水轮机“振动异常增大”原因及处理方法研究

2020-01-01蒙祖义

中国设备工程 2019年23期

蒙祖义

（贵州黔源电力股份有限公司引子渡分公司,贵州贵阳 550000）

1 前言

引子渡分公司位于乌江上游南源三岔河下游，是国家实施“西部大开发”战略、贵州首批“西电东送”、“黔电送粤”第一个投产发电水电项目。工程于2000 年11 月8 日正式开工建设；2003 年5 月1#机组投产发电，2#、3#机组分别于同年8 月、12 月全部建成投产，顺利实现了“一年三投”发电目标。工程以发电为主，水库总库容5.29 亿m3，正常蓄水位1086m，属不完全年调节水库。电站装机容量360MW（3×120MW），设计年均发电量9.78 亿kW。

表1 水轮机参数

表2 发电机参数规范

2 引子渡发电厂1#机组振动异常现象

引子渡发电厂1#机组于2003 年5 月投入运行，2012 年4 月进行解体性大修，导叶吊出后检查发现上、下轴颈锈蚀严重，对导叶上、下轴颈用304 不锈钢加套处理。检修后各项参数正常，投入运行后各工况稳定，并每年进行C 修。

2016 年12 月27 至2017 年1 月4 日，对1#机进行C 修期间，检查发现转轮有3 处裂纹，基础环有局部气蚀、裂纹，对转轮裂纹与基础环进行处理。检修完成后，机组投入运行正常，各项技术参数与检修对比没有明显变化。

2017 年1 月19 日11：44 分，库水位1065m、尾水位965m、水头90m，1#、2#机有功负荷增至100MW，1#机导叶开度65.75%时，1#机发出异常声响，尾水管内发现有金属振动敲击声音，检查发现各部振动异常增大。发现此设备缺陷后，值班人员迅速联系调度值班员调整1#机有功负荷，当1#机导叶开度降至60%，有功负荷95MW 时，异常声响消失，各部参数恢复正常。两次增加负荷，加大导叶开度，当导叶开度超过60%时，异常声响，振动摆度异常增大。

表3 机组异常工况下各部振动及摆度值与定额对比表

3 振动异常增大原因分析

从正常情况与异常情况各部振动、摆度数据分析，顶盖垂直振动变幅最大，由24.5μm 增大到273.12μm，增大约11 倍，水平振动由23.50μm 增大到111.25μm，增大约5 倍；下机架垂直振动由13.30μm 增大到88.20μm，增大约6 倍，水平振动由13.10μm 增大到23.20μm，增大约1 倍；各轴承摆度约有增大，但变化不是太大。

引起机组异常振动的原因主要有电磁、机械、水力3方面，结合实际情况分别从电磁、机械、水力3 个方面进行原因分析

3.1 电磁力振动原因分析

机组空转、加励磁与低负荷时，振动摆度没有变化，同时在异常振动发生前后机组励磁电压、电流没有变化。在机组不同的水头下，只要导叶开度超过65%时，异常振动就会发生。因此，电磁力不平衡引起的振动不太可能，排除了电磁振动原因。

3.2 机械振动原因分析

机械振动引起的主要原因如下：

（1）转子质量不平衡，当转子重心与轴心产生偏心距，由于质量失衡，离心力的作用，主轴将产生弯曲变形，随着速度的加大，振动越严重。

（2）机组轴线不正，当转动部分的总轴向力不通过推力轴承中心时，产生的偏心力矩随着转速的升高，振动也随之增大（水平与垂直都会增大）。

（3）机组转动部分与固定部分有碰擦，引起振动。由于机组轴线不正，转子、转轮等转动部分在运转过程中可能会与固定部分发生碰擦，导致机组异常振动。

（4）活动导叶发生倾斜，引起振动。长期运行后，导叶轴颈与轴瓦间间隙增大，导叶位置发生倾斜，可能会因为与顶盖、底环碰撞而引起振动。

根据异常振动的现象，如果是转子质量不平衡、机组轴线不正、机组转动部分与固定部分有碰擦的原因引起，那么空转时随着机组转速增加，振动、摆度就会大。因此排除这3 种机械原因。

3.3 水力振动原因

水力引起振动的主要原因如下：

（1）转轮叶片之间夹有异物，进入转轮的水流不对称而产生水力不平衡，造成转轮振动，发出金属振动敲击声，引起机组各部振动。

（2）尾水管中水力不稳定现象引起尾水管中的水压周期性的变化，压力脉动作用于机组与基础上，引起振动。水流在尾水管进口有一环量形成旋流，当此分量达到一定值时，便在尾水管中出现涡滞，使尾水管的水流发生周期性变化，从而引起水压脉动和管壁振动。当水流进入叶片，由出口边流出时，便会在出口边产生涡列，形成对叶片交替冲击，当叶片自振频率与冲击频率相同时，便产生共振，这种振动只在一定水头和开度时才会产生，它能使叶片的根部或轮缘产生裂纹，有时还伴有异常金属声响。

（3）转轮上下止漏环偏心，使进入转轮上冠外沿的水流不均匀，进而产生侧向压力，引起转轮振动，发出金属敲击声。

（4）活动导叶开度不一致，进入转轮的水流不平衡，环流不稳定，引起机组振动。

综上原因分析，引起1#机组异常振动的主要原因应为导水部分故障引起。

4 处理措施

通过以上原因分析，引起1#水轮发电机组在特定工况下异常振动的主要原因：可能是活动导叶发生倾斜，或转轮叶片之间夹有异物引起水力不平衡造成。因此，制定处理措施如下：

（1）首先对1#水轮发电机组过流部件进行检查，检查蜗壳与固定导叶内是否有异物；

（2）检查转轮是否有大的裂纹，检查活动导叶是否发生倾斜；

（3）如对过流部件检查没有发现问题，请电科院做机组稳定性试验，测试出机组在异常振动工况下的电气、振动、摆度、压力脉动等各项参数。根据测试出机组在异常振动时的各项参数，分析查找引起异常振动的原因，并制定可行的解决方案。

（4）如还没有查出问题，对机组进行解体大修处理。

5 检查处理情况

2017 年10 月，将1#水轮发电机组退至检修状态，进入蜗壳对过流部件及机组水力机械部分进行检查。在蜗壳内检查发现导流板脱落1m 多长（图2），被水流冲到蜗壳鼻端卡在固定导叶处（图1），使蜗壳内及进入转轮导水叶的水流不平衡，进而引发机组水力不平衡，使机组尾水管内发出金属敲击声，水力不平衡引起机组振动异常增大。

重新加工一板导流板焊接稳固后投入运行正常。