立式水輪發(fā)電機(jī)組突發(fā)振動(dòng)的分析及處理

陳曉明，張 華

(國(guó)電恩施水電開(kāi)發(fā)有限公司，湖北 恩施 445000)

水輪發(fā)電機(jī)組經(jīng)過(guò)一段長(zhǎng)周期正常運(yùn)行后，突發(fā)振動(dòng)，是水電站經(jīng)常會(huì)遇到的一種機(jī)組非正常運(yùn)行現(xiàn)象。對(duì)機(jī)組突發(fā)振動(dòng)的分析，一般要結(jié)合機(jī)組上次檢修以來(lái)，機(jī)組運(yùn)行工況的變化，從水力、電氣、機(jī)械等多方面進(jìn)行綜合分析[1]，從而確定處理方向，找準(zhǔn)故障原因，針對(duì)性開(kāi)展檢修，縮小檢修范圍，以便及時(shí)恢復(fù)。2021年8月，某水電站運(yùn)行過(guò)程中，機(jī)組振動(dòng)突然增大，經(jīng)過(guò)分析處理，確定了故障原因，很快恢復(fù)正常運(yùn)行。

1 問(wèn)題提出

某水電站裝機(jī)2臺(tái)30 MW懸吊式水輪發(fā)電機(jī)組，主要參數(shù)如表1。

1號(hào)機(jī)組于2008年投運(yùn)，2011年、2019年兩次A級(jí)檢修，2021年8月下旬，機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)突然增大，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)上機(jī)架振動(dòng)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)超規(guī)范值，后迅速停機(jī)。振動(dòng)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

2 檢查分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)檢查

現(xiàn)場(chǎng)外觀檢查，發(fā)現(xiàn)推力油槽油色相對(duì)2號(hào)機(jī)組變深，其余下導(dǎo)、水導(dǎo)外觀及油色未見(jiàn)異常，監(jiān)控系統(tǒng)各部瓦溫?zé)o明顯升高。根據(jù)各部位振動(dòng)數(shù)據(jù)分析，故障主要在推力軸承部位，推力軸承結(jié)構(gòu)如圖1，推力瓦共8塊。確定拆除上端蓋、上導(dǎo)瓦架及推力油槽冷卻器等，檢查推力瓦、托盤(pán)及抗磨片等情況。

表1 水輪發(fā)電機(jī)組主要參數(shù)

表2 機(jī)組振動(dòng)測(cè)量值 0.01 mm

圖1 推力軸承結(jié)構(gòu)圖

經(jīng)檢查，推力瓦、托盤(pán)及抗磨片均無(wú)異常，發(fā)現(xiàn)兩塊推力瓦內(nèi)側(cè)限位塊焊縫開(kāi)裂，取出后發(fā)現(xiàn)限位塊頂部有明顯磨損痕跡。初步分析，振動(dòng)可能是由于內(nèi)側(cè)限位塊頂托推力瓦，導(dǎo)致水平發(fā)生變化引起振動(dòng)，但引起油色變深的原因還不明確。為進(jìn)一步查找原因，繼續(xù)拆除推力頭與鏡板連接螺栓，檢查推力頭與鏡板之間絕緣墊片，發(fā)現(xiàn)絕緣墊片部分區(qū)域有明顯碳化腐蝕現(xiàn)象，其中6點(diǎn)方向已有局部蝕穿，5、7兩點(diǎn)方向也有較大面積碳化腐蝕(見(jiàn)圖2)。厚度測(cè)量，原絕緣墊厚度一般在2 mm左右，該絕緣墊片最厚區(qū)域約1.5 mm。拆除過(guò)程中，推力頭與鏡板8只M30連接螺栓，通過(guò)彈簧墊圈止動(dòng)，檢查螺栓無(wú)異常，但發(fā)現(xiàn)拆除時(shí)對(duì)應(yīng)的5、6、7點(diǎn)方向，螺栓緊度較其他5只略松。檢查推力頭底面、鏡板背面無(wú)明顯腐蝕。

圖2 絕緣墊片腐蝕示意圖

2.2 問(wèn)題分析

中小型立式水輪發(fā)電機(jī)組，推力頭和鏡板之間絕緣墊片，主要作用為：一是避免在推力軸承座與轉(zhuǎn)動(dòng)部件之間形成軸電流回路；二是在機(jī)組盤(pán)車(chē)過(guò)程中，通過(guò)研刮絕緣墊片厚度，調(diào)整機(jī)組軸線(xiàn)，控制機(jī)組各部擺度在規(guī)范內(nèi)。

綜合分析，針對(duì)本次絕緣墊片形成的腐蝕現(xiàn)象，有兩種情況可能導(dǎo)致該現(xiàn)象發(fā)生。

1)電腐蝕引發(fā)。機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分對(duì)地軸電流，通過(guò)絕緣墊片絕緣薄弱處形成回路，從而發(fā)生電腐蝕。因該機(jī)組推力瓦采用氟塑瓦，瓦面本身就是絕緣材料，且從現(xiàn)場(chǎng)檢查，推力瓦完好無(wú)損，不能形成電流回路，該因素可以排除。

2)局部間隙引發(fā)。絕緣墊片與推力頭、鏡板之間可能存在局部間隙，該局部間隙分開(kāi)時(shí)，潤(rùn)滑油進(jìn)入，局部間隙壓縮時(shí)，潤(rùn)滑油被擠出。機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，該局部間隙旋轉(zhuǎn)到推力瓦上方時(shí)，就可能受到擠壓，旋轉(zhuǎn)到兩塊推力瓦之間時(shí)，間隙就可能分開(kāi)，也就是說(shuō)，機(jī)組每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，可能會(huì)形成8次擠壓、8次分開(kāi)，該機(jī)組轉(zhuǎn)速為428.6 r/min，每分鐘該間隙分合次數(shù)會(huì)非常頻繁，因分合轉(zhuǎn)換非常快，油的進(jìn)出轉(zhuǎn)換也會(huì)非?？?，且流速很高，甚至?xí)纬删植扛邏焊邷兀瑢?dǎo)致絕緣墊片碳化，加之油在快速進(jìn)出及機(jī)組內(nèi)部油路循環(huán)中，還會(huì)產(chǎn)生氣泡，氣泡也會(huì)對(duì)絕緣墊片形成腐蝕，最終導(dǎo)致間隙區(qū)域絕緣墊片不斷碳化腐蝕，面積不斷擴(kuò)大，油色逐步變深。該機(jī)組上次A修為2019年，經(jīng)過(guò)2年時(shí)間運(yùn)行，絕緣墊片腐蝕區(qū)域接觸點(diǎn)不斷被腐蝕減薄，最終從量變到質(zhì)變，機(jī)組擺度突然異常增大，導(dǎo)致本次振動(dòng)發(fā)生。

2.3 局部間隙產(chǎn)生的原因

分析本次事件，屬絕緣墊片與推力頭、鏡板之間存在局部間隙導(dǎo)致，該間隙如何產(chǎn)生，可從設(shè)備制造和安裝兩方面分析。

1)設(shè)備制造原因。從圖1推力軸承結(jié)構(gòu)圖可以看出，要保證推力頭、絕緣墊片、鏡板之間接觸良好，制造階段必須嚴(yán)格控制推力頭底面、鏡板背面平面度[2]。該機(jī)組投運(yùn)于2008年，至2019年第二次A修之前，機(jī)組運(yùn)行均正常，若屬加工制造方面問(wèn)題，機(jī)組投運(yùn)后2～3年就可能暴露出來(lái)，且2019年A修以及本次檢修，鏡板背面、推力頭底面均未發(fā)現(xiàn)異常腐蝕現(xiàn)象，本次振動(dòng)可以排除設(shè)備制造方面原因。

2)設(shè)備安裝原因。中小型水輪發(fā)電機(jī)組檢修過(guò)程中，絕緣墊片用于機(jī)組軸線(xiàn)調(diào)整。通過(guò)機(jī)組盤(pán)車(chē)，測(cè)量出下導(dǎo)、水導(dǎo)等處擺度值，通過(guò)擺度計(jì)算，找出軸線(xiàn)最大偏差方向，計(jì)算出絕緣墊片最大刮削厚度，在絕緣墊片上均勻劃分刮削區(qū)域，通過(guò)人工刮削調(diào)整，要求從最大刮削區(qū)域至最小刮削區(qū)域，應(yīng)均勻刮削出楔形，且要求每個(gè)區(qū)域均勻分布接觸點(diǎn)[3]。該項(xiàng)工序要求較高，且需要有較為豐富經(jīng)驗(yàn)的人員來(lái)完成。同時(shí)，中小水電站一般未配置工業(yè)平板，刮削后的絕緣墊片，難以現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)絕緣墊片接觸點(diǎn)情況，導(dǎo)致某個(gè)區(qū)域可能存在的無(wú)接觸點(diǎn)現(xiàn)象，從而導(dǎo)致安裝后可能存在局部間隙。

3 現(xiàn)場(chǎng)處理

因正值汛期，為減少電站棄水，確定不拔推力頭，排除推力頭及鏡板加工質(zhì)量影響因素，縮小檢修范圍，適當(dāng)降低兩只已脫落內(nèi)側(cè)限位塊高度并焊接牢固，更換絕緣墊片，詳細(xì)檢查上導(dǎo)、下導(dǎo)、水導(dǎo)三部軸承及支承結(jié)構(gòu)，重新盤(pán)車(chē)調(diào)整軸線(xiàn)。通過(guò)半個(gè)月檢修，機(jī)組恢復(fù)運(yùn)行，經(jīng)不同工況及甩負(fù)荷試驗(yàn)，機(jī)組各項(xiàng)數(shù)據(jù)正常[4]。

4 結(jié) 語(yǔ)

盤(pán)車(chē)是水輪發(fā)電機(jī)組安裝檢修過(guò)程中的一項(xiàng)重要工序，中小型水輪發(fā)電機(jī)組軸線(xiàn)調(diào)整，大多都是通過(guò)刮削絕緣墊片完成，因很多中小水電站未配備工業(yè)平板，如何檢驗(yàn)刮削后的絕緣墊片接觸點(diǎn)是否滿(mǎn)足要求，是需要面對(duì)的問(wèn)題。正常檢修程序?yàn)?，機(jī)組盤(pán)車(chē)完畢、軸線(xiàn)處理合格后，在做好鏡板水平及水導(dǎo)擺度監(jiān)視前提下，調(diào)整推力瓦受力，使每塊推力瓦受力基本一致，在推力瓦受力調(diào)整合格后，將機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分調(diào)整至中心，固定好轉(zhuǎn)動(dòng)部分后，進(jìn)行機(jī)組整體回裝[5]。

結(jié)合本次突發(fā)振動(dòng)的原因分析，在本次檢修中，為檢查新絕緣墊片是否存在過(guò)大局部間隙，在推力瓦受力調(diào)整合格后、機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分調(diào)整至中心前，再次復(fù)核機(jī)組水平數(shù)據(jù)，并和推力瓦調(diào)整受力之前水平數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，若存在水平數(shù)據(jù)偏差過(guò)大情況，即可確定某個(gè)方向可能存在局部間隙。因?yàn)橥屏︻^、絕緣墊、鏡板之間若存在局部間隙，推力瓦在逐步受力過(guò)程中，雖然監(jiān)視的水平數(shù)據(jù)以及水導(dǎo)擺度無(wú)變化，但局部間隙對(duì)應(yīng)下面的推力瓦支柱螺栓升高值會(huì)與其他支柱螺栓不一致，最終可能導(dǎo)致推力瓦受力后機(jī)組水平發(fā)生偏差。因此，在推力瓦受力調(diào)整合格、機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)部分調(diào)整至中心前，再次復(fù)核機(jī)組水平很有必要，且通過(guò)和推力瓦受力之前機(jī)組水平數(shù)據(jù)仔細(xì)比對(duì)分析，可找出存在局部間隙的方位，及時(shí)進(jìn)行處理。