貴州羅甸縣石門坎電站機(jī)組振動(dòng)值超標(biāo)的原因分析及處理

潘志軍,陳衛(wèi)軍,丁潔晶

(1.杭州市南排工程建設(shè)管理處,浙江 杭州 310020;2.嘉興市杭嘉湖南排工程管理局,浙江 嘉興 314001;3.浙江華電科技有限公司,浙江 杭州 310004)

通過介紹貴州羅甸縣石門坎電站啟動(dòng)試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),機(jī)組振動(dòng)值超標(biāo)的原因分析及處理,并著重介紹機(jī)組轉(zhuǎn)子質(zhì)量動(dòng)不平衡和電磁不平衡引起的振動(dòng)超標(biāo)的原因排查過程,為碰到類似問題的機(jī)組快速、準(zhǔn)確找到原因并處理提供借鑒思路。

1 電站概況

石門坎水電站二廠位于貴州省羅甸縣逢亭鎮(zhèn)境內(nèi),距縣城約28 km。電廠以發(fā)電為主,屬于徑流式水電站,來水量取決于上游雙河口水電站的梯級(jí)調(diào)節(jié)。該電站安裝2臺(tái)立軸混流式水輪發(fā)電機(jī)組,總裝機(jī)容量2×20MW,機(jī)組額定轉(zhuǎn)速150 r/min。發(fā)電機(jī)型號(hào)為SF-J20-40/6500,轉(zhuǎn)子重量為 95 t。

2 機(jī)組振動(dòng)超標(biāo)的危害、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)及機(jī)組試運(yùn)行振動(dòng)情況

機(jī)組在運(yùn)轉(zhuǎn)中振動(dòng)超標(biāo)時(shí)會(huì)引起各連接部件松動(dòng),使各轉(zhuǎn)動(dòng)部件與靜止部件之間產(chǎn)生較大的摩擦碰撞甚至掃膛而損壞,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行還會(huì)引起零部件或焊縫疲勞,嚴(yán)重時(shí)會(huì)形成并擴(kuò)大裂縫甚至斷裂,故機(jī)組不管是在啟動(dòng)調(diào)試階段還在日常運(yùn)行中,發(fā)現(xiàn)機(jī)組振動(dòng)值偏大時(shí),應(yīng)馬上停機(jī)檢查并處理,直至機(jī)組運(yùn)行振動(dòng)值正常為止[1].。

為了減少振動(dòng)對(duì)水輪發(fā)電機(jī)組的影響,必須提高機(jī)組的生產(chǎn)質(zhì)量。而隨著水輪發(fā)電機(jī)組的制造工藝日趨完善,加工技術(shù)的不斷提高,國(guó)家、行業(yè)規(guī)范中,對(duì)機(jī)組振動(dòng)的要求也在不斷提高。從DL/T 507—2002《水輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)試驗(yàn)規(guī)程》中可以看出規(guī)范要求的振動(dòng)指標(biāo)在提高,具體振動(dòng)允許值見表1。

表1 水輪發(fā)電機(jī)組帶導(dǎo)軸承支架的振動(dòng)允許值(雙幅值)表

石門坎電站1號(hào)機(jī)首次開機(jī)至額定轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)試運(yùn)行時(shí)上機(jī)架最大徑向振動(dòng)值 0.10 mm。該機(jī)組額定轉(zhuǎn)速150 r/min,根據(jù)規(guī)范要求,帶導(dǎo)軸承支架(即上機(jī)架)的水平振動(dòng)值不允許超過0.09mm,因此機(jī)組的振動(dòng)值超出規(guī)范要求。

3 機(jī)組振動(dòng)產(chǎn)生原因分析

水輪發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)問題與一般動(dòng)力機(jī)械的振動(dòng)有一定差異,除了機(jī)組本身轉(zhuǎn)動(dòng)或固定部分引起的振動(dòng)外,還需考慮發(fā)電機(jī)的電磁力以及作用于水輪機(jī)過流部分的流動(dòng)壓力對(duì)系統(tǒng)及其部件振動(dòng)的影響。在機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)下,流體—機(jī)械—電磁3部分是相互影響的,振動(dòng)是在動(dòng)態(tài)過程中產(chǎn)生的。當(dāng)水流流過水輪機(jī)時(shí),若引起機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分振動(dòng)過大,在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與定子之間會(huì)導(dǎo)致氣隙不對(duì)稱變化,由此產(chǎn)生的磁拉力不平衡也會(huì)造成機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分振動(dòng)超標(biāo)。而轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)出現(xiàn)某些變化后,又會(huì)對(duì)水輪機(jī)的水流流場(chǎng)及發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)產(chǎn)生影響。因此,水輪機(jī)的振動(dòng)是電氣、機(jī)械、流體等多種原因引起的。以下從水力、機(jī)械、電磁3方面來分析貴州羅甸縣石門坎電站啟動(dòng)試運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)組振動(dòng)值超標(biāo)的原因。

3.1 水力因素

由于水輪機(jī)過流部件流態(tài)不平衡、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪加工粗糙引起的受力不平衡,使作用在轉(zhuǎn)輪的水流失去軸對(duì)稱,產(chǎn)生一個(gè)不平衡的橫向力,引起轉(zhuǎn)輪振動(dòng)。針對(duì)水力原因有可能引起機(jī)組振動(dòng)超標(biāo),經(jīng)詳細(xì)檢查安裝記錄,發(fā)現(xiàn)各導(dǎo)葉的開度曲線誤差符合規(guī)范要求。在開機(jī)過程中,水機(jī)室也未聽到異常的水流聲音,初步排除由此引起該機(jī)組振動(dòng)的因素。

3.2 機(jī)械因素

機(jī)械因素主要包括基礎(chǔ)不穩(wěn)、轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡、機(jī)組安裝軸線不正、軸承間隙未調(diào)整好、主軸軸套滑動(dòng)等原因。通過查該臺(tái)機(jī)組安裝記錄,可以初步排除由于機(jī)組安裝軸線不正和軸承間隙調(diào)整不到位的因素引起的振動(dòng)偏大。同時(shí),也排除基礎(chǔ)不穩(wěn)等原因,故機(jī)組空轉(zhuǎn)振動(dòng)值超標(biāo)可能是轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡引起。轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡引起振動(dòng)的特征是:振幅是隨轉(zhuǎn)速變化而變化的,用公式表示為A=f(ω),ω升高,A增大;反之 ω下降,A下降(A:最大振幅值 ω:機(jī)組角速度)。

由于該機(jī)組轉(zhuǎn)子是現(xiàn)場(chǎng)組裝的,由很多零部件組成,總重量達(dá)95 t,很難做到質(zhì)量平衡,而且機(jī)組開機(jī)過程中從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)的振動(dòng)值看,基本上符合轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡引起振動(dòng)的規(guī)律,上機(jī)架水平振動(dòng)值隨轉(zhuǎn)速的上升而變大,在降速過程中,振動(dòng)值隨轉(zhuǎn)速的下降而變小。

初步確定該轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡,需進(jìn)行轉(zhuǎn)子配重使轉(zhuǎn)子達(dá)到動(dòng)平衡。水機(jī)工程師采用三點(diǎn)試加重平衡法,通過開機(jī)配重試驗(yàn)和計(jì)算,最終在確定配重塊質(zhì)量39 kg,將配重塊在第3試重點(diǎn)偏第1試重點(diǎn)12°方向固定焊接在轉(zhuǎn)子上,開機(jī)測(cè)量機(jī)組的振動(dòng)值最大振動(dòng)值為0.033mm,機(jī)組振動(dòng)問題初步解決,振動(dòng)滿足規(guī)范要求,詳見表2。

表2 轉(zhuǎn)子配重前后及試重時(shí)的各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)值記錄表 mm

3.3 電磁不平衡因素

通過轉(zhuǎn)子配重后,機(jī)組空轉(zhuǎn)振動(dòng)值符合規(guī)范要求,工程參建各方按啟動(dòng)試運(yùn)行規(guī)范要求繼續(xù)各項(xiàng)試驗(yàn),機(jī)組空轉(zhuǎn)瓦溫正常后繼續(xù)進(jìn)行機(jī)組起勵(lì)零升試驗(yàn),使用他勵(lì)磁方式對(duì)機(jī)組加勵(lì)磁。利用施工現(xiàn)場(chǎng)直流硅整流電焊機(jī)對(duì)機(jī)組轉(zhuǎn)子加勵(lì)磁,此時(shí)機(jī)組水機(jī)自動(dòng)保護(hù)已投入,為防止升壓過程中由于水機(jī)保護(hù)引起滅磁開關(guān)跳閘,故把電焊機(jī)直流輸出接到滅磁開關(guān)下端與轉(zhuǎn)子引線連接。在各試驗(yàn)準(zhǔn)備工作結(jié)束開始合閘,以最小勵(lì)磁電流加入轉(zhuǎn)子開始升壓。

當(dāng)機(jī)組升壓至30%額定電壓時(shí),水機(jī)安裝技術(shù)人員測(cè)得振動(dòng)值突然大起來,隨著機(jī)組電壓的上升振動(dòng)值有明顯增大的趨勢(shì),機(jī)組升壓至50%額定電壓時(shí)上機(jī)架最大徑向振動(dòng)值達(dá)到了0.12mm,因振動(dòng)太大沒有繼續(xù)升至額定電壓。電氣試驗(yàn)人員停止加勵(lì)磁。機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速下振動(dòng)指標(biāo)又正常了。

剛剛解決的振動(dòng)值超標(biāo)問題再次擺在工程技術(shù)人員面前,而且這明顯是由于加勵(lì)磁引起的振動(dòng)值偏大,看來是起勵(lì)造成的電磁不平衡原因。

機(jī)組空轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)值正常,加勵(lì)磁后振動(dòng)值明顯偏大可以基本排除機(jī)械等原因引起,考慮振動(dòng)是由于電磁不平衡引起的。電磁因素指振動(dòng)中的干擾力來自發(fā)電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子之間的磁場(chǎng)不均勻引起的磁拉力不均勻所造成的,其特點(diǎn)是振動(dòng)幅值隨勵(lì)磁電流而變化,用公式表示為A=f(I),I(勵(lì)磁電流)增大,A(振動(dòng)幅值)增大;反之 I下降,A下降。引起電磁振動(dòng)的主要因素有定子線圈的組合排列及跳線不正確、轉(zhuǎn)子磁極交直流阻抗不平衡、轉(zhuǎn)子絕緣不良、轉(zhuǎn)子繞組短路、空氣間隙不均勻等。

為盡快找到問題,技術(shù)人員采取排除法對(duì)最有可能引起電磁不平衡的因素進(jìn)行排查。該機(jī)組在停機(jī)狀態(tài)下空氣間隙符合規(guī)范要求,取下碳刷在轉(zhuǎn)子集電環(huán)處測(cè)得轉(zhuǎn)子絕緣電阻55MΩ,遠(yuǎn)大于規(guī)范最小允許值0.5MΩ,絕緣電阻符合規(guī)范要求。由于轉(zhuǎn)子磁極交直流阻抗的測(cè)試在機(jī)組安裝轉(zhuǎn)子穿芯前已經(jīng)做過試驗(yàn),經(jīng)查試驗(yàn)報(bào)告,轉(zhuǎn)子磁極交流阻抗未見明顯不平衡,符合規(guī)范要求。機(jī)組起勵(lì)和運(yùn)轉(zhuǎn)過后可能造成磁極匝間短路引起交流阻抗不平衡,電氣試驗(yàn)人員采用大電流法轉(zhuǎn)子在定子膛內(nèi)分別測(cè)量每個(gè)磁極的交流阻抗值,從測(cè)的結(jié)果可以分析轉(zhuǎn)子膛內(nèi)測(cè)值與膛外測(cè)值。測(cè)試后的結(jié)果表明,停機(jī)狀態(tài)下該轉(zhuǎn)子交流阻抗未見明顯不平衡,不至于因此使機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)。

在水電站現(xiàn)場(chǎng)安裝中很少存在因定子線圈的組合排列及跳線不正確造成機(jī)組起勵(lì)后振動(dòng)值招標(biāo)的問題,但當(dāng)未能找到引起振動(dòng)的真正原因,安裝單位向機(jī)組生產(chǎn)廠方人員提出是否存在定子設(shè)計(jì)及定子繞組的并接中有影響電磁不平衡的原因。廠方現(xiàn)場(chǎng)代表向廠里匯報(bào)后,認(rèn)為不存在問題。到此為止看來由于電磁不平衡引起的機(jī)組振動(dòng)值超標(biāo)的結(jié)論難以得到肯定,一時(shí)陷入了僵局。

監(jiān)理及電站指揮部召開了工地專家會(huì)議,初步分析并肯定了安裝單位目前的排查方法和思路。定子繞組主設(shè)人員提出定子波繞組接線方式是在該廠第一次采用,經(jīng)過圖紙校核和廠內(nèi)組裝記錄檢查看沒發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤,但是為了慎重起見,下一步還將對(duì)定子繞組進(jìn)一步排查。廠方派定子繞組組裝專業(yè)人員對(duì)定子繞組并接方式仔細(xì)檢查后,認(rèn)為與設(shè)計(jì)圖紙沒有出入,可以排除由于繞組接線錯(cuò)誤引起電磁不平衡。

經(jīng)多次開機(jī)起勵(lì)試驗(yàn)檢查,振動(dòng)情況同前,經(jīng)過多方會(huì)診,認(rèn)為機(jī)組在起勵(lì)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中轉(zhuǎn)子磁極短路或繞組多點(diǎn)接地短路。當(dāng)一個(gè)磁極因短路而引起磁動(dòng)勢(shì)減小時(shí),和它相對(duì)應(yīng)的那個(gè)磁極的磁動(dòng)勢(shì)并沒有變,因而出現(xiàn)一個(gè)跟轉(zhuǎn)子一起旋轉(zhuǎn)的輻向不平衡磁拉力,引起轉(zhuǎn)子振動(dòng)。這種振動(dòng)的大小取決于失去作用的線圈匝數(shù),當(dāng)去掉勵(lì)磁,振動(dòng)立即消失。為查明短路位置,技術(shù)人員認(rèn)為在晚上開機(jī)在相對(duì)黑暗的環(huán)境下再查看有否明顯短路的現(xiàn)象出現(xiàn),后來進(jìn)行開機(jī)和多方位監(jiān)視,發(fā)現(xiàn)其中有一處轉(zhuǎn)子磁極上有隱隱的藍(lán)光出現(xiàn),從而初步判斷轉(zhuǎn)子磁極可能在運(yùn)動(dòng)中存在問題,于是停止外加勵(lì)磁,取下碳刷在轉(zhuǎn)子集電環(huán)處轉(zhuǎn)動(dòng)中測(cè)得轉(zhuǎn)子絕緣電阻0Ω,停機(jī)后在同位置測(cè)得絕緣電阻還有50MΩ,于是可以判斷轉(zhuǎn)子磁極存在短路或兩點(diǎn)接地,技術(shù)人員進(jìn)入轉(zhuǎn)子檢查發(fā)現(xiàn)其中2只磁極的引線絕緣套破損,與磁極阻尼環(huán)有接觸摩擦痕跡,在機(jī)組靜態(tài)時(shí)測(cè)量?jī)烧叩木嚯x只有0.3～0.5mm左右。經(jīng)分析認(rèn)為:機(jī)組在額定轉(zhuǎn)速時(shí),磁極引線因離心力作用向外有一定的移動(dòng)量,該量大于0.3mm,故與磁極阻力環(huán)相摩擦而絕緣破損。而機(jī)組轉(zhuǎn)子一點(diǎn)接地保護(hù)本應(yīng)該報(bào)警而未報(bào),經(jīng)查由于采用外接勵(lì)磁零升,機(jī)組勵(lì)磁電壓采樣值未接入保護(hù)裝置,相當(dāng)于該保護(hù)未投。到此困撓技術(shù)人員多日的振動(dòng)超標(biāo)原因找到,經(jīng)過處理后開機(jī)起勵(lì)建壓至額定值,機(jī)組振動(dòng)正常,滿足規(guī)范要求。

4 結(jié) 語

從多年水電站機(jī)組首次啟動(dòng)試運(yùn)轉(zhuǎn)情況來看,機(jī)組振動(dòng)值超標(biāo)還是比較常見的問題,產(chǎn)生振動(dòng)的原因是多方面的,查找問題一般應(yīng)先水力、機(jī)械因素后電磁因素。一般當(dāng)遇到發(fā)電機(jī)上機(jī)架振動(dòng)值偏大而水導(dǎo)振動(dòng)值正常的情況時(shí)可以先考慮采取上轉(zhuǎn)子三點(diǎn)法配重試驗(yàn)方法來解決的;而當(dāng)機(jī)組空轉(zhuǎn)時(shí)振動(dòng)值正常,加勵(lì)磁升壓過程隨著機(jī)組電壓的上升振動(dòng)值有明顯增大趨勢(shì)的情況時(shí),可以從電磁不平衡因數(shù)查原因,同時(shí)要監(jiān)視轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)絕緣電阻值,直至找到問題的根源?？傊颗_(tái)機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)的原因各有不同,處理時(shí)還是需要視具體情況對(duì)癥下藥才能快速度、高效解決問題。

[1].王豐平.水輪發(fā)電機(jī)組動(dòng)不平衡的原理分析及配重 [J]..浙江水利科技,2005(1):48-49.