竹洞电站机组振动处理

何卓知

（湖南省郴州市一中 郴州市 423000）

1 概 述

竹洞电站水头200m，流量0.3m3/s，机组容量400kW，为冲击式机组，型号为CJ26—W—70/1X8，发电机型号为SF400—8/990，2012年安装，同年12月进行试运行。该机组一开机，就感觉机组的振荡比较大，用百分表测得振动幅度大于1mm，用手摸上去振感强烈。

2 原因分析

按常规分析，造成这种振动过大的原因肯定是机组的同心度有问题，偏心太严重，但经检查，机组的同心度小于0.25mm，满足厂家标准及国家标准要求，为了慎重，在裕度内，将同心度尽量调小到0.2 mm以内；并重新检查机组前后轴的径瓦间隙，在满足瓦温的情况下，尽量调小。机组重新开机运行。开机试验表明，这种处理仍不行，振动依旧，而且运行2个月后，水轮机的6个地脚螺丝都出现了松动。因为水轮机的下面有一个下水室，分析考虑是混凝土的强度不够，没有达到混凝土的强度要求，因此将水机室的所有地脚螺栓挫掉，重新灌注高标号混凝土，达到养护期后又开机，运行2个月后，机组运行状况与没有处理一样，还是振动很大，而且水机室的尾水也从下面往上冒，随着时间越长，情况越严重。

通过上面的处理，我们只能将机组的振动原因往机组的制造上面考虑，因为机组安装方面的所有原因都已经排除。按照机组的制造程序，水轮发电机转子与水轮机转轮在制造过程中，应校验它的静平衡与动平衡，目的也是为了防止机组在转动过程中，产生不平衡的转动惯量，但机组因为容量小，厂家是整体组装到货，因此厂家的制造过程我们无法知道，但凭外观，目测飞轮，没有发现有校过平衡的痕迹。因此我们大胆推测，该机组的转动部分没有做过平衡试验，最起码其动、静平衡有问题。

3 处理过程

因为条件限制，电站现场没有办法做动、静平衡试验，因此，我们大胆设想，能不能减小机组转动部分的飞轮力矩呢？

机组的转动部分由发电机转子、水轮机转轮、主轴、飞轮组成。其中发电机转子、水轮机转轮、主轴等三部分是没办法减小的，唯一能做的文章是能否将飞轮取下。

我们知道，运行当中水轮发电机组的转动部分有一个飞轮力矩，用GD2表示，简单地说，飞轮力矩是表示电力系统出现大干扰时，机组转动部分保持原来运行状态的能力，它直接影响到发电机在甩负荷时的速度上升率和系统负荷突变时发电机运行的稳定性，对电力系统的暂态过程和动态稳定有很大的影响，还与机组的造价密切相关。通常GD2是由水轮机的调节保证计算确定的，调节保证计算是解决水力惯性、机组惯性、和调整性能三者的矛盾，以期达到水工建筑物和机组造价最节省的目的，其选定数值应能满足电力系统动稳定的要求。飞轮力矩大，机组甩负荷后的转速上升率就慢，则可允许较大的管道压力上升率，从而可以减小引水钢管直径或减小钢管壁厚，可以不设调压井。

当水轮发电机基本尺寸确定后，GD2值可按下列经验公式估算：GD2=KD3.48L

式中 D——定子铁芯内径（m）；

L——定子铁芯长度（m）；

K——经验系数。

当要求的GD2值小于按上式估算的发电机本身能提供的GD2值时，则需增加发电机重量和造价，也延长了机组的启动时间，增加了机组的空载开度，故需要综合考虑，在满足调节保证计算及电力系统稳定要求的前提下，其值以接近机组结构设计固有的飞轮力矩为宜。对于竹洞电站这样的小机组，要增加飞轮力矩，最好的办法就是加装飞轮。

飞轮力矩对于给定的钢体和转轴，它是一个常数。GD2不能简单地看成是转子重量乘以某一直径的平方，只有在均质圆环的特殊情况下，才可以近似是这种关系，绕定轴转动的物体都具有一定的转动惯量，转动惯量是物体在转动过程中的惯性大小的量度，即反映物体维持原有运动状态的能力。转动惯量是指刚体内各质点的质量与其转轴距离平方的乘积，由转动惯量的定义可以看出，在质量相同的情况下，转动惯量与质量的分布有关。

在工程上往往用飞轮力矩GD2来代替转动惯量，而飞轮力矩并不等于转动惯量，它们之间的关系近似为GD2=4gj

在一定大小的力矩作用下，转动惯量越大，角加速度越小，也就是角加速度越不容易改变。利用转动物体的这种性质，可以减少机组转速的周期性波动。并且在机组发生甩负荷时，机组的转速不至于急剧上升。经过计算，竹洞电站发电机的飞轮力矩为：

式中 D——定子铁芯内径为0.93m；

K——经验系数取5.5（查表所得）；

L——定子铁芯长度0.99m。

求得：GD2=5.5×0.99X0.933.48=4.57972

飞轮的飞轮力矩为：0.358

水轮机转轮的飞轮力矩为：0.02448

飞轮的与水轮机转轮的飞轮力矩之和为：0.38248

可以看出：飞轮与水轮机转轮的飞轮力矩不到发电机飞轮力矩的10%，所以我们认为将飞轮拆除不会对机组的稳定造成很大的影响。同时，飞轮为铸钢件，没有做动、静平衡试验，加工精度不高，不是一个均质的圆环，很可能会产生一个不平衡的旋转力，对机组产生了一个破坏性的振动源。

从电力系统方面来讲，飞轮力矩除影响到发电机在甩负荷时的速度上升率外，还会影响系统负荷突变时发电机的稳定性，当水轮发电机的负荷切除时，水轮机的驱动转矩与发电机的电磁转矩一时失去平衡，机组的转速发生变化，对电力系统也会形成扰动。这台机组虽然是并网运行，但对电力系统的暂态稳定不会有能感觉到的影响，因为容量相对于国家电网这个平台实在是太小了。不像20世纪60、70年代，很多地方是小机组单机运行，需要单机进行调频、调压运行。目前像这样的小机组并入电网，基本上是参与大电网的带基荷运行。

从机组调节保证计算的角度分析，取消飞轮会使机组转速上升率较快，但水轮发电机组本身的结构设计又有比较好的避免方案，因为机组设计了全偏流装置与水轮机逆向喷水装置，但全是手动操作机构，所以经过分析后我们决定将偏流装置与逆向喷水装置都改为电动装置，与并网开关的辅助触点相连，这样机组一跳闸，偏流装置与逆向喷水装置同时动作，这样既控制了机组的转速上升率又能保证管道压力上升值在安全范围内。

4 处理结果

经过上述分析，我们将飞轮拆除，重新加工一个均质的联轴器，将机组安装后又开机，测得所有振动数据均符合要求，而且经过甩负荷试验，机组的振动、瓦温、管道压力上升值都达到了理想的效果，到目前为止，安全运行良好。