巨型水轮发电机定子机座水平振动探讨

2011-07-19王鹏宇孔德宁胡镇良

水电站机电技术 2011年5期

王鹏宇，孔德宁，胡镇良，宋柯

（1.龙滩水电开发有限公司，广西天峨 547300；2.国电大渡河瀑布沟水力发电总厂，四川汉源 625304）

0 前言

龙滩水电站是我国继三峡工程后第二个安装700 MW级水轮发电机组的水电工程。该工程也是同期相同单机容量项目中设备国产化率最高的特大型水电工程之一。其中发电机选择国产的半伞式密闭自循环式全空冷发电机，是首个在700 MW级水轮发电机上使用全空冷技术水电站。

自2007年首台机组发电以来总体运行指标正常，满足设计和合同要求。从发电机的稳定性监测数据分析发现，龙滩电站7台机组定子机座水平振动偏大，引起了高度重视，进行了认真的分析研究。并比照同期建设的其他水电工程巨型机组一并进行探讨。

1 龙滩水电站发电机定子机座振动情况

发电机主要技术参数见表1，定子机座为薄环板、斜立筋结构，有16个主立筋。斜主立筋是阿尔斯通的专利技术，主要应用于大型发电机定子、转子、机架，目的在于减小铁芯和机座热膨胀时因形变而产生的应力。

表1 龙滩水电站发电机主要参数表

龙滩电站定子机座水平振动分别在X、Y两个方向布置有速度型绝对值振动位移传感器，测值为峰-峰值，频率响应0.5～200 Hz，测量范围为1 000 μm，测量精度为±5%，测量元件满足规范要求，并按技术监督要求定期进行检验，均检验合格。但各台机组的定子机座水平振动监测数值差别很大，与离线测试亦存在明显偏差。通过检查发现定子机座水平振动传感器安装位置高程不一致。根据GB/T 6075.5-2002《在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动第5部分：水力发电厂和泵站机组》要求，传感器应安装在支撑结构传递力的代表性位置上。为寻找传递力的代表性位置，在垂直方向对定子机座水平振动进行测量。发现定子机座2/3处振动较大（具体测量情况见表2），因此将龙滩水电站7台机组定子机座水平振动传感器布置在定子机座X、Y方向高度2/3处，以保证测值是真实有效的。

龙滩水电站定子机座水平振动的真实情况见表3。

表2 机座振动位置对比

表3 1～7号机定子机座水平振动数据表

数据显示，龙滩水电站各台发电机的定子机座水平振动均超过GB/T 8564-2003《水轮发电机组安装技术规范》规定的0.03 mm。但定子铁芯水平振动数据均在合格范围内。这引起了工程建设单位和生产运行单位的高度重视，认真分析了有关技术标准，进行了相关试验，进一步分析振动产生的原因。

2 技术标准分析

2.1 振动监测目的

机械设备振动原因多种多样，不同特性不同强度的振动对不同类型设备产生的损害各异。对于水轮发电机定子机座振动，主要原因有定子刚度不足，受外力作用形变较大；转子动不平衡力、水力不平衡机械不稳定，通过连接构件或电磁力传递到定子产生的振动；转子本身不平衡电磁力直接作用在定子和铁芯上，传递到定子机座产生的振动；主要构件固有频率与外界振动频率耦合产生的自激振动；水轮机压力脉动通过轴系和连接构件传递的振动；其它机械摩擦等产生振动等。

定子机座振动对发电机的损害主要表现在经长期高强度振动使铁芯、线棒等部件加剧磨损，降低使用寿命；定子机座振动通过连接部件和电磁作用传递到转动系统，影响正常运行质量；结构件受交变应力影响，造成定子机座刚强度下降，甚至出现疲劳断裂；严重时定转子形变，发生旋转、固定部件碰撞，造成发电机组损坏等。

因此，发电机定子振动监测越来越受到电力行业设计、制造、运行等单位的重视，并不断研究和总结，完善技术标准，力求控制在合理水平，防止设备损坏事故发生，以保证发电设备的安全稳定运行。

2.2 监测与评价依据

对于水轮发电机组而言，振动监测和分析评价现行标准较多，但对于定子机座水平振动有明确规定的只有GB/T 8564-2003《水轮发电机组安装技术规范》。其中第15.3.1条规定在正常运行工况下定子铁芯部分机座水平振动不允许超过0.03 mm（额定转速在100～250 r/min范围内），定子铁芯水平振动均要求100 Hz振动不允许超过0.03 mm。此外，GB/T 7894-2001《水轮发电机基本技术条件》第4.3.9条只对铁芯振动提出要求，在对称负载工况下100 Hz的铁芯水平双幅振动值应不大于30 μm。以上标准没有说明要求适用发电机的具体定子结构特点和尺寸要求。所有技术标准只对自动化元件安装位置有原则性要求，传感器应安装在支撑结构传递力的代表性位置上。从龙滩现场实测可以发现，定子水平振动监测自动化元件安装的位置高低对监测结果起到决定性作用。理论上讲，发电机定子机座尺寸大小，采用刚性设计还是柔性设计等因素，对振动的要求应有明显差异。

同时，现行的GB/T 8564-2003《水轮发电机组安装技术规范》是在三峡、龙滩、拉西瓦、小湾等安装700 MW级巨型水轮发电机的水电站尚未投产情况下修订的，该标准是否适用于这些类型和结构特点发电机值得研究，在进行这些机组振动监测、分析和评价过程中应尤为慎重。

3 试验分析

在龙滩水电站1号机组启动试验过程中发现了定子机座水平振动较大的现象，开始进行分析。并在此后各台机组启动过程中进行了有关振动原因分析的试验。目的在于分析机组转速、电压、负荷对机座水平振动的影响[1]，并查阅和分析了机电安装和生产运行期数据，较为全面地诠释了振动产生的原因。下面重点以1号机组为例进行简要介绍。

3.1 变转速数据分析

从变转速试验数据看（见表4），定子机座的水平振动尽管随转速的上升而上升，但在额定转速下，定子机座的水平振动仅15 μm，远小于额定工况振动值（100 μm左右）。因此，动不平衡不是造成定子机座振动偏大的主要因素。

表4 1号机机座振动转速数据表

3.2 变励磁数据分析

从变励磁试验数据（见表5）和振动-电压关系曲线（见图1）看，定子机座的水平振动随电压变化上升显著。该振动明显是由于电磁不平衡力引起的。

表5 1号机机座振动电压数据表

3.3 变负荷数据分析

从变负荷试验的结果分析（见表6），定子振动并没有随负荷的增加而增大，与空载运行工况的振动基本一致。通过计算机监控系统长期记录数据发现，在稳定负荷工况下，随运行时间加长，发电机温度上升，机座振动反而略有下降，直到温度稳定后，基本维持不变。额定工况下各台机组振动下降8～12 μm。分析可能是发电机温度上升后，铁芯与机座结合更紧密，且机座在热应力作用下发生切向扭转，定子整体刚度上升，使机座振动略有降低。

表6 1号机机座振动负荷数据表

3.4 频谱分析

从发电机振动试验数据的频谱图（见图2）可以发现，1号机定子机座水平振动，主要振动分量为1倍、2倍、3倍转频，且随定子电压的上升而增大。其中2倍转频振动分量最大，在额定电压下达到70 μm，1倍、3倍转频分量分别为30、20 μm。由于同是转频整数倍，会在某个频率上存在峰值叠加，理论可达到120 μm，与实测振动水平相当。其它机组也存在相同现象，只是幅值有所差异。

图2 1号发电机定子机座电压-振动-频谱图

3.5 振动原因的确定

定子机座水平振动随电压的上升而增大，变化规律明显，与转速和负荷的变化没有密切关联关系。频谱分析1/3～1/4的转频分量极低，无机座固有频率分量，可以排除压力脉动影响和自激振动可能。2倍转频振动分量较高，是由于转子圆度不良（通常为椭圆），定子建压后出现2倍转频的不平衡电磁力而引起的。检查机组安装转子测圆数据和定转子空气间隙数据完全符合GB/T 8564-2003对转子圆度和空气间隙的要求。也就是说，转子圆度不良产生的2倍转频不平衡电磁力是控制在规范允许范围内的。以上各种振动影响因素排除后，只能认为定子机座刚度不足是造成该现象的主要原因。龙滩水电站发电机定子机座采用柔性设计，主立筋与径向存在一定夹角，目的在于通过切向形变降低定子铁芯和定子机座本身热应力。

经对各台机组多次检查，未发现定子机座连接不牢固和疲劳损伤现象。通过长期跟踪分析，振动幅度没有发现劣化倾向。发电机定子绝缘、铁芯温升等没有发现异常。这说明该振动尚未对机组造成明显损害。

4 其它水电站对比分析

与龙滩同期建设和投产的巨型水电工程较多，除三峡右岸外，还有拉西瓦、小湾、瀑布沟、构皮滩等水电站，均安装了600～700 MW级水轮发电机。为判断定子机座振动问题是否存在共性，收集到了上述各电站部分机组定子机座水平振动数据，并进行了对比分析。

通过数据对比（见表7）发现，凡是采用了阿尔斯通的专利技术的柔性定子机座，均不同程度存在水平振动较大问题。而采用刚性设计的机组，虽然个别机组振动幅值超过标准要求，但相对柔性设计的机组要小得多。由于未对上述所列全部机组安装质量差异、测量元件误差等进行全面分析，不能确定具体原因，但刚性机座机组振动总体较小的统计学规律明显。在调查过程中，从各个水电站机组稳定性检测数据分析发现，在定子机座振动方面存在以下特点：

表7 定子机座水平振动变负荷数据表

（1）柔性设计振动水平较大，均超过标准GB/T 8564-2003的要求，刚性设计总体较好，个别机组须进一步分析；

（2）定子机座柔性设计且振动较大的机组，振动幅值均与电压存在显著关系，随电压的上升而上升，与负荷大小关系不大；

（3）频谱分析，振动主要分量为1、2、3、4倍转频，其中2倍频振动较大的机组相对较多。而定子铁芯的100 Hz振动分量均符合规范要求。

从比较分析可以确定，对于巨型水轮发电机组定子机座水平振动取决于定子结构型式，柔性结构刚度弱于刚性结构，水平振动相对较大。各已投产的巨型水电站目前尚未发现振动引起的定子机座、定子及铁芯损伤案例。振动的幅值和频率特性计算分析有一定的理论依据，但是否会造成损害，需要通过运行实践的检验。在投产时间不长，数据积累并不丰富的情况下，刻意追求高标准并不一定符合设计、制造、安装水平和设备运行的要求。