水力发电机组振动故障与排除措施分析

国电投重庆新能源科技有限公司 姚海洋

1 水力发电机组振动故障的发生特点

在水力发电机组的投用运行过程中，振动故障是相当常见的故障类型之一。同时，结合我国水电站、水电厂的既往工作情况来看，水力发电机组振动故障也是水电生产风险防范与水电设施监控检修的重点关注对象。

1.1 多源性特点

水力发电机组的工作结构较为精密、复杂，其主要由水动力系统、机械系统、电气系统三个部分组成，并包含有轴承、导叶、桨叶、盖板、平衡管、控制环等数十种零部件。在生产运行过程中，只有保证各系统、各零件均处在健康状态，水力发电机组才能具备安全、稳定的工作性能。换言之，任一系统或任一零部件出现损坏或显现病态，都会引发水力发电机组运行不稳定的问题，继而发生振动故障。在此基础上，由于诱发因素相对多样，且分布在水力发电机组的多个部分，所以振动故障往往还有着频发、多发的特征[1]。

1.2 积累性特点

结合行业经验来看，水力发电机组振动故障极少有突然发生的情况，其形成与发作通常是积累性、渐进式的。一方面当机组内部出现零部件的松动、磨损、偏位等情况时，其原本协调稳定的运行状态便会被打破，继而形成相对细微的振动故障；若相关人员并未采取有效的干预手段，零部件的松动、磨损、偏位等病态便会不断加深，机组振动现象也会更加剧烈；当零件异常程度、振动故障水平超出水力发电机组的最大承受范围时，机组便会出现严重损坏、运行瘫痪等问题。

另一方面，当机组内部单一部位或零件发生异常时，相关系统的运行稳态也会受到侵扰。在此背景下，其他原本健康的零部件也会受到消极的带动或影响，显现出一定的病态。由此，水力发电机组带病运行时间越长，其内部的受累零部件越多，振动故障也就会积累得越严重。

1.3 差异性特点

基于我国水利发电事业的蓬勃发展，水电站、水电厂中使用的水力发电机组已有多种类型，并在轴系布置、水流导向、参数设计、技术配置等方面存在很大区别。所以，不同水力发电机组的振动故障在成因、表现等方面通常有较大差异性。

2 水力发电机组振动故障的形成因素

2.1 水力因素

在水力发电机组的水动力系统运行时，水流会绕经旋转中的导叶、桨叶等处，并在叶片两侧形成与其旋转方向相反的规则涡流，即发生卡门涡街现象。这一现象发生后，机组内部过流部位会持续受到水流的扰动影响，继而形成振动故障。此时，振动故障的具体发生频率为。其中：f为机组故障部位（通常为过流部位）的振动频率，ω1为受扰动叶片边缘部位的水流流速，δ1为受扰动叶片边缘部位的厚度，c为由雷诺数决定的奇偶系数。

在常规运行状态下，水力发电机组中的水流往往是均匀旋转、轴向流动的。但在负荷、水头等方面存在异常时，水流的旋转分量、流动方向很可能发生改变，继而形成空腔、涡流等现象。在此背景下，不仅水流及相关过流部位的稳定性会受到影响，周围的管道、零件等也会出现共振，从而导致明显的振动故障。这种情况发生时，振动故障的频率多与机组转动参数有关，即f=n/p×z。其中：f为机组故障部位的振动频率，n为机组转速，p为机组转频，z为转频取值的控制系数，通常c=4或5，即取机组转频的1/4或1/5进行故障分析[2]。

当水力发电机组的水动力系统存在作用力不均、结构不合理等问题时，也会导致振动故障的形成。例如，若转轮桨叶与后方活动导叶的数量、尺寸等不匹配，水流在经过两处时便会发生一定的波动变化，继而直接形成振动故障，或埋下机组运行稳态被破坏的隐患。一般来讲，桨叶与导叶的匹配度越低，水流波动越剧烈，由此引发的振动故障也越严重。

2.2 机械因素

作为一种复杂精密的大型机械设施，水力发电机组的故障问题必然与其机械构造、机械运作存在高度关联。首先，若水力发电机组的生产装配质量不达标，或在储运、保管等环节遭到碰撞、破坏等，其机械内构很可能会出现松动、偏移、形变等情况。如此一来，机组机械系统存在基础性的故障问题，必然会在运行过程中出现振动、异响等负面情况。其次，在长期、持续的运行状态下，水力发电机组会面临多种作用力影响，如传动力、惯性力、摩擦力等。在此基础上，一旦机组内部的力学平衡体系出现变化，其机械系统的运行负荷将明显增大，继而形成局部过热、异常振动等故障表现。

最后，在水力发电机组的机械系统中，轴承、齿轮、叶片、镜板、导杆、传动件等零部件必然会发生摩擦、碰撞等运行动作。由此，随着机组运行时间的延长，相关零部件难免会出现磨损、形变、移位、松脱等消极改变，进而发生机械疲劳、材质老化、性能下滑等问题，最终导致振动故障的形成。

2.3 电气因素

电气系统出现运行缺陷，也是导致水力发电机组发生振动故障的常见原因。一方面若机组控制程序、控制信号在编制、传输、反馈等方面存在异常变化，相关电机设备、机械设备的运行参数将发生同步改变，继而导致机组的稳定运行状态遭受破坏。另一方面，若电气系统中的铁芯、线圈等硬件出现问题，如铁芯松动、线圈短路等，也会引发直接性或继发性的振动故障。

3 水力发电机组振动故障的排除措施

3.1 合理运用多种故障诊断方法

及时、准确地分析了解水力发电机组的运行状态与故障情况，是有效排除振动故障的前提和基础。所以，相关人员在开展故障处理实践时，必须合理化、多元化地运用故障诊断方法。具体来讲：首先，可运用简单化、常规性的检查手段实现机组故障的初步诊断。例如，当振动故障发生时，水力发电机组必然处在不稳定、不均衡的运行状态下。此时，除了振动以外，机组往往还会有其他故障表征，如局部发热、异常噪声等。所以，相关人员通过听、看、触等方式，便能对故障影响部位进行大致的辨认确定。再如，零部件及线路的松脱、损坏既是导致振动故障的常见因素，也是振动故障的作用表现。所以，相关人员在实施振动故障的排查诊断时，可在机组停机状态下进行拆机检查，从而直观判断水力发电机组内部有无零件松动、零件变形、零件磨损、线路松脱、线路损坏等情况。

其次，可使用专业仪器设备对机组故障进行精密性的排查诊断。例如，在水力发电机组运行过程中，相关人员可使用检测仪器获取表面温度、工作压力、水流流速、水流流量、电流值、电压值、转动速度、转动频率等数据信息。如此一来，若某项或多项运行参数存在明显的异常变化，或其实际数值已超出水力发电机组的健康运行标准，则表明相应系统、部位与振动故障存在关联。

再如，在非运行场景下，相关人员可使用光谱法、频谱法、色谱法、应变法等技术手段，对水力发电机组的性能参数、负荷阈值等信息进行掌握。如此一来，若发现机组某项静态性能较出厂标准存在明显劣化，则振动故障的形成或影响与该方面有关。在此基础上，在掌握机组实际情况后，相关人员可进一步分析水力发电机组在生产运行中的工作环境、受力条件，从而实现机组适宜工况与生产实际工况的有效对照。通过这样的方式，也能排查出诱发机组振动故障的外部因素，继而为故障的解决排除夯实基础[3]。

最后，在互联网技术、大数据技术等先进科技大行其道的当下，相关人员也可采取智能化、数字化的振动故障诊断方法。例如，可在全面采集水力发电机组数据信息的前提下，在虚拟环境中创建机组的三维模型。其后，将不同控制标准、生产工况以数字化形式输入建模平台，即可动态模拟出机组的运行过程。如此一来，一方面能对机组振动故障的发生来源、作用机理、影响部位进行精确呈现，从而高效率、高质量地完成故障定位与故障分析。另一方面，也能对机组整体的病害规律、运行趋势进行掌握，从而预先性地规避风险、消除故障。

3.2 明确掌握水电机组排障标准

在实施水力发电机组振动故障的排除处理时，相关人员应明确掌握相关技术规范与排障标准。只有这样，才能保证应对振动故障时做到有据可依，进而将水力发电机组准确调整至良性运行状态。例如，根据《水轮发电机组安装技术规范》（GB 8564-2003），水力发电机组振动允许值的部分内容见表1。在此基础上，相关人员处理振动故障时还需明确以下三点。

表1 水力发电机组的振动允许值

基于水力发电机组的工作特性，几乎无法实现振动现象的完全消除。所以，仅需确保水力发电机组在运行过程中的振动参数始终处在允许范围内即可；在水力发电机组内部，一旦出现共振现象，或零部件发生形变问题，振动故障的发展速度、危害程度往往会处于较高水平。因此，相关人员应在处理故障时保证，无论是在何种工况下，水力发电机组及其内部结构都不宜产生共振或变形；排除故障时，应意识到振动故障的多源性、差异性特点。所以，一方面要统筹关注多种系统部位与影响因素，尽可能实现风险源的全面治理。另一方面，要避免采取僵化的工作方法，应根据水力发电机组的具体参数、工况要求、技术类型、所处环境等实际情况，有针对性地实施诊断检修、机组调试、零件更换等故障处理手段。

3.3 科学采取振动故障处理措施

水力发电机组振动故障的形成原因、发生部位、危害表现极具多样性，且存在混发、继发等联动机制。所以，相关人员在采取处理措施、解决故障问题时，必须严格保证针对性、实效性。首先，在水动力系统方面，水力发电机组常见的故障表征有叶片卡门涡街、尾水管空腔、转轮桨叶与后动导叶匹配性差等。对此，若为叶片问题，则可对桨叶、导叶实施修形处理，或直接将叶片更换为合适的材质、尺寸、数量。这样一来，便能达成缓解涡流现象、避免水流扰动的目的，进而降低振动故障的发生概率与影响程度。若为尾水管问题，则可对相应部位实施补气处理，从而避免尾水管涡流的形成，防止空腔、空蚀等情况发生。此外，适当减小机组水动力系统的运行负荷，也可达到减轻振动的效果。

其次，在机械系统方面，水力发电机组常见的故障表征有轴系不正、轴系间距过大、传动零件形变、轴承严重磨损、连接件松动等[4]。对此，若为静态工况下的安装问题，则可对机组机械系统的轴系布局、零部件方位等进行调整，并对松动连接件实施紧固处理，以便从根本上保证机械系统的协调平衡运转。若为动态工况下的作用力影响问题，如摩擦影响、传动影响等，则需要对形变、磨损的零部件进行更换，以确保机械系统质量达标，防止机组振动不规则或加剧化的情况发生。最后，在电气系统方面，水力发电机组的振动故障多与线路短路、线圈松脱有关。对此，相关人员在排除故障时应收紧线圈并固定好定子、垫片等零部件。若已有电气线路发生损坏，应及时进行更换。

综上所述，振动故障的形成机理相对复杂，且对水电机组运行质量、水电生产综合效益具有一定的负面影响。相关人员在应对处理振动故障时，既要保证故障诊断的精确性、合理性，也要保证故障排除的针对性、实效性。只有这样，才能确保水力发电机组长期处在稳定、安全的工作状态当中。