)平衡

根據(jù)額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行情況，對(duì)1號(hào)機(jī)組進(jìn)行了兩次配重。首次試加，在轉(zhuǎn)子上部5、6號(hào)磁極間的4.96kg和0.575kg螺栓去除，在上部12、13號(hào)磁極之間加8.6kg質(zhì)量塊和螺栓，總重量9.36kg。振動(dòng)和擺度均比動(dòng)平衡前有明顯減小，擺度各測(cè)點(diǎn)一倍頻基本在100μm以?xún)?nèi)，上機(jī)架和下機(jī)架振動(dòng)均較小。但上導(dǎo)擺度的判定值為200μm，略為偏大，決定對(duì)1號(hào)機(jī)組進(jìn)行動(dòng)平衡調(diào)整，進(jìn)一步減小上導(dǎo)擺度幅值，將轉(zhuǎn)子上部2、13磁極間9.3拆除，在11、12磁極間安裝13.8kg質(zhì)量塊。質(zhì)量塊安裝完畢后，428.6r/min轉(zhuǎn)速發(fā)電方向空載工況下大軸擺度數(shù)據(jù)和機(jī)架振動(dòng)數(shù)據(jù)來(lái)看，一倍頻幅值均已較小，除頂蓋垂直方向，其他振動(dòng)測(cè)點(diǎn)幅值均較?。ㄒ?jiàn)表3）。

表3　428r/min大軸擺度和機(jī)架振動(dòng)數(shù)據(jù)

至此，1號(hào)機(jī)組發(fā)電方向空轉(zhuǎn)工況下的動(dòng)平衡達(dá)到較理想水平。

3　磁拉力的控制措施

電磁振動(dòng)的干擾力主要來(lái)自發(fā)電機(jī)電氣部分的電磁力，引起電磁振動(dòng)的主要因素是轉(zhuǎn)子繞組短路和空氣間隙不均勻，它們直接造成磁路不對(duì)稱(chēng)，產(chǎn)生磁拉力不平衡。這方面主要在安裝和制造階段控制定子機(jī)座和轉(zhuǎn)子磁極的精度著手。

3.1定子機(jī)座

廠家工藝方案只要求對(duì)機(jī)座組合縫的外縫進(jìn)行封口焊接，2013年8月5日測(cè)量發(fā)現(xiàn)機(jī)座焊后部分定位筋座的圓度和垂直度超標(biāo)，其中：29個(gè)測(cè)點(diǎn)半徑值超標(biāo)，最大偏差值-0.59mm（允許偏差±0.375mm）；32根定位筋座的垂直度超標(biāo)，最大傾斜值0.65mm（基準(zhǔn)筋傾斜允許值不大于0.15mm，其余筋不大于0.25mm）。發(fā)生超標(biāo)的主要原因是廠家的定子機(jī)座組裝工藝方案不完善，未充分考慮機(jī)座焊接變形對(duì)定位筋座圓度和垂直度的不利影響及其應(yīng)對(duì)措施。決定采取使用千斤頂和手拉葫蘆頂撐收拉機(jī)座、內(nèi)縫焊接反變形調(diào)整機(jī)座、預(yù)裝定位筋測(cè)量后打磨筋座等處理方案。2013年9月7日完成了相關(guān)處理，定位筋座圓度和垂直度的最終實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)滿足規(guī)范和廠家技術(shù)要求。為防止后續(xù)機(jī)組施工發(fā)生類(lèi)似問(wèn)題，經(jīng)過(guò)廠家設(shè)計(jì)部門(mén)充分論證，修訂了定子機(jī)座組裝工藝方案，在機(jī)座組圓后取消組合縫的外縫焊接。最終使得定子機(jī)座鴿尾筋座任意位置至中心柱距離相對(duì)差只有0.06、0.03、0.01、0.05mm（遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值0.1mm）；定子鐵芯上下部最大值與最小值之差0.82mm、0.16mm，也遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)允許偏差1.5mm。最終鐵芯的圓度得到有效控制。

3.2定子鐵芯疊裝

定子鐵芯沖片材料選用磁導(dǎo)率高、單位損耗低、無(wú)取向的優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片，厚度分為0.35mm普通片和0.5mm特殊片。定子鐵芯采用分5段疊裝，相鄰兩層錯(cuò)開(kāi)1/2沖片搭接疊裝,疊一段要用整形棒整形保證尺寸。定子鐵芯采用上、下齒壓板壓緊結(jié)構(gòu)，通過(guò)設(shè)置于鐵芯背部的拉緊螺桿壓緊，并依靠螺桿上端加裝碟簧,以保證長(zhǎng)期運(yùn)行后，定子鐵芯仍能夠保持給定的壓力，疊壓后鐵芯內(nèi)徑和槽型尺寸應(yīng)滿足設(shè)計(jì)精度要求。

3.3轉(zhuǎn)子磁極

轉(zhuǎn)子磁極鐵心疊壓工藝更新改進(jìn)。清蓄電站磁極鐵芯長(zhǎng)度達(dá)3320mm，由于扎制鋼板的固有特點(diǎn)，磁極鐵心薄鋼板原材料沿扎制的垂直方向會(huì)存在一定的厚度偏差，因而引起磁極沖片在不同的部位的板厚也會(huì)存在一定的偏差，為了消除此偏差，磁極沖片排料方式進(jìn)行了合理編排，以有效減少同板差造成鐵芯靴部和T尾部疊壓時(shí)積累產(chǎn)生的縫隙。為了保證鐵芯拉緊螺桿伸長(zhǎng)量滿足設(shè)計(jì)要求，采用激光測(cè)長(zhǎng)儀對(duì)螺桿伸長(zhǎng)量進(jìn)行控制。

鐵芯在疊裝后增加用直尺檢查以確保整形良好，為了防止在壓機(jī)壓緊過(guò)程中出現(xiàn)扭曲，改進(jìn)了壓頭結(jié)構(gòu)，使壓力中心與沖片中心一致。在疊裝完畢后對(duì)磁極端板傾斜、旁彎、平直度等均進(jìn)行了嚴(yán)格的檢查，以保證鐵芯的外形尺寸滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及組裝要求。

3.4轉(zhuǎn)子組裝

轉(zhuǎn)子磁軛為9層磁軛環(huán)疊裝方式，無(wú)需螺栓固定，中心體間與磁軛、磁軛與磁極間均采用冷打鍵組合楔形鍵固定，磁軛環(huán)分層疊裝時(shí)，逐層控制磁軛環(huán)與中心體的間隙值，從而保證所有鍵的打入深度盡可能保持一致。1號(hào)機(jī)組磁軛鍵與磁極鍵打入深度偏差控制在±1mm范圍內(nèi)，很大程度上減少了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子的不平衡因素。

磁極在工廠裝配后稱(chēng)量，到現(xiàn)場(chǎng)后按指定的方掛裝，以達(dá)到重量靜平衡。然而，磁極的引線按設(shè)計(jì)圖紙從一側(cè)引出，磁極的引線及固定件將是單側(cè)分布，這些部件是轉(zhuǎn)子主要的不平衡量，所以在動(dòng)平衡時(shí)，配重主要是平衡這一部分重量。

4　機(jī)組調(diào)試情況簡(jiǎn)介

4.1定中心和瓦間隙調(diào)整

軸線的定中心基準(zhǔn)是以上止漏環(huán)的中心為基準(zhǔn)進(jìn)行調(diào)整。雖然軸線的擺度值不大，但在瓦間隙調(diào)整中應(yīng)考慮盤(pán)車(chē)的擺度方位和大小。調(diào)整時(shí)，要求以保證相鄰的瓦間隙差不能大于0.02mm。通過(guò)1號(hào)機(jī)組的瓦間隙調(diào)整效果來(lái)看，各軸瓦的瓦溫值都在設(shè)計(jì)范圍，狀態(tài)良好。

4.2調(diào)試振動(dòng)情況

清蓄1號(hào)機(jī)組整機(jī)調(diào)試自2015年9月4日開(kāi)始，至10月底全部結(jié)束。調(diào)試期間，對(duì)1號(hào)機(jī)組的振動(dòng)檢測(cè)及調(diào)整也同步完成。最終無(wú)論在發(fā)電工況還是抽水工況，1號(hào)機(jī)組的軸系振動(dòng)均達(dá)到GB/T11348.5-2008標(biāo)準(zhǔn)的A級(jí)振動(dòng)水平，可長(zhǎng)期運(yùn)行。調(diào)試各階段機(jī)組振動(dòng)具體情況如下：

發(fā)電方向空載工況下，各部位振動(dòng)一倍轉(zhuǎn)頻分量0.5mm/s，其通頻值仍比較大，水導(dǎo)擺度和頂蓋振動(dòng)幅值波動(dòng)較大，此現(xiàn)象主要是水力不平衡引起的。在空載工況下導(dǎo)葉開(kāi)度（流量）比較小，是因流道內(nèi)水流比較復(fù)雜導(dǎo)致。

帶負(fù)荷時(shí)，部分負(fù)荷下檢測(cè)到低頻渦帯頻率，但幅值不大。240～260MW時(shí)渦帶頻率完全消失，機(jī)組振動(dòng)處于最佳狀態(tài)。滿負(fù)荷抽水工況運(yùn)行時(shí)，大軸擺度幅值較小，且非常穩(wěn)定，未出現(xiàn)波動(dòng)，說(shuō)明機(jī)組運(yùn)行平穩(wěn)，具體情況如表4、表5。

甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)，最高轉(zhuǎn)速發(fā)生在甩100%負(fù)荷過(guò)程，達(dá)到559r/min，未發(fā)生機(jī)械故障或異常聲音。該機(jī)組在甩負(fù)荷后，機(jī)組軸系擺度和機(jī)架振動(dòng)均未發(fā)生變化。

調(diào)相工況時(shí)，無(wú)論是PC工況還是GC工況，1號(hào)機(jī)組運(yùn)行都非常平穩(wěn)。

表4　各部位振動(dòng)情況　單位：mm/s

表5　各導(dǎo)軸承擺度情況　單位：um

5　結(jié)語(yǔ)

對(duì)振動(dòng)影響較大的機(jī)組主要部件在制造安裝過(guò)程中的質(zhì)量管控意義重大，清蓄電站制造和安裝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)有些重要部件適當(dāng)提高了標(biāo)準(zhǔn)，機(jī)組振動(dòng)達(dá)到了遠(yuǎn)優(yōu)于國(guó)標(biāo)的效果，可為類(lèi)似電站推廣和借鑒。

[1]劉玉斌.惠州抽水蓄能機(jī)組振動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].水力發(fā)電，2010（09）.

[2]王志剛.蓄能機(jī)組軸線問(wèn)題及機(jī)組運(yùn)行擺度偏高分析處理[J].水電站機(jī)電技術(shù)，2003（03）.

TV743

B

1672-5387（2016）08-0100-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.031

2016-06-29

陳泓宇（1975-），男，高級(jí)工程師，主要從事電站基建和電廠技術(shù)管理工作。