抽水蓄能機組啟動調試期間振動故障分析與處理

姜朝暉，王青華，沈潤杰

(1.上海明華電力技術工程有限公司，上海 200090； 2.同濟大學，上海 200092)

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抽水蓄能機組啟動調試期間振動故障分析與處理

姜朝暉1，2，王青華1，沈潤杰2

(1.上海明華電力技術工程有限公司，上海 200090； 2.同濟大學，上海 200092)

對抽水蓄能發(fā)電機組啟動調試期間常見的振動故障進行了分類，按激勵源將各種振動故障分為機械、電磁和水力振動故障，并闡述了調試期間各種常見振動故障的起因和故障發(fā)生時的特征。根據(jù)調試現(xiàn)場診斷和處理實例，對振動故障特征和常見原因作出驗證。

抽水蓄能機組；調試；振動；擺度；故障診斷

2015年以來，我國在建抽水蓄能電站達11座，未來仍有更多的抽水蓄能電站在規(guī)劃之中[1]。作為大型旋轉機械，抽水蓄能機組比常規(guī)水輪機有更多的運行模式，其在導水機構、轉輪、推力軸承、導軸承等關鍵部件的設計制造較常規(guī)水輪機組更為復雜，這也使得抽水蓄能機組的現(xiàn)場故障診斷變得更困難。

1 抽水蓄能機組啟動調試期間振動特點

抽水蓄能機組振動根據(jù)其激勵源的不同，可分為機械、電磁振動和水力振動[2]。振動過于劇烈時就會成為抽水蓄能機組的振動故障，在啟動調試過程中都比較容易發(fā)生。

1.1 機械和電磁振動

調試期間機械和電磁振動的主要原因來自設備的制造和安裝缺陷[3]。設備制造方面，除外觀可明顯發(fā)現(xiàn)的缺陷外，轉動部件材質不均勻等制造缺陷會使發(fā)電機轉子產(chǎn)生質量不平衡，在轉子轉速增加時，質量偏心產(chǎn)生的離心力逐漸增大，導致機組振動加劇。固定部件的導軸承和機架剛度不足可能導致機組支撐不穩(wěn)，這也是引起機械振動的原因[4]。設備安裝方面，轉動部件部分的機組軸線不垂直于推力軸承平面或者主軸不是一條直線，前者容易產(chǎn)生推力軸承振動，后者效果基本等同于轉子本體的質量不平衡。固定部件的導軸承在保證油膜厚度和正常發(fā)熱狀態(tài)的條件下，應盡量減小軸承間隙，間隙不合理或機架松動會發(fā)生與該部件剛度不足類似的振動，固定部件的定子鐵芯疊裝不佳、定子繞組綁扎松動和轉子定子氣隙不均勻都可能導致機組電磁不平衡而引起振動[5]。

1.2 水力振動

調試期間，水力振動的原因主要來自水泵水輪機轉輪與導水機構的設計。對于大型蓄能機組，水流的壓力脈動是引起水力振動的主要原因，而壓力脈動主要由水流經(jīng)過轉輪、導葉形成的特殊流態(tài)或直接與導水機構撞擊產(chǎn)生。如水流通過轉輪葉片或導葉后脫流形成的漩渦即卡門渦列。

轉輪出口的壓力脈動其主要頻率由轉速、轉輪葉片數(shù)和導葉數(shù)決定，也稱為通過頻率，主要頻率為葉片頻率fZ1，其次頻率為導葉頻率fZ0：

fZ1=Z1fn及fZ0=Z0Z1fn

(1)

式(1)中，fn為轉速頻率；Z1為轉輪葉片數(shù)；Z0為導葉數(shù)。

水輪機工況運行在偏離設計工況時，壓力脈動頻率與轉輪出口尾水管附近形成的偏心渦帶一致，典型頻率為[6]：

f=(0.25～0.4)fn

(2)

式(2)中，f為典型的渦帶頻率。

以上原因引起的機械、電磁和水力振動情況比較嚴重時就稱為振動故障，各種類型的振動在機組調試過程中基本都會存在，機組所表現(xiàn)出來的振動故障實際是多種原因振動疊加以后的現(xiàn)象，需要找到主要原因才能有效處理。

2 調試現(xiàn)場診斷實例

某電站2號機組為混流可逆式水泵水輪發(fā)電機組，單機發(fā)電容量320 MW，額定轉速428.6 r/min，額定水頭470 m。機組結構為半傘式，設有上導、下導和水導軸承，推力軸承采用多彈簧支撐結構。

2.1 質量不平衡

該機組首次發(fā)電方向逐步升速到額定轉速時，在機組升速過程中對各轉速下各導軸承附近測點進行擺度監(jiān)測，各測點擺度幅值見表1。

表1 首次升速到額定轉速過程中各測點擺度幅值 單位：μm

首次啟動為發(fā)電方向空轉，轉速升至額定轉速時機組擺度較大，存在較大的不平衡力，而此時轉子和定子均未帶電，可排除電磁不平衡引起的振動。對機組各導軸承擺度進行頻譜分析發(fā)現(xiàn)，各導軸承擺度均以轉頻分量為主，并沒有明顯的式(1)和式(2)中的水流壓力脈動特征頻率，升速過程擺度趨勢和額定轉速頻譜圖見圖1。可以確定該不平衡力是制造或安裝過程中造成的轉子質量偏心所致，上導和下導轉頻幅值分別達到110 μm和140 μm，需進行現(xiàn)場動平衡處理。經(jīng)現(xiàn)場分析計算，選擇在機組磁軛擋風圈內側安裝20 kg質量塊。

經(jīng)處理后，機組再次啟動升速至428 rpm，機組各導軸承處擺度轉頻幅值基本已降至60 μm以下，質量不平衡已經(jīng)非常小。動平衡處理后各測點擺度幅值見表2。

圖1 2號機組首次升速到額定轉速過程中擺度趨勢及額定轉速頻譜圖Fig.1 Shaft vibration trend and spectrum during unit 2 first time up to rated speed

表2 動平衡處理后額定轉速各測點擺度幅值 單位：μm

2.2 水力不平衡

2號機組現(xiàn)場動平衡處理后，水輪機方向空轉運行時與動平衡前相比，上導和下導擺度均有所下降，但機組在動平衡處理后，下導和水導擺通頻幅值度仍然偏大。分析其原因主要是機組在空轉工況下流量很小，水流在導水機構和轉輪之間沒有形成穩(wěn)定的流場，水流與轉輪葉片和導水機構的碰撞引起水流壓力脈動。

在減小質量不平衡導致的振動后，該機組并網(wǎng)發(fā)電，帶負荷160 MW運行，隨著流量增大，該負荷下機組上導和下導擺度均降至145 μm以下，但水導擺度幅值仍接近200 μm。該負荷下下導和水導擺度頻譜中出現(xiàn)0.375倍機組轉頻的頻率分量，且該分量幅值超過轉頻成為主要頻率。根據(jù)式(2)，該頻率分量是典型的尾水渦帶引起的壓力脈動頻率，常發(fā)生在機組偏離設計工況運行時。

隨后機組升至額定發(fā)電負荷320 MW，下導和水導擺度明顯下降，頻譜中尾水渦帶頻率基本消失，各測點都以轉頻為主。機組不同負荷下下導和水導擺度頻譜圖見圖2，機組不同負荷下各測點擺度見表3。

圖2 2號機組160 MW和320 MW發(fā)電工況下導和水導擺度頻譜分析Fig.2 Turbine guide bearing shaft vibration spectrum under 160MW and 320MW electric generating working condition of unit 2

表3 機組發(fā)電工況各測點擺度通頻幅值 單位：μm

2.3 導軸承間隙變化

2號機組進行CG(發(fā)電調相工況，該工況機組在空氣中發(fā)電方向旋轉)工況熱運行試驗，連續(xù)運行約2.5 h，其間上導和下導擺度不斷增大，下導擺度增幅達200 μm，下導擺度已超過報警值。機組CG工況熱運行期間測點擺度見表4，各測點擺度頻譜分析見圖3。

CG工況下機組不會受到水力影響，分析頻譜發(fā)現(xiàn)，各測點擺度以一倍頻為主，但機組質量不平衡不會在轉速不變的運行中發(fā)生變化，因此基本可排除質量不平衡可能。CG工況熱運行期間擺度頻譜圖見圖3。

表4 機組CG工況熱運行期間各測點擺度通頻幅值 單位：μm

圖3 機組CG工況熱運行期間各測點擺度頻譜分析Fig.3 Shaft vibration spectrum under CG hot demonstration operation

機組轉子和定子間氣隙均勻，存在磁拉力不平衡的可能性很小。在下導擺度逐漸升至350 μm以上時，下導瓦溫基本沒有明顯升高，可能是下導軸承間隙不合理，對轉子沒有給予足夠支承，在確認機架振動沒有異常的情況下，決定對下導軸承進行檢查[7]。

該機組下導軸瓦實際測得最大間隙為0.83 mm，而設計間隙值為0.72±0.04 mm，且發(fā)現(xiàn)軸瓦背后的固定螺栓稍有松動現(xiàn)象。(見圖4)

圖4 間隙變化的下導瓦和松動的螺栓Fig.4 Guide bearing and loose bolt under gap change

消除下導瓦間隙過大缺陷后，2號機組CG工況和其余工況試驗均未再發(fā)生擺度隨運行時間變化的現(xiàn)象，順利完成調試過程投入運行。

3 結語

抽水蓄能機組啟動調試期間，機組大部分缺陷故障都可能通過振動故障表現(xiàn)出來，及時處理這些缺陷才能保證機組通過調試評價，順利投入運行。參與振動故障診斷時，應了解振動原理、熟悉機組特性，這樣才能找到引起故障的原因。

[1] 董谷媛. 蓄勢待發(fā)[J].國家電網(wǎng)，2017，(02)：78-79.

[2] 王青華. 水輪發(fā)電機組現(xiàn)場振動故障診斷[C]//抽水蓄能電站工程建設文集，2011.

[3] 周亮. 可變速抽水蓄能機組特點[C]//中國電工技術學會會議論文集，2014.

[4] 肖漢.滑動軸承-轉子系統(tǒng)不平衡-不對中-碰摩耦合故障動力學建模及響應信號分解[J]. 振動與沖擊，2013，(23)：160-164.

[5] A·C·克利宗·Ю·Π，齊曼斯基·B·И.雅科夫列夫. 轉子動力學[M].北京：科學出版社，1987.

[6] 梅祖彥.抽水蓄能發(fā)電技術[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[7] 胡維超.軸承運行情況判斷及故障分析處理[J].電器工業(yè)，2012，(08)：62-63.

Diagnosis and disposal of pumped storage unit fault during commissioning

JIANG Chao-hui1,2, WANG Qing-hua1, SHEN Run-jie2

(1.Shanghai Minghua Electric Power Technology Engineering Co., Ltd, Shanghai 200090, China; 2.Tongji University, Shanghai 200092, China)

Pumped storage unit vibration fault during commissioning according to the source will be divided into machinery, electromagnetic and hydraulic faults. Reasons and characteristics of these faults during commissioning are summarized, and fault features and common causes were verified through diagnosis and disposal examples of pumped storage unit during commissioning.

Pumped storage unit; Commissioning; Bearing vibration; Shaft vibration; Fault disposal

2017-01-30

姜朝暉(1987-)，男，助理工程師，學士。

TV743

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1674-8646(2017)04-0151-03