沙河抽水蓄能機(jī)組動(dòng)平衡試驗(yàn)

郁謝棟，李德敏

（江蘇沙河抽水蓄能發(fā)電有限公司，江蘇 溧陽(yáng) 213333）

1 基本概述

沙河抽水蓄能電站（簡(jiǎn)稱沙河電站）由兩臺(tái)50 MW的可逆式水泵水輪機(jī)組成，采取機(jī)變單元接線方式，通過(guò)220 kV正母線、由單回沙茶4 576線路經(jīng)溧陽(yáng)茶亭變接入江蘇電網(wǎng)。1號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪生產(chǎn)廠家為哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，發(fā)電機(jī)生產(chǎn)廠家為法國(guó)ALSTOM，額定轉(zhuǎn)速為300 r/min，發(fā)電電動(dòng)機(jī)額定容量為50 MW，設(shè)計(jì)最高水頭121 m，設(shè)計(jì)最低水頭100.5 m，額定水頭97.7 m，機(jī)組安裝高程為-8 m，單臺(tái)機(jī)組發(fā)電額定流量為60.8 m3/s，單臺(tái)機(jī)組最小揚(yáng)程抽水流量53.7 m3/s。

沙河電站機(jī)組軸系由轉(zhuǎn)子支架、發(fā)電電動(dòng)機(jī)主軸、水泵水輪機(jī)軸和轉(zhuǎn)輪組成。軸系在徑向方向上受到上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)三部導(dǎo)軸承的束縛。上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)單邊安裝間隙為0.23 mm，活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)為20只，轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為7個(gè)。

振動(dòng)、擺度特性是評(píng)價(jià)抽水蓄能機(jī)組運(yùn)行性能的重要指標(biāo)，也是機(jī)組設(shè)計(jì)、制造和安裝質(zhì)量?jī)?yōu)劣的最直觀體現(xiàn)。動(dòng)平衡試驗(yàn)是水電機(jī)組調(diào)試過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，是為了解決機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中由于轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的機(jī)械振動(dòng)問(wèn)題，以提高試驗(yàn)機(jī)組的穩(wěn)定性。本文主要講述了在沙河抽水蓄能電站1號(hào)機(jī)組更換轉(zhuǎn)輪后，轉(zhuǎn)子軸系動(dòng)平衡發(fā)生變化，可能造成轉(zhuǎn)子重量失衡，需重新開展動(dòng)平衡配重。通過(guò)動(dòng)平衡配重，精準(zhǔn)找出平衡點(diǎn)，在經(jīng)動(dòng)平衡配重之后，1號(hào)機(jī)組振動(dòng)、擺度等主要運(yùn)行參數(shù)得到了大幅改善，綜合運(yùn)行水平優(yōu)于投產(chǎn)初期及上一輪A修后水平，達(dá)歷史最優(yōu)，對(duì)機(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。

2 試驗(yàn)概述

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

為解決1號(hào)機(jī)組更換轉(zhuǎn)輪后不平衡引起機(jī)組振擺超標(biāo)的問(wèn)題，科學(xué)評(píng)價(jià)1號(hào)機(jī)組A修效果。

2.2 試驗(yàn)方法

動(dòng)平衡配重基于轉(zhuǎn)子徑向振動(dòng)幅值與不平衡離心力成正比的原理，通過(guò)測(cè)量轉(zhuǎn)子徑向擺度和相位計(jì)算并確定轉(zhuǎn)子不平衡離心力的大小和相位，依此對(duì)轉(zhuǎn)子立筋進(jìn)行配重?，F(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡計(jì)算方法采用影響系數(shù)法，該方法思想基于轉(zhuǎn)子激勵(lì)與響應(yīng)在一定范圍呈線性，其激勵(lì)和響應(yīng)是純數(shù)學(xué)關(guān)系。

2.3 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

1號(hào)機(jī)組的振動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)采用ISO 7919－5標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)，該標(biāo)準(zhǔn)下，300 r/min的水輪機(jī)組在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的軸系振動(dòng)等級(jí)分區(qū)見表1。

表1 300 r/min水輪發(fā)電機(jī)組軸系振動(dòng)考核標(biāo)準(zhǔn)（峰-峰值）

2.4 試驗(yàn)工況

對(duì)1號(hào)機(jī)組的主要測(cè)試工況為空轉(zhuǎn)工況、空載工況、發(fā)電帶負(fù)荷工況、SFC拖動(dòng)工況和抽水工況。

2.5 測(cè)點(diǎn)位置

振動(dòng)測(cè)試對(duì)象為1號(hào)機(jī)組。振動(dòng)試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)為1號(hào)機(jī)組的上導(dǎo)、下導(dǎo)及水導(dǎo)處兩個(gè)互相垂直的X、Y水平方向共6個(gè)測(cè)點(diǎn)的大軸相對(duì)振動(dòng)，鍵相信號(hào)1個(gè)，所有測(cè)試點(diǎn)信號(hào)均來(lái)自于電站已有的機(jī)組振動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

3 振動(dòng)和擺度測(cè)試結(jié)果分析和處理

（1）1號(hào)機(jī)組A修回裝完成后，于2021年5月31日機(jī)組首次轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定轉(zhuǎn)速的5%后，對(duì)1號(hào)機(jī)組各部位進(jìn)行聲音監(jiān)聽以及外觀檢查，無(wú)任何異常后，運(yùn)行約3 min后停機(jī)。

（2）機(jī)組停穩(wěn)后，再次發(fā)電方向手動(dòng)啟動(dòng)，轉(zhuǎn)速逐漸上升，最后到達(dá)100%額定轉(zhuǎn)速，稍后進(jìn)行過(guò)速試驗(yàn)，轉(zhuǎn)速最高到達(dá)130%額定轉(zhuǎn)速后停機(jī)。

（3）以上兩次啟機(jī)期間，對(duì)機(jī)組振動(dòng)擺度進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，1號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件雖然存在一定量的不平衡，但其在發(fā)電空轉(zhuǎn)工況下振動(dòng)和擺度幅值并不是非常大，完全可以滿足機(jī)組稍后的電氣試驗(yàn)要求。因此，經(jīng)調(diào)試組研究決定，暫時(shí)不做動(dòng)平衡，先將電氣試驗(yàn)完成，待機(jī)組在抽水方向旋轉(zhuǎn)的振動(dòng)和擺度數(shù)據(jù)均完成采集后，結(jié)合轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)，綜合考慮動(dòng)平衡試驗(yàn)。

（4）6月1日進(jìn)行了發(fā)電機(jī)開路試驗(yàn)和短路試驗(yàn)后，進(jìn)行發(fā)電空載試驗(yàn)?？辙D(zhuǎn)和空載試驗(yàn)期間，各測(cè)點(diǎn)擺度和振動(dòng)數(shù)據(jù)見表2。

（5）從表2中的擺度數(shù)據(jù)可以看出，機(jī)組空載比空轉(zhuǎn)工況下稍微穩(wěn)定一些，但1倍頻幅值相差不大；無(wú)論是空轉(zhuǎn)還是空載工況，機(jī)架和頂蓋的振動(dòng)無(wú)明顯區(qū)別，但機(jī)架和頂蓋振動(dòng)通頻值比較大，其振動(dòng)主要成分是高倍頻所致，1倍頻幅值并不是很大。對(duì)機(jī)架1倍頻幅值進(jìn)行換算，無(wú)論是空轉(zhuǎn)還是空載工況下，其1倍頻幅值最大約為23μm。對(duì)上導(dǎo)和下導(dǎo)擺度進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)和下導(dǎo)擺度存在非常大的反向不平衡量，即存在比較大的力偶不平衡。

表2 動(dòng)平衡前1號(hào)機(jī)組發(fā)電空轉(zhuǎn)和空載工況下各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)

（6）1號(hào)機(jī)組在完成電氣試驗(yàn)后，于6月1日由SFC拖動(dòng)，轉(zhuǎn)速正常上升，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值后，保持該狀態(tài)約5 min后停機(jī)。期間，對(duì)1號(hào)機(jī)組擺振進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。SFC拖動(dòng)期間，1號(hào)機(jī)組振擺幅值見表3，各測(cè)點(diǎn)趨勢(shì)見圖1所示。

圖1 1號(hào)機(jī)組動(dòng)平衡前SFC拖動(dòng)額定轉(zhuǎn)速下各測(cè)點(diǎn)擺度趨勢(shì)

表3 動(dòng)平衡前1號(hào)機(jī)組SFC拖動(dòng)工況下各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)

（7）從圖1和表3中的數(shù)據(jù)可以看出，SFC拖動(dòng)機(jī)組時(shí)，擺度時(shí)大時(shí)小，并不是非常穩(wěn)，而且表3中的數(shù)據(jù)也顯示機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部件1倍頻分量和發(fā)電空轉(zhuǎn)、空載時(shí)差不多，存在一定的不平衡量。由于SFC拖動(dòng)時(shí)，擺度幅值時(shí)高時(shí)低，而且相差比較大，因此，其計(jì)算出來(lái)的相位也極其不穩(wěn)定，以至于無(wú)法判斷其相位的大致范圍。

（8）為此，在對(duì)1號(hào)機(jī)組進(jìn)行動(dòng)平衡時(shí)，主要以發(fā)電方向空轉(zhuǎn)和空載的數(shù)據(jù)作為依據(jù)。6月2日，1號(hào)機(jī)組開展動(dòng)平衡試驗(yàn)，基于歷史數(shù)據(jù)的分析和統(tǒng)計(jì)，并參考機(jī)組具體結(jié)構(gòu)，決定在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子11號(hào)磁極處上部加20.4 kg配重塊。配重塊安裝完畢且機(jī)組隔離恢復(fù)后，1號(hào)機(jī)組發(fā)電工況自動(dòng)啟動(dòng)空載運(yùn)行，轉(zhuǎn)速達(dá)到額定值300 r/min后穩(wěn)定運(yùn)行約5 min后停機(jī)。期間，對(duì)1號(hào)機(jī)組各擺度振動(dòng)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，各擺度和振動(dòng)幅值見表4。

表4 第一次動(dòng)平衡后1號(hào)機(jī)組空載工況下各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)

（9）對(duì)比動(dòng)平衡前1號(hào)機(jī)組空載時(shí)的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)擺度略微變小的同時(shí)下導(dǎo)擺度增大得比較多，究其原因，是因?yàn)槠胶鈮K質(zhì)量比較大所致。經(jīng)再次計(jì)算，將原位置的20.4 kg配重塊更換為7.8 kg。配重塊安裝完畢，且隔離措施恢復(fù)后，自動(dòng)開機(jī)，1號(hào)機(jī)組發(fā)電至空載操作，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速300 r/min后進(jìn)入空載工況，該工況下連續(xù)運(yùn)行約5 min后停機(jī)。機(jī)組運(yùn)行期間，對(duì)1號(hào)機(jī)組各擺度振動(dòng)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，各擺度和振動(dòng)幅值見表5。

（10）從表5中的數(shù)據(jù)得知，上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)擺度1倍頻幅值（除上導(dǎo)Y方向外）均比較小，而且都差不多大小。對(duì)比動(dòng)平衡前各測(cè)點(diǎn)擺度幅值，上導(dǎo)擺度1倍頻幅值有大幅度降低，下導(dǎo)擺度1倍頻幅值略微降低。對(duì)其數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析，發(fā)現(xiàn)上導(dǎo)與下導(dǎo)擺度的相位基本呈相反，也就是說(shuō)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上下呈力偶不平衡狀，鑒于目前1號(hào)機(jī)組的結(jié)構(gòu)以及目前上導(dǎo)和下導(dǎo)1倍頻幅值數(shù)值，動(dòng)平衡試驗(yàn)達(dá)到預(yù)期效果。

表5 第二次動(dòng)平衡后1號(hào)機(jī)組空載工況下各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)

（11）6月5日，1號(hào)機(jī)組在甩100%負(fù)荷前，滿負(fù)荷發(fā)電工況運(yùn)行，期間對(duì)其擺度和振動(dòng)進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)。各擺度和振動(dòng)幅值見表6、表7。

表6 第二次動(dòng)平衡后1號(hào)機(jī)組滿負(fù)荷發(fā)電工況下各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)

表7 第二次動(dòng)平衡后1號(hào)機(jī)組滿負(fù)荷抽水工況下各測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)

續(xù)表7

（12）從以上數(shù)據(jù)來(lái)看，1號(hào)機(jī)組無(wú)論是發(fā)電工況還是泵工況下運(yùn)行非常平穩(wěn)，機(jī)組擺度通頻幅值整體處于ISO7919－5標(biāo)準(zhǔn)規(guī)的A區(qū)振動(dòng)水平，“可不加限制地運(yùn)行”。至此，1號(hào)機(jī)組A修后動(dòng)平衡試驗(yàn)正式結(jié)束，動(dòng)平衡試驗(yàn)達(dá)到預(yù)期效果。

4 振動(dòng)、擺度特性評(píng)價(jià)

1號(hào)機(jī)組經(jīng)A修后，機(jī)組雖存在比較大的不平衡力，但經(jīng)動(dòng)平衡后，各測(cè)點(diǎn)擺度均大幅度下降。無(wú)論是發(fā)電工況運(yùn)行還是抽水工況運(yùn)行，機(jī)組擺度1倍頻幅值整體處于ISO7919-5標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A區(qū)范圍，“可不加限制地運(yùn)行”。修后上導(dǎo)擺度分別比投產(chǎn)初期、首輪A修后、本次A修前降低19%、24%、43%；下導(dǎo)擺度分別降低35%、39%、54%；水導(dǎo)擺度變化不大，與修前基本持平；頂蓋振動(dòng)分別降低37%、58%、21%；尾水管振動(dòng)分別降低75%、30%、60%；A修后在機(jī)組100%甩負(fù)荷試驗(yàn)時(shí)發(fā)電機(jī)層蓋板上豎立一元硬幣不倒。由此可見，機(jī)組振動(dòng)、擺度等主要運(yùn)行參數(shù)得到了大幅改善，綜合運(yùn)行水平優(yōu)于投產(chǎn)初期及上一輪A修后水平，達(dá)歷史最優(yōu)，對(duì)機(jī)組長(zhǎng)期安全穩(wěn)定運(yùn)行意義重大。

5 結(jié)論

通過(guò)沙河抽水蓄能電站1號(hào)機(jī)組動(dòng)平衡試驗(yàn)以及相關(guān)振動(dòng)、擺度問(wèn)題的分析和處理，總結(jié)如下：

（1）SFC拖動(dòng)時(shí)，擺度幅值時(shí)高時(shí)低，相差比較大，其計(jì)算出來(lái)的相位也極其不穩(wěn)定，以至于無(wú)法判斷其相位的大致范圍。因此，在對(duì)1號(hào)機(jī)組進(jìn)行動(dòng)平衡時(shí)，主要以發(fā)電方向空轉(zhuǎn)和空載的數(shù)據(jù)作為依據(jù)。

（2）通過(guò)兩次試配，上導(dǎo)擺度1倍頻幅值有大幅度降低，綜合判斷機(jī)組結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)子上下呈力偶不平衡現(xiàn)狀和配重后上導(dǎo)、下導(dǎo)1倍頻幅值大小，配重達(dá)到預(yù)期效果。

（3）發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮到配重塊的固定，避免在轉(zhuǎn)子磁極處上部焊接配重塊。

（4）目前抽水蓄能機(jī)組沒有專門的安裝規(guī)范，對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的安裝、軸線的調(diào)整應(yīng)結(jié)合設(shè)備制造廠和相關(guān)安裝標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格要求。