何 勇,楊小松,宋質(zhì)根
(重慶大唐國際彭水水電開發(fā)有限公司,重慶 409600)
混流式水輪發(fā)電機(jī)組定子機(jī)座水平振動超標(biāo)分析與處理
何 勇,楊小松,宋質(zhì)根
(重慶大唐國際彭水水電開發(fā)有限公司,重慶 409600)
定子機(jī)座水平振動對發(fā)電機(jī)的損害主要表現(xiàn)在經(jīng)長期高強(qiáng)度振動使鐵心、線棒等部件加劇磨損,降低使用壽命;結(jié)構(gòu)件受交變應(yīng)力影響,造成定子機(jī)座剛強(qiáng)度下降,甚至出現(xiàn)疲勞斷裂;嚴(yán)重時(shí)定轉(zhuǎn)子形變,發(fā)生旋轉(zhuǎn)、固定部件碰撞,造成發(fā)電機(jī)組損壞等。彭水水電公司機(jī)組自投產(chǎn)發(fā)電開始定子機(jī)座水平振動超出國標(biāo)要求,本文主要介紹分析了造成定子機(jī)座水平振動超標(biāo)的原因,并通過對機(jī)組轉(zhuǎn)子圓度、定子鐵心拉緊螺桿松動進(jìn)行處理后,定子機(jī)座水平振動大幅度下降,達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)中B區(qū)運(yùn)行要求,大大提高了設(shè)備的可靠性,保證了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。
定子機(jī)座水平振動;轉(zhuǎn)子圓度;定子鐵心拉緊螺桿松動
彭水水電公司位于烏江下游,安裝5臺單機(jī)容量為350 MW的大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組,裝機(jī)總?cè)萘繛? 750 MW,額定轉(zhuǎn)速85.7 r/min,發(fā)電機(jī)型式為三相、立軸半傘式、單路徑密閉自循環(huán)空冷同步發(fā)電機(jī)。發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)和制造采用了阿爾斯通公司的先進(jìn)技術(shù)斜立筋結(jié)構(gòu),其機(jī)組定子機(jī)座直徑17710mm,高度5 250 mm,于2008年投產(chǎn)發(fā)電。運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)定子機(jī)座水平振動遠(yuǎn)超國標(biāo)要求(詳細(xì)情況見表1)。對比GB/T7894-2009/XG1-2015《水輪發(fā)電機(jī)基本技術(shù)條件》國家標(biāo)準(zhǔn)第一號修改單中關(guān)于立式機(jī)組水輪發(fā)電機(jī)定子機(jī)座水平通頻振動限值的要求(見表2),其5臺機(jī)組定子機(jī)座水平振動都在D區(qū)運(yùn)行,嚴(yán)重威脅機(jī)組安全穩(wěn)定生產(chǎn)。
表1 機(jī)組投產(chǎn)運(yùn)行后定子機(jī)座水平振動值統(tǒng)計(jì)
表2 水輪發(fā)電機(jī)定子機(jī)座水平通頻振動限值
表2中各運(yùn)行區(qū)域定義如下:
區(qū)域A:新交付使用機(jī)組振動通常應(yīng)在此區(qū)域內(nèi);
區(qū)域B:通常認(rèn)為振動在此區(qū)域內(nèi)的機(jī)組可以無限地長期運(yùn)行;
區(qū)域C:通常認(rèn)為振動在此區(qū)域內(nèi)的機(jī)組不宜長期持續(xù)運(yùn)行,如有適當(dāng)機(jī)會應(yīng)采取補(bǔ)救措施;
區(qū)域D:通常認(rèn)為在此區(qū)域內(nèi)的振動已經(jīng)非常嚴(yán)重,電機(jī)的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間由制造廠和用戶商定。
彭水水電公司主要對水力因素、電磁因素、機(jī)械因素進(jìn)行分析,從而確定造成定子機(jī)座振動超標(biāo)的因素。
2.1 水力因素
針對機(jī)組定子機(jī)座水平振動超標(biāo)問題,4號機(jī)組做了定子機(jī)座振動試驗(yàn),以X方向?yàn)槔?,試?yàn)數(shù)據(jù)如表3、定子機(jī)座X方位振動與負(fù)荷變化趨勢如圖1。
從表3可知,4號機(jī)組在空轉(zhuǎn)工況下,定子機(jī)座X向頂部水平振動為25 μm左右;在加100%勵磁后,定子機(jī)座X向頂部水平振動為293 μm;在330 MW(接近額定工況)下,定子機(jī)座X向頂部水平振動最大為231 μm。從圖1可知定子機(jī)座各部位測點(diǎn)隨負(fù)荷的增減,變化平穩(wěn),即定子機(jī)座水平振動變化受導(dǎo)葉開度的變化影響很小,以上可說明水力因素對定子機(jī)座水平振動超標(biāo)影響不大。
表3 4號機(jī)組振動試驗(yàn)數(shù)據(jù) 單位:μm
圖1 定子機(jī)座X方位振動—負(fù)荷變化趨勢
2.2 電磁因素
(1)通過機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng),對4號機(jī)組定轉(zhuǎn)子間空氣間隙進(jìn)行檢查,見圖2。
圖2 4號機(jī)組定轉(zhuǎn)子間空氣間隙變化趨勢圖
從圖2可以看出,4號機(jī)組定轉(zhuǎn)子間空氣間隙較設(shè)計(jì)值(20 mm)偏小。
(2)通過機(jī)組監(jiān)控系統(tǒng),對4號機(jī)組轉(zhuǎn)子圓度進(jìn)行檢查,見圖3。
從圖3可知,4號機(jī)組轉(zhuǎn)子不圓度達(dá)到了2.7mm,較標(biāo)準(zhǔn)要求值(1.6 mm)增大了1.1 mm。
圖3 4號機(jī)組轉(zhuǎn)子圓度監(jiān)視圖
(3)對4號機(jī)組進(jìn)行穩(wěn)定性試驗(yàn),在76 m水頭下,對機(jī)組上機(jī)架水平振動、下機(jī)架水平振動、定子機(jī)座水平振動與加入勵磁后的試驗(yàn)曲線如圖4。
圖4 76 m水頭4號機(jī)組振動與勵磁電壓變化關(guān)系曲線
從圖4中(斜率最大的線為定子機(jī)座水平振動隨勵磁變化形成的曲線)可以看出,在不同水頭下,定子機(jī)座水平振動隨著勵磁電壓的增加振動有明顯的上升趨勢。
綜合以上空氣間隙低于設(shè)計(jì)值和轉(zhuǎn)子不圓度大于標(biāo)準(zhǔn)要求值情況,分析認(rèn)為定轉(zhuǎn)子間空氣間隙不均勻,造成磁拉力不平衡導(dǎo)致定子機(jī)座水平振動超標(biāo)。[1]
2.3 機(jī)械因素
(1)轉(zhuǎn)子動不平衡
對4號機(jī)組進(jìn)行變轉(zhuǎn)速試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4:
表4 4號機(jī)組定子機(jī)座水平振動與轉(zhuǎn)速的關(guān)系
從表4中可知,在變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)過程中,4號機(jī)組定子機(jī)座水平振動隨轉(zhuǎn)速的上升略有增大,在額定轉(zhuǎn)速85.76r/min下,定子機(jī)座水平振動為14.51μm,遠(yuǎn)小于在330 MW下定子機(jī)座水平振動值231 μm(見表3),因此轉(zhuǎn)子動不平衡對定子機(jī)座水平振動超標(biāo)影響不大。
(2)緊固件松動
在3號機(jī)組檢修中發(fā)現(xiàn)定子鐵心背部定位筋兩側(cè)鐵心多處疑似氧化、發(fā)熱現(xiàn)象,多處定位筋卡扣板斷裂,部分區(qū)域出現(xiàn)銹粉情況、鐵心硅鋼片疊片在水平面呈波浪狀,有明顯變形(見圖5),用液壓拉伸器抽查鐵心硅鋼片疊片在水平面呈波浪狀區(qū)域的定子鐵心拉緊螺桿,發(fā)現(xiàn)其受力值為47.4~63.2 kN,小于定子鐵心拉緊螺桿設(shè)計(jì)受力值85.6 kN。定子鐵心拉緊螺桿的松動在機(jī)組運(yùn)行過程中,加劇了定子機(jī)座水平振動。而重新緊固定子鐵心拉緊螺桿是減小鐵心松動,降低定子機(jī)座水平振動的有效方法[2]。
圖5 定子鐵心硅鋼片波浪狀圖
彭水水電公司通過調(diào)整機(jī)組轉(zhuǎn)子圓度和重新緊固定子鐵心拉緊螺桿方法,來降低定子機(jī)座水平振動,以下是處理過程和效果。
3.1 調(diào)整轉(zhuǎn)子圓度
彭水水電公司轉(zhuǎn)子支架為斜支臂結(jié)構(gòu),由轉(zhuǎn)子中心體和分瓣的扇形支臂現(xiàn)場組拼焊接而成,磁軛現(xiàn)場疊片,加熱膨脹后熱打鍵固定方式,轉(zhuǎn)子有70個磁極,磁極與磁軛裝配時(shí)根據(jù)磁極與磁軛間的實(shí)際裝配間隙將各種調(diào)整墊片放入,裝入磁極鍵,調(diào)整好位置后,將調(diào)整墊片點(diǎn)焊在磁極上,對磁極圓度進(jìn)行調(diào)整[3]。磁極與磁軛連接如圖6。
轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)半徑:7 480±0.8 mm
轉(zhuǎn)子高度:3 033 mm
定子設(shè)計(jì)半徑:7 500±0.8 mm
圖6 磁極與磁軛連接示意圖
(1)調(diào)整轉(zhuǎn)子圓度主要流程如圖7:
圖7 轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整主要流程
(2)以4號機(jī)組A級檢修為例,測量定轉(zhuǎn)子間靜態(tài)空氣間隙,發(fā)現(xiàn)間隙偏小,上部平均間隙為14.6mm,下部平均間隙為14.91mm,均低于設(shè)計(jì)值(20±1.6mm)。
(3)定子分上、中、下三個部分,均勻測量定子絕對半徑(內(nèi)徑),定子內(nèi)徑設(shè)計(jì)值為7 500±0.8 mm,具體數(shù)值如表5。
通過表5可知,在第四象限方向半徑都偏小,算出上部平均半徑7 499.31 mm,中部平均半徑7 499.07 mm;下部平均半徑7 498.85 mm,且較設(shè)計(jì)值(7 500 mm)相比均偏小,下部平均半徑超出了設(shè)計(jì)值要求(7 500±0.8 mm)。
(4)對70個磁極分上、中、下三個部分進(jìn)行轉(zhuǎn)子半徑測量,轉(zhuǎn)子半徑設(shè)計(jì)值為7 480±0.8 mm,經(jīng)測量轉(zhuǎn)子上部平均半徑為7 483.8 mm,較設(shè)計(jì)值相比增大3.8 mm;中部平均半徑為7 483.37 mm,較設(shè)計(jì)值相比增大3.37 mm;下部平均半徑為7 483.4 mm,較設(shè)計(jì)值相比增大3.4 mm。轉(zhuǎn)子半徑整體比設(shè)計(jì)值要求偏大。
(5)磁極拆除后,對轉(zhuǎn)子磁軛外徑分上、中、下三個部分進(jìn)行磁軛外徑、磁軛與大立筋間隙進(jìn)行測量,根據(jù)彭電機(jī)組設(shè)計(jì)書,磁軛與大立筋間隙加上磁軛熱打鍵緊量3 mm為磁軛熱加墊量,對磁軛進(jìn)行熱加墊,加墊后測量磁軛外徑主要數(shù)據(jù)如表6:
表5 定子絕對半徑(內(nèi)徑)測量 單位:mm
表6 轉(zhuǎn)子磁軛外徑主要數(shù)據(jù) 單位:mm
(6)根據(jù)(5)中測量數(shù)據(jù)確定磁極的加工量和磁極的加墊量。因A修中不宜同時(shí)對定子和轉(zhuǎn)子做圓度處理,故按照定子圓度不進(jìn)行處理的前提下,只對轉(zhuǎn)子圓度進(jìn)行處理,通過縮小轉(zhuǎn)子半徑來增大發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子間空氣間隙,使之到達(dá)設(shè)計(jì)要求。根據(jù)定子平均半徑,參照表4綜合考慮,取定子內(nèi)徑值為7498mm,按照定轉(zhuǎn)子間空氣間隙設(shè)計(jì)為20±1.6mm控制,將轉(zhuǎn)子外徑最終控制目標(biāo)確定為7 478 mm。
R轉(zhuǎn)子外=R磁軛外+磁極加墊厚度+磁極肩部厚度
磁極肩部厚度為定值:271 mm;
R轉(zhuǎn)子外:7 478 mm;
R磁軛外:對應(yīng)表5測量值進(jìn)行確定。
根據(jù)磁軛外徑,確定對70個磁極肩部處進(jìn)行加工,將厚度減小5 mm。通過裸掛某一個磁極(檢修中為51號磁極),換算出磁極的平均厚度,然后假定每個磁極的厚度一樣,通過將磁軛配圓的方法,確定了70個磁極肩部處的理論加墊量,對稱試掛了4個磁極,經(jīng)測量4個磁極的外徑全部滿足檢修要求,根據(jù)公式算的理論加墊量進(jìn)行磁極掛裝,全部掛裝后,測量磁極外徑,對比R轉(zhuǎn)子外值,通過增減加墊厚度的方式進(jìn)行調(diào)整,最終轉(zhuǎn)子外徑主要數(shù)據(jù)見表7:
(7)通過將磁極外徑減小,調(diào)整磁極圓度至標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi),過速試驗(yàn)后定轉(zhuǎn)子間空氣間隙見表8:
(8)通過對轉(zhuǎn)子圓度進(jìn)行處理,使定轉(zhuǎn)子間空氣間隙達(dá)到設(shè)計(jì)要求,在工作水頭為76 m,機(jī)組有功功率為350 MW工況下,4號機(jī)組定子機(jī)座水平振動值由處理前的265 μm降至處理后的132 μm。彭水水電公司自2011年至2015年間,逐一對4號、3號、2號、1號、5號機(jī)組進(jìn)行轉(zhuǎn)子圓度處理,通過調(diào)整轉(zhuǎn)子圓度(見表9)使得定轉(zhuǎn)子間空氣間隙(見表10)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。修后機(jī)組定子機(jī)座水平振動(見表11)值也大幅度降低,1號機(jī)組從D區(qū)降至B區(qū)運(yùn)行,2號機(jī)組從D區(qū)降至C區(qū)運(yùn)行,3號機(jī)組振動幅值雖下降但運(yùn)行區(qū)域并未改變,4號機(jī)組從D區(qū)降至C區(qū)運(yùn)行,5號機(jī)組從D區(qū)降至C區(qū)運(yùn)行,綜上可知修后機(jī)組定子機(jī)座水平振動超標(biāo)處理收效良好。
表7 轉(zhuǎn)子外徑檢修前后主要數(shù)據(jù)對比 單位:mm
表8 轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整后定轉(zhuǎn)子間空氣間隙檢修前后對比
3.2 定子鐵心拉緊螺桿緊固處理
采用專用液壓拉伸工具對315根定子鐵心拉緊螺桿進(jìn)行拉伸,將定子鐵心拉緊螺桿分為12個區(qū)域,每個區(qū)域約26根定子鐵心拉緊螺桿(見圖8)。由于每臺液壓拉伸器有12個螺母,因此每個區(qū)域隔一個定子鐵心拉緊螺桿套一個拉緊螺母。
參照圖8,每個區(qū)域需與對應(yīng)區(qū)域同時(shí)拉伸,拉緊順序?yàn)椋?號區(qū)域與7號區(qū)域、4號區(qū)域與10號區(qū)域、2號區(qū)域與8號區(qū)域、6號區(qū)域與12號區(qū)域、3號區(qū)域與9號區(qū)域、5號區(qū)域與11號區(qū)域。螺桿分3次拉緊,每次均勻增加,到達(dá)定子鐵心拉緊螺桿設(shè)計(jì)受力值85.6 kN。
表9 轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整前后對比 單位:mm
表10 轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整后定轉(zhuǎn)子間空氣間隙(平均值)對比統(tǒng)計(jì) 單位:mm
表11 轉(zhuǎn)子圓度調(diào)整前后定子機(jī)座水平振動對比單位:μm
圖8 定子鐵芯拉緊螺桿分區(qū)圖
通過重新對定子鐵心拉緊螺桿進(jìn)行緊固后,定子機(jī)座水平振動前后對比如表12:
表12 螺桿拉緊前后定子機(jī)座水平振動對比 單位:mm
機(jī)組經(jīng)轉(zhuǎn)子圓度處理、定子鐵心拉緊螺桿緊固處理后,機(jī)組定子機(jī)座水平振動有非常好的改善,從表11和12可以看出,經(jīng)過處理,彭水水電公司5臺機(jī)組定子機(jī)座水平振動目前均已在B區(qū)運(yùn)行,保證了機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行。
(1)空氣間隙不平衡且偏離設(shè)計(jì)值要求,造成磁拉力不平衡是導(dǎo)致彭水電站機(jī)組振動的主要原因,通過重新加墊并調(diào)整轉(zhuǎn)子圓度,使定轉(zhuǎn)子空氣間隙達(dá)到設(shè)計(jì)值,定子機(jī)座水平振動大幅下降,減小了因振動造成機(jī)組材料疲勞、結(jié)構(gòu)破壞和焊縫開裂等風(fēng)險(xiǎn)[4],使得設(shè)備可靠性大大提高。
(2)通過對定子鐵心拉緊螺桿重新緊固雖對降低定子機(jī)座水平振動水平影響校小,但及時(shí)處理了定子鐵心松動,降低了鐵心內(nèi)部形成渦流造成溫度升高造成鐵心燒損的風(fēng)險(xiǎn),有效防止了鐵心松動誘發(fā)線棒絕緣損壞等設(shè)備事故的發(fā)生。
[1]王鵬宇,孔德寧,胡鎮(zhèn),等.巨型水輪發(fā)電機(jī)定子機(jī)座水平振動探討[J].水電站機(jī)電技術(shù),2011,34(05):29-32.
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1672-5387(2017)08-0061-05
10.13599/j.cnki.11-5130.2017.08.018
2017-06-19
何 勇(1988-),男,助理工程師,從事水電站機(jī)電設(shè)備管理工作。