缅甸瑞丽江一级电站机组振动问题分析处理

罗有德，查荣瑞

（云南联合电力开发有限公司，云南 瑞丽 678600）

水轮发电机组在运行中的振动是一种普遍存在的不可能完全避免的现象,有设计、制造、安装、检修、运行等多方面的原因。水轮发电机组的振动加剧后可能导致水力机组结构破坏、降低运行效率和机组出力。因此异常的振动一旦发生，小则产生噪音，大则危及安全，造成事故，给电厂带来巨大的损失。所以，在设备运行生产管理工作中，应注意加强对机组振动现象及其危害性的分析与预防。

1 瑞丽江一级电站的振动现象

瑞丽江一级电站为引水式水电站，坝高47 m，引水隧道长5 km，共有6台水轮发电机组，总装机600 MW，水轮机型式为立轴混流式，型号为：HLA351-LJ-280,转轮进口公称直径为2.8 m，安装高程389.5 m，最大水头330.1 m，额定水头为299 m，额定流量为37.6 m3/s，单机额定出力100.2 MW，机组吸出高度-8.5 m，额定转速为428.6 r/min，飞逸转速为680 r/min。

瑞丽江一级电站机组的振动是由多种因素引发机组振荡的综合效应。1～6号机组在试运行初期都存在振动过大现象，上机架最大振动峰值达3.5 mm以上，1号机组第一次过速至135%以上时，发电机组上机架整体振荡，整个厂房出现了共振。从表1 1号机组实验参数中可以看出各导轴承，上、下机架摆度振动值都很大：

2008年8月26 日～27日机组甩负荷试验数据表见表1。

表1 甩负荷试验数据

后来经电站业主方、主机制造厂家、施工单位、试验所及各水电专家的分析研究，结论机组过速至135%ne以上时机架存在共振现象。因此决定采取以下处理办法：调整机组轴系；调整轴瓦间隙；调整千斤顶压缩量；对上机架进行横向加筋加固、增加6个千斤顶加强横向支撑；加固下机架和加固定子机座的刚强度；限制机组过速超过135%ne等措施。对机组进行加固处理后，改变其固有频率，使机组在过速过程中机架、导轴承能起到较好的支撑作用，避免振动大幅度升高，保证了各导轴承及顶盖的振动在标准范围内。但其它振源未消除，当机组运行到某个工况时在尾水管锥管段就会产生较大的水流敲击管壁的噪声，在相应机组段尾水渠内产生如放鞭炮似的爆炸声，站在尾水平台位置，爆炸声会更加明显，同时脚下可以感觉到有很强烈的振感，此现象属于水力引起的卡门涡列和尾水压力脉动现象。

1.1 机组振动原因的分析

水轮发电机组由于受各种干扰力对水轮机的作用是使水轮机产生振动的主要原因。瑞丽江一级电站1、3、6号机组送缅甸电网，电站是缅方的主要供电电厂，因缅方电网频率波动较大，频繁的负荷变化使机组的运行工况无法保证在稳定的机组最优工况下运行，从而使机组的水力振动变得更加复杂；2、4、5号机组送中方电网，频率、负荷较稳定，所以机组的运行工况较好。

水轮机组的振动主要可分为水力振动、机械振动和电磁振动3类。

（1）水力振动：引起水力振动的原因有流道中水流的不均匀，卡门涡列诱发转轮叶片振动、迷宫间隙不均产生的振动、尾水管中涡带引起的低频振动等。

（2）机械振动：机械振动主要是由于水轮机和发电机的结构不良或制造、安装质量较差造成的，如轴线曲折、倾斜，推力轴承安装不良以及导轴承间隙过大等。均能引起机械振动。

（3）电磁振动：电磁振动主要是由于水轮发电机设计不合理或制造、安装质量不良以及转子匝间短路等所产生的不平衡电磁力造成的。

瑞丽江一级电站机组在机械振动方面普遍存在结构性共振问题，采取了一些加固等措施后，共振区域基本避开。目前机组在某些负荷工况下反映出来的振动现象，主要的振动原因是水力振动和机械振动方面，当然也不排除电磁振动的原因，但不是主要的振源。

1.2 减振的方法

水轮发电机组减少振动的方法一般有这样几种：①消振：即消除或减弱振源，这是治本的方法。②隔振：在振源与受控对象之间加1个子系统称之为隔振器，用它减小受控对象对振源激励的响应。③吸振：又称动力吸振。在受控对象上附加1个子系统，用它产生吸振力以减小受控对象对振源激励的响应。④阻振：又称阻尼减振。在受控对象上附加阻尼器或阻尼元件，通过消耗能量而使响应减小。⑤结构修改：通过修改受控对象的某些参数使振动满足预定的要求。

2 减小卡门涡列振动的措施

瑞丽江一级电站的在对机组振动问题的处理上，目前已采取了消振和结构修改方法，从实际运行上看基本达到处理要求，但在水力振动方面的处理，目前仍未采取措施，因此下面就对此问题进行论述。

卡门涡列主要出现在导叶和叶片的出水边，它的频率是以比较单纯的噪声形式表现出来，其频率计算式为f＝sv／d（s为斯特努哈数；d为叶片尾部脱流厚度；v为流速）。故在设计转轮、叶片或导叶时，要求机组及零部件的固有频率避开卡门涡频率，或选用在生产实践和试验证明较好的叶型，而对于已投产运行的机组，则只能采取下列措施；a．避开共振流速运行；b．修改叶片的形状；c．改变叶片的刚度。

瑞丽江一级电站转轮叶片分长、短叶片，叶片数量15+15，从设计理念和实验证明看，应该是目前较好的叶型型式。从目前运行一年多的转轮叶片检查情况看，未发现有裂纹损伤现象，证明卡门涡列影响不大。

3 消除尾水管涡带引起的振动

水轮机在部分负荷（一般为满负荷的40%～75%）运行时，尾水管内由于复杂的涡旋运动，而出现涡带的大幅度振摆，从而引起尾水管壁及转轮的剧烈振动，严重时甚至可能造成引水管和厂房的共振。要减少已存在的脉动，可以采取以下几种措施：

（1）正确选择尾水管内的流速分布，并使水流进入肘管和喉部以前，降低锥管段的流速，机组尾水管喉部的流速不得超过3.5 m／s。转轮出口流速在进入尾水管锥段时急剧降低，从而导致尾水管中心部分压力增加，同时也就减小涡旋强度和转轮叶片下面所造成的涡带大小，减小了尾水管中的压力脉动。

（2）改变泄水锥或尾水管的结构。

（3）装设导流装置

（4）补气

依据国内外有关水压脉动及补气资料分析，在中、高水头的水轮机中，当转轮直径D1＞4m，相对振幅大于3%～5%，水压脉动绝对值大于50 kPa时，应进行补气以消除水压脉动。独联体在许多水电站上进行了最小补气研究。研究证明，为了保证混流式水轮机在低负荷工况（15%～40%负荷）下稳定运行，必要的补气量为额定出力下水流量的0.8%～1.2%；在中负荷工况（50%～70%负荷）下为0.1%～0.3%。

当转轮相对下游水位的埋入深度不超过6～7 m时（瑞丽江电站已经超过达8.5 m），则可通过转轮中心孔和转轮泄水锥实现自然补气，这已在很多个中、低水头混流式水轮机上采用。

根据瑞丽江一级电站的实际情况，转轮下腔的补气原设计是通过从尾水平台补气阀自然补气到顶盖，因补气阀进气孔太小(5×Φ2 mm),要达到所需的补气量Q=0.112 8 m3/s（按中负荷水流量0.3%计算），补气速度必须满足v=1 796.2 m/s,这显然是不实际的，为了进一步验证，考虑在顶盖补气管（DN50）上接入压缩空气进行强迫补气试验，经过实际论证对尾水锥管噪声和尾水压力脉动振动有较明显的改善，因此决定采取加大进气口增加补气量措施进行处理。

4 机械原因引起的振动

在水电站的建设和生产运营管理工作中，减小机械原因引起的振动一般要注意以下3点：

（1）机组设计合理，应采用较成熟的结构型式；

（2）提高主机设备的制造和安装精度；

（3）防止推力头松动。推力头是推力轴承关键而重要的零件之一，要求它与轴颈配合后不允许有任何的松动产生。推力头松动后将严重威胁机组运行的稳定性。

5 减小电气原因产生的振动

（1）设计时应考虑避免超／次谐波引起的共振

水轮发电机转子的临界转速在大多情况下均高于其工作转速，当临界转速接近于2倍或3倍工作转速时，会出现超谐波共振；对于特殊要求的水轮机组，若设计临界转速低于其工作转速，则当临界转速接近于1／2倍或1／3倍工作转速时，会出现次谐波共振。

（2）定子铁芯组合缝的松动引发振动。

机组经长期运行后，由于定子铁芯各部件温度变化差异引起内应力的变化不同，引起定子铁芯组合缝松紧度产生不均匀变化，从而造成组合缝的垫片损坏和松动。

（3）定子铁芯松动引起的振动。

定子铁芯松动是指定子铁芯迭片松动，片与片之间产生间隙。运行中常见的铁芯松动发生在铁芯根部、齿压板压指、边段铁芯以及合缝铁芯处。

6 典型事件

（1）2008年9月5日，1号机组甩100%ne负荷试验后检查，发现下机架定位销断裂一颗，基础螺栓普遍有位移现象，对基础螺栓全部进行了更换和加固处理，后来因机组运行中振动摆度较大机组只能限负荷在75 MW内运行。

（2）2009年10月22日～23日，3号机组145%ne过速试验时，振动过大并伴有不正常的撞击声机组紧急停机。检查发现转子磁轭螺母点焊焊缝开裂，下机架定位销、基础螺栓挡块有位移，下机架整体顺时针方向位移，调整后打紧螺栓和定位销。

（3）2009年4月21日,6号机组在145%ne过速试验结束后,检查发现上、下机架基础螺栓振松，二期混凝土有开裂现象；上机架千斤顶松动,上机架振动最大蜂值达4 000 μm,下机架振动值达2 727 μm,下导摆度最大达 3 194 μm(注:电涡流传感器最大量程为4 000 μm)；开盖检查上导瓦和下导瓦，发现上导有一颗提瓦螺杆弯曲，下导有3颗提瓦螺杆弯曲，原因是过速时轴承瓦上跳顶弯变形；转子轮轭毂下沉约3 mm（原因为厂内转子轮毂热套装配时未装配到位）。

7 结论

瑞丽江一级电站是目前中国在缅甸投资建设的最大BOT项目，电站按一厂两网接线设计，一条线路（230 kV）送缅甸，另一条线路（220 kV）送中方，机组从2008年9月7日第一台投入商业运行至今，6台机组的振动处理问题一直在关注和处理中，由于电站特殊的国际背景更需注重主机设备生产运行管理水平，着实考虑解决威胁安全稳定运行的各种不利因素。