水电站机组异常振动分析

云南滇能（集团）控股公司 黄永凯 钱 刚 付忠林

1 引言

在水电站的安全、可靠和经济运行过程中，水电站机组的稳定性是一个非常关键的问题。随着水电站机组工作水头和单位装机量的增加，为保证其可靠、稳定地工作，对机组的振动、噪声水平提出了更高的要求，另外还提出了相应的预防措施[1]。水轮机是一种具有转动功能的机器，在其正常工作状态下，均存在着一定的振荡与摇摆，而过度的振荡与摇摆不仅会对机组的平稳工作造成严重的危害，而且还会对机组的其他部件造成损坏，所以对水电站机组异常振动进行检查和分析是确保整个水电站工作的关键。

2 研究背景

水电站的建设和运行都与环境保护和安全管理息息相关，由于水电站是利用自然水流转化为电能的发电方式，深入了解水电发电技术的原理和发展历程，认识到水电作为一种可再生能源的重要性，并了解到其在能源领域的应用前景。对于水轮机机组振动情况，水轮发电机在使用过程中所发生的强烈振动，可能导致机组零部件金属和焊缝疲劳破坏区的形成和扩大，进而引发裂纹，甚至导致设备损坏，无法再使用。通过增加机组转动部分的相互磨损，如大轴剧烈摆动使轴与轴瓦温度升高造成轴承过热，并发生损毁。同时，需要关注发电机转子的过滑环与电刷的磨损情况，进一步让电刷冒火花，严重的还可能会造成电厂厂房乃至整个水工结构发生共振，造成大量机组工作人员睡眠质量下降，严重影响了整个机组的安全。因此，水电站机组的稳定问题也成为一个长期困扰着水力发电企业的普遍问题。因而，对水轮发电机组中的振动、噪声进行精确的诊断和解决的需求也变得日益紧迫。为找出造成水电站机组异常振动的根源，本文已作出了一个初期的检验。以某个机组为例，其各部位振动值见表1。

表1 机组各部位振动值（单位：mm）

水轮发电机组参数见表2。

表2 水轮发电机组参数

3 可能引起机组振动的原因分析

水电站机组在设计、制造、安装、检修以及运行过程中出现的问题，都将会导致水电站机组在运行过程中出现产生一些振动[2]。如果振动超出了容许范围，就会对机组的安全和使用年限产生不利的影响。从可能引起机组振动的情况来看，一般有三个方面的因素，分别是水轮机的水力方面、电磁方面以及机械方面。

3.1 水力方面原因分析

水力失衡、尾水管压力低频波动、空腔气蚀、卡门涡串以及间隙射流均是引起水电站机组异常振动的原因。而且，在工况不良好的条件下以及瞬态过渡工作的条件下，水电站机组可能会因为水流条件的变差，使得系统的各个部分的振动显著增加。在机组运转过程中，还可能会发生强烈的振动还会伴随着一些奇怪的声响。可以推测，这可能是因为在转轮的叶片之间存在着一些外来物质，这些外来物质不均衡地流入到转轮中，会形成了一个水力不均衡的横向力，从而导致转轮的振动产生异响，这些外来物质会跟一些固定的零件发生碰撞，从而导致了一些异响。所以，在停止供水后，工作人员们将蜗壳的入口开启，然后查看转轮的上、下漏环和转轮叶片，在转轮的叶片中没有发现任何东西，由此可以确定尾水管中水力不稳定是由转轮引起的。尾水管内由于水力失稳，使其产生周期性波动，压力脉动施加在机组上进而引起振动。在某一时刻，在水轮机尾水管内产生涡滞，导致其流量周期改变，引起水压波动及管道壁面振动。如果水轮机自由振荡频率与水轮机自激振荡频率一致，就会产生共振，将会严重威胁机组的安全。对此，工作人员在高、低水头下（有一定的开口量）进行了机组启动测试，发现振动的声音不能被去除，紧接着对转轮的叶片进行了检测，发现也没有出现裂缝，所以可以将这个因素进行了排除。

由于防漏圈的不对称，使得流入防漏圈内的水流不均衡，从而造成了防漏圈的横向压力，引起防漏圈的振动[3]。经检测，转轮下端进行止漏操作，四周达到均匀状态。但实际测试中发现，三面的缝隙非常一致，其中约1/4的缝隙最大，接近1mm，远大于设计的0.3mm，所以可以推断出上止漏不均匀是造成装置振动的一个重要因素。

3.2 电磁方面可能引起振动的分析

机组的振幅随着电机励磁电流增加而上升，这是绕组短路和空气间隙的不均匀性等原因所致。在机组运行中，由于电机励磁电流逐渐增加，谐振效应愈发显著，振幅逐步扩大。当发电机三组不对称工作时将导致三相不均衡，三相不均衡的电流进而导致三相线圈中出现正、负两套旋转磁场。当负序磁场靠近转子纵轴时，由于气隙较小，产生的磁力线较多，这样就使得转子与定子之间不能产生较大的作用力。因此，负序磁场和转子之间的作用力不断变化，最终引发了机组的振动。通过监测三相电流，发现三相不均衡的不均衡都在夫定区之内，这表明三相不均衡并不是造成三相不均衡的主要因素。

另外，导致了机组振动的原因之一是磁场周期性变化产生的磁张力，还有一个原因就是定子、转子之间存在着不均衡的气隙，这种振动现象在机组停机后，对定子、转子之间的空气间隙进行测量，发现其满足装置和设计的需求，这就表明与这个因素没有关系。除此之外，由于发电机发生了突发性的短路，导致磁场不平衡，使得发电机组经历了强烈的振动。然而，对发电机转子的一点接地保护进行详细检测时发现，该保护装置的响应极为灵敏。观察发电机过流保护记录的电流曲线，未发现数值跃动情况。因此，可以排除这种情况对机组异常振动的影响。当日天气良好，基本不会出现打雷的情况，可以排除因打雷造成的设备损坏的情况。可见，造成机组振动的因素并非发电机根本因素。

3.3 机械方面原因分析

水轮机和发电机在设计和生产过程中出现的问题，其在装配和调试过程中出现的问题都可能是造成这些水电站机组异常振动的主要原因。机器的振动是由机器各部件之间的摩擦引起的。因为转子的质量不均衡导致其在旋转的时候会因离心惯性力的影响，使主轴发生扭曲，导致机器出现振动。但是，由于本机的转子和主轴都是在工厂中进行过热套和动静平衡测试的，且本来就是平稳的，所以可以消除转子的不均衡的因素。

另外，机组的轴线不正也可能会造成机组在运行中产生横向和纵向振动，最终引发回旋效应。这种现象不但会对推力轴承和导轴承有较大的冲击，而且会使离心惯性力变大，导致振幅增加。为了确保机组的平稳运行，需要详细分析轴线不正可能带来的振动影响，采取相应的振动控制策略，降低对机组关键部件的损害，并提高水电站机组的运行效率。

在一定的运行周期内，机组可能会因为某些因素导致系统的轴心发生变化。由于推力头大轴线安装不紧密，卡环受力不均衡，推力头与反射镜之间的隔热片发生了扭曲和损坏，使机器的装置振动。拆开上部导向器后将推力瓦拔出，只见其表面光滑，没有任何摩擦的迹象。将推力头抽出来后，仔细观察了一下镜片的密封圈，见其完好无损，所以这个原因也可以排除。

另外，导轴承可能也有缺陷瑕疵，机组运行过程中，因轴承松弛、刚度不够、运转不平稳和缺少润滑时都将发生摩擦造成逆弓回转，也就是横向振动。如果轴承的间隙太小时，转动轴的振动就会传递到轴承和底座上，而轴承的间隙太大时，转动轴的振动就会增大。此外，又怕因轴承的缝隙变化造成大轴的移动，进而与上导向的油盖板产生撞击，在工作人员们对上导向的油盖板进行了检测后，要注意上油盖板主轴的缝隙，四面都要一致，以满足安装的需求。但是后来测得的导瓦的间隙较大，最大误差为0.02mm，从而将其剔除。这很有可能是由于主轴密封座与研磨盘发生了摩擦和撞击而产生的振动和噪声，在维修后对主轴密封座与磨板进行了检测，没有发现摩擦碰撞的迹象，这也不是最重要的原因。

根据分析，发现机组的振动主要是由于转轮上的止漏环间隙不平均所造成的。但是，由于外部的原因，不能从外部来判断是否会出现异常的声音，也就不能启动。所以，决定对机组进行拆除维修。

4 水电站机组异常振动的处理

为了让水电站机组正常运行，将对机组进行一些必要的处理。

首先，对水电站机组的顶盖进行修补，在修补的时候先去掉原来的两个圆弧形状的钢圈，再将顶盖的紧固止漏环的内壁旋转1.5cm，增加内部嵌入的铁环的厚度，并考虑到内部嵌入的铁环的加工性，然后在内部嵌入的铁环上形成一个“梅花型”的铁环，以确保焊缝的强度。在此过程中，要确保铁环内部的表面光洁和圆度，尤其是锚焊部位要打磨光滑平整，不要有太多的凸起，要确保在加工过程中的定位及止漏量符合设计的容许偏差。其次，再次调节导瓦的间距，对拆卸掉的上导瓦、下导瓦、水导瓦等进行检测，观察瓦后撑杆螺钉是否有松动、裂纹现象，对有拉伸的导瓦展开打磨修理，根据盘车的资料，再重新分配并调节导瓦的间距。最后进行转轮的更换操作：因为转轮上冠外缘磨坏了，在短时间内很难维修，所以采用了替换新转轮的办法，将新转轮送到了工厂，并对其进行了检验，同时对连轴后的转轮也进行了同样的检验。对施工过程中的施工质量进行了严格的监控，按照工艺流程对每一道工序都进行了检查，确保了施工质量达到了技术标准。

5 结语

由于修理顶盖、替换转轮、拆解重装这些流程，导致了大量的经济损失。在上一次检修中，由于检修时对顶盖紧固漏环的修复方法错误，导致了设备的振动及转轮的损坏。后来由于叶轮损坏降低了叶轮的使用寿命。在检修的过程中，由于监管制度缺失，缺少对外加工零配件质量的监管，导致其在制造过程中未进行叶身零件的检验，从而影响了叶身的使用寿命。经过对顶盖处的紧固漏环进行维修，对转轮进行了更换操作，并按照盘后对导瓦间隙进行了重新调节，从而有效地消除了机组在运行过程中产生的强烈振动和异响，该机组在经过了一次检修后这些问题都已经全部解决，一直到现在都处于一种安全运行的状态。