喀腊塑克电站水轮机组振动的原因分析及处理

邹斌

【摘要】本文以一水电站的水力机组出现振动、噪音的故障现象为依据，根据 专业人员在现场对该水电站的试验结果的数据，分析机组的振动原因和问题，并提出解决问题的建议。

【关键词】水电站；试验；原因分析

1、概述

喀腊塑克电站位于新疆省阿勒泰地区的额尔齐斯河流域，属于坝后式电站。喀腊塑克水库调节特性为不完全多年调节，水库总库容24.19亿m3，调节库容19.18亿m3，坝高121.5m，水库特征水位：正常蓄水位739m，死水位680m，校核洪水位（P=0.02%）743.60m，设计洪水位（P=0.1%）741.70m。电站总装机4×40MW=160MW，年利用小时数3707h，多年平均设备发电量5.19亿kw.h，保证出力14.4MW。水轮机型号HLX100-LJ-246，额定转n=300r/min，工作最大水头96m，最小水头32m，额定水头79.5m，额定流量51.75m3/s。多年平均含沙量0.994kg/m3，多年平均输沙量330.57万t。水轮发电机组的振动是以水轮机为原动力，从振动发生的情况看，有的是水轮机本身的水力特性所决定的，有的是由一些偶然因素作用产生的。发电机是将水轮机的机械能转换为电能的装置，在转换过程中，由于某些方面如设计、加工，安装或参数配合不当也会引起发电机的磁振动。从结构上讲，水轮发电机组可以分成两大部分；转动部分和固定、支持部分。它们中任何一个部件存在机械缺陷时都可能引起机组的振动，而这些缺陷可能是由设计、加工，安装等任何一个环节所引起。因此，一般来说水轮发电机组有四大振动部件；上机架、下机架、顶盖、转动部分，异常情况下还有其他振动部件，如定子铁心等。水轮发电机组振动 的危害。振动是旋转机械不可避免的现象，若能将其振幅限制在允许范围内，就能确保机组安全正常运行。但较大振动对机组安全是不利的，会造成如下危害。1；使机组各连接部件松动，使各转动部件与静止部件之间产生摩擦甚至扫膛而损坏。2；引起零部件或焊缝的疲劳，形成并扩大裂缝 甚至断裂。3；尾水管低频压力脉动可使尾水管产生裂缝，当其频率与发电机或电力系统的自振频率接近时，将发生共振，引起机组出力大幅度波动，可能会造成机组从电力系统 中解列，甚至危及厂房及水工建筑物。

2、问题的原因

近期，喀腊塑克电站1号水轮发电机组噪音突然增大，运行人员对其振动、摆度进行了测试，其数值上与次测量值相比变化不大，只有水导+X方向水平振动和-Y方向的垂直振动超出正常范围，水电公司领导与汇通安装公司领导研究决定对1号水轮发电机组进行水下部件进行检查，未发现异常状况。喀腊塑克水电站机组在投入运行以后，一直受到机组振动、噪音的困扰。通常在水电站中水轮发电机组发生振动和噪音的原因主要有三个方面，一是水力因素，即水力振动；二是机械因素，即机械振动；三是电磁因素，即电磁振动。但是，电站建成以来，1、2、3、4号水轮发电机均有不同程度的振动和噪音，为分析振动的具体原因，新疆额河建管局水电公司工作人员与汇通安装公司技术人员及新疆电力科学院专家一起进行了专题试验，以便提出解决办法。

3、机组试验结果及振动、噪音原因分析

3.1 厂家试验成果分析

在厂家做的一次现场试验中，①当机组在桨叶开度45.2%，导叶开度63.4%处开始出现异常响声；至桨叶开度92.7%，导叶开度76.9%时异常响声消失。当机组处于手动状态，将桨叶角度固定在87.2%附近时，随着导叶开度的增大，机组出力增加，至导叶开度为75%时达最大值35000kw，随后机组的出力随导叶开度的增大而呈下降趋势，且机组水导处摆度值随出力下降呈上升趋势。从上述的试验结果可以看出，机组的出力随导叶开度的增大而呈下降趋势，且机组水导处摆度值随出力下降呈上升趋势。②在现场试验中，将机组转速提高到额定转速的120%，此时振动消失。生产厂家试验的结果认为：机组振动是机组在安装过程中，整套水轮发电机组的旋转中心不是同心的，即主轴的轴心线与实际旋转中心之间存在有一定的偏差而造成的。但是在生产厂家的试验报告表示“在现场试验中，厂家还将机组转速提高到额定转速的120%，此时振动消失”；从该现场试验得出的结论，可以知道该水轮机的转速若按照60.0HZ来运转可大大减轻运转振动。转速与相应的水流流态有关，所以该水轮机水力振动的因素是否还需进行更专业的试验。

3.2 新疆电力科学研究院的试验成果分析

电力科学研究院做的试验包括第1、2次变负荷试验、升降负荷和定桨变导叶试验、1次补气试验、动平衡试验和配重后变负荷试验、第2次定桨和补气试验。电力科学研究院对试验的成果进行综合分析的结论是：①运行实践证明，当水轮机导叶开度达到和超过40%以下及85%以上，即功率10.0MW以下及35.0MW以上时，转轮室就出现异常声响。而从振动试验数据分析，喀腊舒克电站发电机组存在两个振动区域，一个低负荷振动区和一个高负荷振动区，1号机组在5.0MW-18.0MW附近和35.0MW以上工况振动、摆动和水压脉动值比较大，而且35.0MW以上工况振动、摆动和水压脉动值随开度的增大显著增大，转轮室里也出现了异常声响。从转轮前压力值变化与异常声响的关系看，这种声响与空化空蚀有关。②“转轮室的异常声响出现后机组构件4倍转频的振动也明显增大，这说明转轮室的异常声响极有可能是水力引起的空蚀振动噪声。可以肯定的是目前的异常声响不是转轮叶片与转轮室碰磨的声音”。而且，初步判断机组的的振动应该是与水轮机转轮叶片开口不均匀而引起转轮圆周水力不平衡也有关系。

3.3 喀腊塑克电站方面的分析

喀腊舒克电站提出了振动噪音的原因，一是水轮机过流部件（尤其是浆叶的实际叶型型线与设計的叶型型线之间）的加工工艺有偏差，导致水轮机转轮圆周的水力不平衡；二是水轮机转轮的安装中心与实际的要求有偏差；三是没有根据中国的电网频率（50HZ）对国外的电网频率（60HZ）制造的机组进行模型试验，造成引进机组与实际机组在运行方面工况的差异。其中水力振动的振动幅度是随着水流量的增大而增大，其原因是因为水轮机过流部件中的水力不平衡引起的；机械振动的振动幅度是随着机组转速的增大而增大，其原因是因为机组转动部分的质量不平衡引起的；电磁振动的振动幅度是随着励磁电流的增大而增大，其原因是由三相励磁电流不平衡引起的。

4、分析结果

在上述两家的试验结论中，厂家的试验结论着重强调机组安装的原因引起机组的振动，但是在试验的成果中，有明显的水力振動的因素存在；电力科学研究院的试验结论则着重强调水轮机转轮过流部件的因素是引起机组振动的主要因素，基本否定了机组安装的原因引起机组的振动。根据两家的试验过程中所体现的现象，我们初步判定，造成该水电站振动和噪音，主要的原因应该有以下几个方面：一是水轮机的过流部件，主要是水轮机转轮叶片的实际加工型线与设计的型线之间可能存在误差；二是水轮机转轮圆周的间隙引起的间隙空蚀引起水力不平衡而引起的振动现象，这是典型的水力振动频率与叶片和机组的转速有关；三是水轮机转轮的开口不均匀，使得导叶的水流与转轮叶片进出口的水流流动产生较大影响；四是机组在安装过程中，整套水轮发电机组的旋转中心不是同心的，即主轴的轴心线与实际旋转中心之间存在有一定的偏差（此种几率较小）。其中转轮叶片的叶型型线的加工误差应该是主要原因。该水电站机组在投入运行后一直产生振动也能够说明这些原因。

5、解决问题的建议

综合上述的分析结果，针对这些问题，作者提出以下建议：

5.1 如果电厂在建成之前，购买电厂在签订购买设备合同时，应该要求生产厂家说明该设备是从那里引进？如果是引进的，则要求生产厂家说明是否经过模型试验；如果经过模型试验，应该提供模型试验的参数。

5.2 机组在运行期间，应该注意起运行工况在额定范围内，定期对其进行检查，如果有异常声响或出现机组振动、噪音突然增大，应及时处理，必要时应停机对其水下部件进行检查处理，避免转轮中有杂物而影响机组运行工况及性能。

5.3 尽量避免发电机组机组在低负荷振动区域5.0MW至18.0MW以下附近工况和高负荷振动区域35.0MW以上工况运行。

6、结束语

通过实验数据分析我更加充分的认识了水轮机发电机组振动原因，并提出了解决问题的建议，为解决同行业类似问题提供了借鉴，从而为水轮发电机的安全运行提供保障。

参考文献：

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[3]孙文.水电站水轮发电机机组振动问题分析处理措施[J].城市建设理论研究：电子版，2016（10）