溧陽(yáng)抽水蓄能電站機(jī)組振動(dòng)和擺度異常治理

馬運(yùn)翔，彭 輝，倪海梅，邵冰嘯，吳茂才

(1.江蘇方天電力技術(shù)有限公司，江蘇南京211102；2.江蘇國(guó)信溧陽(yáng)抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇溧陽(yáng)213334)

0 引 言

抽水蓄能電站具有調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相以及事故備用、黑啟動(dòng)等多種功能，可以保障電網(wǎng)安全經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行。近年來(lái)我國(guó)抽水蓄能電站不斷發(fā)展，已成為電力系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。水泵水輪發(fā)電電動(dòng)機(jī)是抽水蓄能電站的核心設(shè)備，其工作狀態(tài)是否穩(wěn)定對(duì)整個(gè)電站發(fā)電系統(tǒng)的安全運(yùn)行具有很大的影響，若設(shè)備出現(xiàn)安全事故往往會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。振動(dòng)擺度參數(shù)是機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)的“體溫計(jì)”，機(jī)組 70%～80%的故障都能通過(guò)機(jī)組的振動(dòng)擺度反映出來(lái)。溧陽(yáng)抽水蓄能電站于2016年開(kāi)始調(diào)試，6號(hào)機(jī)組調(diào)試期間機(jī)組首次啟動(dòng)和帶負(fù)荷過(guò)程中振動(dòng)擺度異常，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析治理，找出了振擺異常的根本原因，并進(jìn)行了配重處理，效果明顯。

1 設(shè)備概況

溧陽(yáng)抽水蓄能電站安裝6臺(tái)單機(jī)容量為250 MW的混流可逆式水泵水輪電動(dòng)發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量1 500 MW。水泵水輪機(jī)為立軸、單級(jí)混流水泵水輪機(jī)，型號(hào)為HLNA1094-LJ- 474；發(fā)電電動(dòng)機(jī)為三相、立軸、半傘式、空冷可逆式同步發(fā)電電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為SFD250-20/7500。機(jī)組調(diào)速器微機(jī)控制部分由ALSTOM公司生產(chǎn)，型號(hào)為T(mén).SLG，采用PID調(diào)節(jié)規(guī)律。水泵工況啟動(dòng)拖動(dòng)采用靜止變頻裝置(SFC)，額定電壓為15.75 kV，額定功率為18 MW。機(jī)組軸系為立軸結(jié)構(gòu)，發(fā)電機(jī)由兩個(gè)導(dǎo)向軸承和一個(gè)推力軸承組成，水泵水輪機(jī)由一個(gè)導(dǎo)向軸承組成，整個(gè)機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)組結(jié)支撐結(jié)構(gòu)示意

2 振擺異常情況

2.1 機(jī)組升速過(guò)程振擺異常

6號(hào)機(jī)組為電站首臺(tái)調(diào)試機(jī)組，機(jī)組升速期間共進(jìn)行了4次動(dòng)平衡試驗(yàn)，在水輪機(jī)工況下進(jìn)行了2次配重后，在水泵方向SFC拖動(dòng)中又進(jìn)行了兩次配重。2016年6月7日15∶37，機(jī)組水輪機(jī)工況啟動(dòng)開(kāi)機(jī)進(jìn)行升速試驗(yàn)，機(jī)組最大升速至269.34 r/min，機(jī)組上導(dǎo)擺度和上機(jī)架振動(dòng)過(guò)大，上導(dǎo)擺度X向和Y向分別為415、423 μm，上機(jī)架水平和垂直振動(dòng)分別為86、24 μm，機(jī)組緊急停機(jī)。在水輪機(jī)工況269.34 r/min轉(zhuǎn)速下，機(jī)組振擺數(shù)據(jù)如表1所示。

機(jī)組上導(dǎo)擺度及上機(jī)架振動(dòng)過(guò)大，振擺幅值隨轉(zhuǎn)速升高而增大，頻譜分析振擺成分主要以轉(zhuǎn)頻分量為主，表明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在質(zhì)量不平衡，需要進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡配重[1- 4]。現(xiàn)場(chǎng)配重方案：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上部由鍵相位置俯視逆時(shí)針?lè)较?160°加重50 kg。機(jī)組加重后再次水輪機(jī)工況啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速升速至282.1 r/min，機(jī)組上導(dǎo)擺度和上機(jī)架振動(dòng)仍過(guò)大，機(jī)組停機(jī)。表2給出了機(jī)組升速至282.1 r/min時(shí)的振擺數(shù)據(jù)。機(jī)組加重后雖然振擺幅值有所減小，但仍然無(wú)法順利升速至額定轉(zhuǎn)速。頻譜分析振擺成分主要以轉(zhuǎn)頻分量為主，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子仍然存在較大的質(zhì)量不平衡。

表1 機(jī)組振擺數(shù)據(jù)(水輪機(jī)工況269.34 r/min轉(zhuǎn)速) μm

表2 第1次動(dòng)平衡試驗(yàn)后水輪機(jī)方向機(jī)組各部位振擺數(shù)據(jù) μm

第2次配重方案：在第1次配重基礎(chǔ)上，在轉(zhuǎn)子上端面由鍵相位置俯視逆時(shí)針?lè)较?25°加重105 kg。完成加重后，機(jī)組于6月8日15∶00水輪機(jī)工況啟動(dòng)升速至300 r/min空轉(zhuǎn)工況，升速到空轉(zhuǎn)工況后，機(jī)組上導(dǎo)擺度和下導(dǎo)擺度轉(zhuǎn)頻分量仍然較大，幅值均大于130 μm。機(jī)組于6月20日進(jìn)行SFC拖動(dòng)試驗(yàn)， 14∶58拖動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速，該工況下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子下導(dǎo)擺度較大，其X方向和Y方向擺度幅值分別為190 μm和193 μm，轉(zhuǎn)頻分量分別為182 μm和185 μm。第二次動(dòng)平衡試驗(yàn)后機(jī)組各部位振擺數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

根據(jù)以上情況，機(jī)組SFC拖動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程中繼續(xù)進(jìn)行了第3、4次加重，第3次在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子下部以鍵相為基準(zhǔn)俯視逆時(shí)針?lè)较?5°位置加重30 kg，加重后機(jī)組下導(dǎo)擺度稍大。第4次在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子下部以鍵相為基準(zhǔn)俯視逆時(shí)針?lè)较?15°加重15 kg。加重后機(jī)組于2016年6月27日進(jìn)行SFC拖動(dòng)，12∶05機(jī)組拖動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速，機(jī)組各導(dǎo)軸承擺度幅值均小于110 μm，機(jī)架振動(dòng)均小于20 μm，振動(dòng)達(dá)到較好水平。機(jī)組反向運(yùn)行在水輪機(jī)工況下振擺同樣處于較好水平，機(jī)組順利進(jìn)入整組調(diào)試階段。第4次動(dòng)平衡試驗(yàn)后水泵方向機(jī)組各部位振擺數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表3 第2次動(dòng)平衡試驗(yàn)后機(jī)組各部位振擺數(shù)據(jù) μm

表4 第4次動(dòng)平衡試驗(yàn)后水泵方向機(jī)組各部位振擺數(shù)據(jù) μm

表5 發(fā)電滿負(fù)荷機(jī)組各導(dǎo)軸承擺度爬升前后數(shù)據(jù)

2.2 機(jī)組帶負(fù)荷過(guò)程振擺異常

6號(hào)機(jī)組于2016年12月16日進(jìn)行發(fā)電滿負(fù)荷工況軸承熱穩(wěn)定試驗(yàn)，試驗(yàn)從13∶27開(kāi)始，至17∶31結(jié)束，共進(jìn)行4 h 4 min。試驗(yàn)過(guò)程中機(jī)組上導(dǎo)擺度、下導(dǎo)擺度和水導(dǎo)擺度都不斷爬升，圖2給出了機(jī)組進(jìn)行發(fā)電滿負(fù)荷工況軸承熱穩(wěn)定試驗(yàn)過(guò)程中各導(dǎo)軸承擺度變化趨勢(shì)圖，表5給出了機(jī)組各導(dǎo)軸承擺度爬升前后數(shù)據(jù)。由圖2、表5數(shù)據(jù)可以看出，下導(dǎo)擺度爬升幅度最大，X向擺度由109 μm爬升到207 μm，其中轉(zhuǎn)頻分量由99 μm爬升到187 μm，Y向擺度由95 μm爬升到206 μm，其中轉(zhuǎn)頻分量由81 μm爬升到176 μm，相位基本不變。

圖2 機(jī)組發(fā)電滿負(fù)荷各導(dǎo)軸承擺度趨勢(shì)

機(jī)組各導(dǎo)軸承擺度主要分量為轉(zhuǎn)頻分量，帶滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)擺度增量中同樣以轉(zhuǎn)頻分量為主，機(jī)組發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子存在質(zhì)量不平衡。調(diào)試期間多次啟動(dòng)試驗(yàn)過(guò)程發(fā)現(xiàn)，機(jī)組在冷態(tài)狀態(tài)下啟動(dòng)時(shí)初始擺度較小，連續(xù)運(yùn)行30 min后基本穩(wěn)定。機(jī)組在熱態(tài)狀態(tài)下啟動(dòng)時(shí)初始擺度較大，隨后擺度爬升并穩(wěn)定在一較高水平。試驗(yàn)表明發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子初始不平衡質(zhì)量較小，帶負(fù)荷后隨著發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度升高，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子變形產(chǎn)生熱不平衡，熱不平衡質(zhì)量與轉(zhuǎn)子原始不平衡質(zhì)量相位基本一致，擺度增大。為進(jìn)一步降低擺度值，2017年2月18日現(xiàn)場(chǎng)分析決定在發(fā)電機(jī)下部加重30 kg，位置位于以鍵相片為基準(zhǔn)俯視逆時(shí)鐘轉(zhuǎn)65°處。此次配重后機(jī)組再次啟動(dòng)，發(fā)電狀態(tài)下各導(dǎo)軸承擺度幅值均小于140 μm，滿足合同要求。

3 振擺異常原因分析

6號(hào)機(jī)組共配重5次，等效配重量相當(dāng)于在發(fā)電機(jī)上端俯視逆時(shí)針136°加重149kg，在發(fā)電機(jī)下端俯視逆時(shí)針83°加重71 kg。機(jī)組產(chǎn)生如此大的初始不平衡可能有以下原因：發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子部件脫落；轉(zhuǎn)子組裝不同心和安裝不對(duì)中；轉(zhuǎn)子熱脹冷縮產(chǎn)生質(zhì)量不平衡；發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不合理等。

對(duì)以上原因逐一進(jìn)行排查：現(xiàn)場(chǎng)多次動(dòng)平衡試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)異常，現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)洞內(nèi)未發(fā)現(xiàn)脫落部件；現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程均進(jìn)行了嚴(yán)格把控，各工序質(zhì)量?jī)?yōu)于規(guī)范要求；轉(zhuǎn)子熱脹冷縮是客觀存在的，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)考慮了該因素，其對(duì)振擺的影響較小。以上三點(diǎn)原因均可排除。

現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁銅引線布置于鍵相位置0°，銅引線總重達(dá)245 kg，在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子下部180°位置內(nèi)筒留有一用于安裝螺栓的人孔，開(kāi)孔去除質(zhì)量達(dá)175 kg，兩處位置設(shè)置不當(dāng)，導(dǎo)致偏重過(guò)大，產(chǎn)生不平衡力達(dá)58 T，勵(lì)磁銅引線與電機(jī)轉(zhuǎn)

子下部人孔位置設(shè)置不當(dāng)使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較大的原始不平衡質(zhì)量，是機(jī)組振擺異常的根本原因。在5號(hào)至1號(hào)機(jī)組進(jìn)行調(diào)試前對(duì)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行預(yù)配重，配重方案為在發(fā)電機(jī)勵(lì)磁引線對(duì)面180°位置發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上部和下部均加重100 kg，配重后機(jī)組首次啟動(dòng)均能順利升速至額定轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)一到兩次精調(diào)后機(jī)組振動(dòng)擺度均達(dá)到優(yōu)秀水平。

4 結(jié) 論

溧陽(yáng)抽水蓄能電站機(jī)組調(diào)試期間振動(dòng)擺度大，無(wú)法升速至額定轉(zhuǎn)速，勵(lì)磁銅引線與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子下部人孔位置設(shè)置不合理，使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較大的原始不平衡質(zhì)量，是機(jī)組振動(dòng)擺度異常的根本原因。對(duì)同類(lèi)型其他機(jī)組轉(zhuǎn)子不平衡質(zhì)量位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，并對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)行預(yù)配重可以大大提高動(dòng)平衡效率。