大型水轮发电机机组振动问题分析研究

2019-10-09李永祥曹铁山

中国设备工程 2019年16期

李永祥，曹铁山

（中国长江电力股份有限公司三峡水力发电厂，湖北宜昌 443000）

随着社会的发展和技术的进步，以三峡工程的建成为标志，我国水电机组装机进入一个大型化的时代。三峡电站装设32 台单机容量700MVA 的水轮发电机组，在金沙江上游，单机容量1000MVA 的巨型机组将出现在白鹤滩和乌东德两个水电站。单机容量和结构尺寸的日益增大，意味着机组运行一旦出现问题，就会导致严重的安全事故和巨大的经济损失。因此，水电企业对大型机组的安全、稳定运行有更加严格的要求。在设计、制造、安装、调试、运行等机组的全生命周期中，提出更有效的解决振动问题的措施，避免振动问题对水轮发电机组产生危害，有着重大的现实和经济意义。

1 大型水轮发电机组振动及其危害

大型水轮发电机组一般采用立轴混流式水轮机，半伞式发电机的结构型式。转轮通过水轮机轴与发电机轴相连，带有三部导轴承及推力轴承。其他主要设备还包括定子、上下机架、冷却器、导水机构等。本文主要讨论机组运行过程中，机械、电气和水力因素导致的以上主要设备的振动问题。

常规情况下，大型水轮发电机组发生振动的部件主要包括上机架、下机架、顶盖和转动部分，在某些特殊情况中，振动则可能发生在定子铁芯、导水机构等部件。

机械部分惯性力、摩擦力及其他力，电气部分的电磁力，水轮机水力部分的动水压力，都可以造成水轮发电机组的振动。水力因素导致的机组振动具有随机性，主要发生在机组处于非最优工况或者过渡工况运行时，是导致大型水轮发电机组振动的最主要因素。

大型水轮发电机组出现振动，对设备的危害是非常严重的，如果没有得到及时的处理，会引发事故，造成严重的损失。包括：（1）造成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）导致零部件材料和焊缝出现疲劳损坏，产生裂纹和断裂；（3）尾水管低频压力脉动可使尾水管壁产生裂缝，严重时可使整个尾水设施遭到破坏，甚至危及厂房和水工建筑物。

2 大型水轮发电机组振动的对策

大型水轮发电机组通常装设在水库库容较大的巨型水电站。而大型水库除了蓄水发电外，还兼有防洪、航运等作用。随着丰枯水季节的不同，库区水位会有一个较大范围的升降。因此，水轮发电机组要在水头变幅大的条件下运行，这对其运行稳定性提出了更高的要求。我们需要在设计、研究初期就把机组稳定性要求作为主要课题，并在制造、安装、调试、运行等过程中严格把关、精益求精，才能将机组的振动问题彻底解决。

2.1 设计阶段

在设计阶段，可以针对大型水轮发电机组单机容量大、水头变幅大的特点，进行机组稳定性的专题研究。合理选择机组额定水头、转速等参数，合理匹配发电机的最大容量，合理选择水轮机的设计水头、优化转轮水力设计。结合水轮机模型试验，观察其稳定性指标。在设计中采取稳定运行辅助措施，比如采用大轴补气装置，对转轮室出现的真空进行破坏等。

2.2 制造阶段

我们知道，有些导致机组发生振动的因素，是零部件在制造过程中出现的缺陷。比如，转子质量不平衡、推力头不平等。那么采用新材料、新技术，提高零部件的制造工艺水平，严格按照设计要求加工，就可以在很大程度上杜绝由于制造缺陷导致的机组振动。随着我国制造业水平的提高，零部件的制造缺陷已经可以基本消除。

2.3 安装阶段

大型水轮发电机组的安装水平，是保证机组运行稳定性的又一关键因素。这里主要包括大轴法兰对中良好、法兰连接紧固，导轴承间隙严格按设计要求调整，转子与定子间气隙值均匀，零部件安装紧固等。技术工人的经验和能力是安装阶段最主要的影响因素，严格按照设计值和合同规定完成机组各部件的安装，是保证机组运行稳定性的重中之重。

2.4 调试阶段

大型水轮发电机组完成安装后，必须经过一系列的调试试验才能投入运行。这些试验包括转子动平衡试验、过速停机试验、甩负荷试验等。通过这些试验，可以检验机组的制造和安装水平，获取机组各部位的振动数据，研究机组的运行稳定性。特别是在不同水头下的过速停机和甩负荷试验，可以监测机组处于极端工况时，不同导叶开度下机组的振动情况。通过数据分析机组运行的振动区，以及导叶关闭规律能否满足机组的稳定性运行要求。

2.5 运行阶段

当大型水轮发电机组通过试运行，投入正式运行后，需要引入机组振动监测系统，对机组上下机架、顶盖、定子机座处的水平和垂直振动值；导轴承在X 和Y 方向的摆度值；蜗壳、尾水管上下游侧及顶盖下方的压力脉动值进行实时监测及超限报警。一旦发现有部位振动情况超过合理范围，必须马上对振动产生的原因展开调查，必要时停机进行处理。