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立式水轮发电机组垂直振动的分析及处理

2021-05-07陈晓明彭祖贤

水电与新能源 2021年4期
关键词:梳齿顶盖转轮

陈晓明,彭祖贤,张 华

(国电恩施水电开发有限公司,湖北 恩施 445000)

水轮发电机组振动是机组运行中一种非常有害的现象,它严重威胁着机组的供电质量、机组的使用寿命和安全经济运行。引起机组振动的因素很多,主要包括机械振动、水力振动和电磁振动三类。我国现行的水轮发电机允许振动值见表1。

表1 水轮发电机组各部位振动允许值表 mm

立式机组振动常见表现为水平振动超标,水平振动通过转速试验、动平衡试验、励磁试验、负荷试验,确定振动原因,进行有针对性处理可以解决水平振动问题。在高水头立式混流水轮发电机组中,因水力因素更加复杂,导致水轮发电机组发生垂直振动超标现象,这类垂直振动分析处理更加复杂。

1 机组垂直振动分析处理实例

1.1 基本情况

某水电站2台立式混流水轮发电机组,结构型式为悬吊型,额定水头238 m,单机额定容量25 000 kW,转速600 r/min。自2012年投运以来,1号机组垂直振动值长期超出规范要求,2号机组垂直振动值在规范允许值附近。自2014年初至2018年底,电站对1号机组进行了3次A修,重点针对发电机及推力轴承检查分析,针对检查发现的问题,先后复核调整了机组高程,发电机定子、转子相对高程,对上机架底部进行加固增加刚性,处理更换推力轴承支柱螺栓配合间隙偏大的缺陷[1],完成机组配重试验并增加配重块,开展了转速试验、励磁试验、负荷试验等分析,每次检修后,水平、垂直振动能够降低至规范附近,但垂直振动源未彻底消除,随着运行时间延长,垂直振动值又逐步增大超出规范要求。

1.2 振动原因分析

2019年,为彻底解决1号机组振动问题,电站组织对1号机组进行了全面系统分析,再次开展了负荷试验、配重试验,新增了顶盖排水试验。

1.2.1 机组配重及负荷试验情况

表2和表3为1号机组2019年检修后配重及负荷试验实测数据。

表2 配重前振动值实测数据表 μm

表3 配重后振动值实测数据表 μm

从以上数据分析,通过机组动平衡配重试验,水平振动值明显降低,但垂直振动值无明显改善。

1.2.2 水力因素分析

机组振动主要是机械振动、水力振动和电磁振动三类,综合前几次A修对发现问题的处理分析,排除了机械和电磁因素导致垂直振动大的影响,重点针对水力因素分析。

1)机组结构分析。图1为机组导水机构、转轮装配局部结构图。

图1 机组导水机构、转轮装配局部结构图

从结构图中可见,为减少水轮机容积损失,转轮上冠、下环均设计有梳齿式止漏环结构,其中,转轮直径1.63 m,转轮上冠、下环止漏环单边间隙设计为1~1.2 mm,上下梳齿单边间隙设计值为0.85~1 mm,在上下梳齿至转轮上冠、下环止漏环之间,分别有A、B两腔,机组运行过程中,受上下梳齿止水的影响,A、B两腔均会产生水压,B腔水压对转轮形成向上顶托力,抵消部分轴向水推力,同时产生1个水平径向分力,该结构常应用于较高水头混流式机组结构中。在上梳齿后,设有6根顶盖排水管,通过转轮上冠上部设置的泵板,排除上梳齿漏水[2]。

2)水力分析及验证。该结构中,A、B两腔压力值受上下梳齿间隙值及同心度影响,其中B腔若存在压力不均匀,就可能产生不均匀的向上顶托力,引发水力自激振动,导致机组垂直振动[3]。因A、B两腔均未设计测压管,现场难以新增。为验证垂直振动可能来源于B腔压力脉动,研究确定在6根排水管上增加阀门,通过减少顶盖排水管泄流量,调整上梳齿后部压力值,改变轴向水推力,测量机组在不同工况下的振动值进行综合分析。不同工况对比如表4。

表4 不同阶段振动、摆度测量表 μm

第一阶段:关闭顶盖2根排水管,负荷10 MW工况数据。

第二阶段:关闭顶盖4根排水管,负荷25 MW工况数据。

第三阶段:最后两根排水管阀门关闭1/2,负荷25 MW工况数据。

第四阶段:最后两根排水管阀门关闭3/4,负荷25 MW工况数据。

通过4个阶段分析,随着顶盖排水管过流面减少,压力上升,增大了转轮向下的轴向水推力,导致振动、摆度略微下降。

图2为水导摆度变化趋势图。

图2 水导摆度变化趋势图(第二、第三、第四阶段)

从图2分析,每次阀门操作后,机组振动、摆度值迅速下降,在此工况下运行3~4 min,振动、摆度值又恢复到以前数据,第四阶段工况,机组振动、摆度值下降明显。通过以上数据分析,减少顶盖排水泄流量、增加转轮上部水压,可改善机组运行工况,初步确认了垂直振动源来自于A、B腔压力脉动,通过增大转轮上部水压,可抵消部分压力脉动,降低垂直振动值。

3)压力脉动产生来源。从图1的机组结构中可看出,机组实施A级检修时,现场只能测量、控制转轮上冠、下环止漏环间隙,对于上下梳齿间隙值,安装就位后现场不能测量。上梳齿的间隙值及同心度需要顶盖加工确保,下梳齿的间隙值需要加工确保,而同心度需要现场安装调整确保[4]。也就是该结构型式,在机组安装时,除需保证顶盖、底环两处止漏环部位同心度外,还需保证下固定梳齿、顶盖梳齿、顶盖止漏环、底环止漏环4部位同心度,在前3次A修过程中,均未检查复核下固定梳齿同心度。因上下固定梳齿均可能存在同心度超标,导致上下梳齿间隙不均匀,A、B腔内形成压力振荡,引发水力自激振动。

1.3 处理及试运行

2019年底,再次对1号机组A修检查处理。拆卸过程中,发现顶盖梳齿、转轮下环梳齿及下固定梳齿对称侧有明显磨损痕迹,进一步证实了我们的分析。将顶盖、转轮、下固定梳齿、底环等过水部件修复加工,实测各梳齿配合间隙尺寸,参考《水轮机设计手册》[5]设计值,将转轮上冠、下环止漏环单边间隙增大至1.9 mm左右,梳齿单边间隙值增大至1.5 mm左右。顶盖与上梳齿在厂内固定后,同镗加工,整体运输,现场不再拆卸,转轮复测叶片节距、开口值,消除叶片之间水力不平衡的影响,对转轮作静平衡试验。因下固定梳齿就位后无法调整,优化现场回装工序,以下固定梳齿为基准,重新复核调整顶盖止漏环、底环止漏环同心度在规程范围内,检修完成后,机组运行振动测试数据表5。

表5 检修后振动值实测数据表 μm

通过调整上下梳齿、上下止漏环间隙值及同心度,机组各类工况下振动值均较以前降低,进一步明确了机组垂直振动根源。相对于中低水头混流式机组,该机组垂直振动值虽然在规程范围内,但仍然偏大,分析主要原因为上下梳齿间隙难以完全均匀,A、B两腔压力脉动始终存在难以彻底消除,只是振动量值及对机组运行稳定性影响有所减小。该机组经过半年多时间运行,振动值无明显变化,运行情况良好。

2 结 语

高水头混流式机组,为减小轴向水推力,在机组局部结构上,往往和中低水头机组存在细微差别,通过本次机组垂直振动的处理,在同类型机组结构设计及安装阶段,可以进行以下优化:

1)设计阶段增加A、B腔测压管及压力监测,其中B腔可考虑增设外围环管,起到B腔周边联通均压作用[5],在上梳齿后增加压力监测。

2)规范高水头混流式机组梳齿间隙取值,适当降低A、B两腔运行期间压力值,降低压力脉动幅值。

3)顶盖上部梳齿在制造厂内同镗加工后,整体运输,不再拆卸。

4)导水机构预装阶段,应以下固定梳齿为基准,定位底环和顶盖,严格控制预装阶段同心度偏差值,该类型机组,偏差值应较中低水头混流式水轮机安装标准更小,尽量降低梳齿间隙不均匀值。

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