水電機組運行穩定性及振動

　　現在我國水力發電建設發展十分迅速，而運行穩定性問題是目前國內外很多大中型水輪發電機組大量存在且沒有很好解決的突出問題。本文針對水力發電機組的運行穩定性及某些振動案例進行了分析。

　　《水電自動化與大壩監測》(雙月刊)創刊于1997年，由國電自動化研究院主辦，全國水電廠自動化技術信息網、全國大壩安全監測技術信息網協辦，電力系統自動化雜志社編輯出版。

　　1 前言

　　現在我國水力發電建設發展十分迅速，新建發電機組大量投入運行，由于電站建設投資方眾多，電廠機電設備的制造、安裝、調試及竣工驗收等各方面存在很多問題，使某些機組投入運行后機組運行穩定性差，振動擺度超標，導致機組架機、軸系、主軸等方面的機械損傷，影響機組的安全運行，本文針對水力發電機組的運行穩定性及某些振動處理案例進行了分析探討。

　　2 水電機組穩定性分析

　　運行穩定性問題是目前國內外很多大中型水輪發電機組大量存在且沒有很好解決的突出問題。由于水輪機固有的結構特性，使其在偏離較優運行區運行時來流沖角加大，轉輪出口產生正或負的環量，出現轉輪進出水邊脫流、葉道渦、尾水管渦帶等影響水輪機穩定運行的因素，所以水輪機只在一定負荷范圍內能夠穩定運行，這是其固有的特征之一。一般來說，影響水輪發電機組運行穩定性的因素，可歸納為：水力、機械與電氣三大因素。水力因素中主要是尾水管渦帶對水電機組的穩定性的影響;機械因素中，影響機組運行穩定性的因素包含動平衡配重質量和軸線調整質量，由于各臺機組的上述質量不完全相同，則在同樣的水力因素作用下，機組的運行狀態不完全相同。

　　2.1 機組的振動、擺度、水壓脈動評價標準

　　對于水力發電機組的振動、擺度各電廠可以依據：GB—T一6075—5—2002在非旋轉部件上測量和評價機器的機械振動》第5部分：水力發電廠和泵站機組，GB—T一6075一l二1999《在非旋轉部件上測量和評價機器的機械振動》第1部分：總則，GB/T 11348.5—2002《旋轉機械轉軸徑向振動的測量和評定》第5部分：水力發電廠和泵站機組，GB/T 11348.1—1999《旋轉機械轉軸徑向振動的測量和評定》第l部分：總則等標準接合各電廠設備情況制定評價標準及在線監測系統的報警定值。

　　水壓脈動可以依據輪轉模性試驗驗收規程及轉輪相關技術指標和《水力機械振動和脈動現場測試規程》GB—T17189—1997等技術規程和文件來制定水壓脈動評價依據或線監測系統的報警定值。

　　2.2 運行穩定性分析

　　在有完整的測試驗數據資料的基礎上，才有可能作出結論明確的分析，以下是機組帶負荷穩態運行過程軸心軌跡分析：

　　上圖2—1是某大型混流式機組在不同負荷運行時的軸心軌跡圖，圖中(A)、(B)、(C)、(D)分別是機組帶不同負荷情況下水導軸承處軸心軌跡(圖2-1A、C)及上導軸承處軸心軌跡(圖2-1B、D)，很明顯，機組在不同負荷運行工況，水輪機流道中流場變化很大，但對上上導軸承處軸心軌跡影響不大，而對水導軸承處軸心軌跡受水力因數影響極為明顯，圖2-1(A)所示機組在帶250MW負荷運行時，水導軸承處軸心軌跡近似園型，說明X—Y方向的擺動為一倍頻，而且水導軸承處各方向預載荷均衡，根據圖2-1(C)所示機組在帶160MW負荷運行時，水導軸承處軸心軌跡受水力因數影響產生了明顯的低頻滾動現象，主要是受轉輪出口旋轉流場影響，改變了水導軸承處軸心軌跡型態，這時水導軸承處的水平振動明顯上升(55μm一120μm)，其軸振頻譜也發生明顯改變。

　　3 水輪發電機組振動分析

　　水輪發電機組振動是水電站存在的一個普遍問題。運行中的機組不同程度都存在著振動，當振動超過規定的允許值時，便會影響機組的安全運行和機組的壽命.需及時找出原因并采取措施消除。同時水輪發電機組的振動也是一個復雜的問題，但從振動的原因來看，一般有機械、水力及電磁等方面的原因。

　　由于機組機械部分的慣性力、摩擦力及其他力的于擾造成的振動叫做機械振動。引起機械振動的主要因素有：轉子質量不平衡、機組軸線不正、導軸承缺陷等。

　　由水輪機水力部分的動水壓力的干擾造成振動叫水力振動。引起水力振動的主要因素有：水力不平衡、尾水管中的水力不穩定、渦列等。

　　由發電機電磁部分的電磁力的干擾造成的振動叫做電磁振動。引起電磁振動的

　　因素有：發電機二相不對稱運行、發電機突然短路等。

　　3.1 水力發電機組主軸不同心導致的振動案例分析

　　以下是某高轉速混流式機組、現場經多次振動處理后的一組振動特征數據：

　　根據試驗數據結果綜合分析，機組原有的質量不平衡導致的振動己消除，但機組上機架通頻振動幅值仍然很大(超標)，其主要振動頻率成份是16.3Hz(二倍頻)及22.5Hz，嚴重影響機組安全運行，綜合電廠檢修情況及機組振動發展情況，對機組上機架通頻振動值超標(標準為50μm)的主要原因判斷如下：

　　機組推力軸承組合存在軸線與推力頭鏡板不垂直、軸線對中不好或推力頭松動等問題;上導、下導及水導軸承不同心，各導軸承間隙配合不當。機組停機大修，對上導、下導及水導軸承同心度及軸線作重新調整，并對水導軸承處主軸軸頸處偏磨(深度約650μm，角度約70°)進行重新加工處理，開機運行后原主要振動頻率16.3Hz(二倍頻)及22.5Hz得到有效改善，通頻振動幅值下降至40μm以下。

　　4 結語

　　本文通過對現場測試有關數據進行分析，闡述了水力發電機組運行的穩定性及分析評價方法，通過具有代表性的實例重點分析了水力發電機組主軸不同心導致的機組振動和受不平衡力的作用導致機組振動原因，并提出相應的處理方法，對水力發電機組的振動測量和處理具有借鑒意義。

　　水力發電機組的振動是一個很復雜的問題，有機械類振動、電氣類振動和水施類振動，水輪發電機組在運行中產生振動現象是不可避免的，由于水輪機固有的結構特性，必然產生如尾水管渦帶等水力不穩定現象，雖然通過優化水利設計可適當減小運行范圍內的水壓脈動，擴大機組的穩定運行范圍，但就目前國內外技術看，水輪機要完全保證全范圍內穩定運行還很難做到。所以優化機組運行和采取有效減振防范措施是目前解決水輪機穩定性問題較為有效的手段之一。

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