邱小耕，孫 彬，王冬梅

(四川二灘國(guó)際工程咨詢(xún)有限責(zé)任公司，四川成都 611130)

1 概述

錦屏二級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧三縣交界處的雅礱江干流錦屏大河灣上，采用低閘引水式開(kāi)發(fā)，地下廠(chǎng)房?jī)?nèi)共布置8臺(tái)單機(jī)容量為600MW的水輪發(fā)電機(jī)組。發(fā)電機(jī)為空冷立軸半傘式，型號(hào)為SF600/36-1180，轉(zhuǎn)子重963t，發(fā)電機(jī)總重約2280t。機(jī)組額定水頭288m，額定轉(zhuǎn)速 166．7r/min，最高水頭為318．8m，額定流量 228．6m3/s，飛逸轉(zhuǎn)速為 300 r/min，額定容量為667MVA。該機(jī)組是目前世界上該容量機(jī)組段水頭最高、轉(zhuǎn)速最大的水輪發(fā)電機(jī)組，其設(shè)計(jì)、制造、安裝、監(jiān)理等工作都具有較大難度及挑戰(zhàn)性。2012年12月30日，電站首臺(tái)機(jī)組順利發(fā)電，2014年11月26日最后一臺(tái)機(jī)組順利發(fā)電。

2 轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡問(wèn)題

8#機(jī)組于2014年11月8日首次開(kāi)機(jī)，完成了機(jī)組瓦溫考核和動(dòng)平衡試驗(yàn)，在4次配重后，機(jī)組的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)滿(mǎn)足四川省雅礱江錦屏二級(jí)水電站水輪發(fā)電機(jī)安裝質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求，最終的配重部位和配重值見(jiàn)表1，轉(zhuǎn)子示意圖見(jiàn)圖1，動(dòng)平衡試驗(yàn)后機(jī)組各運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2，過(guò)速150%時(shí)機(jī)組各參數(shù)見(jiàn)表3。過(guò)速試驗(yàn)停機(jī)后對(duì)機(jī)組進(jìn)行了全面檢查，主要包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分，如轉(zhuǎn)子支架焊縫及其他焊縫、磁軛鍵、磁極鍵、阻尼環(huán)及磁極引線(xiàn)、磁軛壓緊螺桿等，檢查結(jié)果均無(wú)異常并調(diào)整了過(guò)速保護(hù)裝置。檢查完成后重新開(kāi)機(jī)，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后各項(xiàng)參數(shù)無(wú)法恢復(fù)到過(guò)速試驗(yàn)前的數(shù)值且數(shù)據(jù)不穩(wěn)定，經(jīng)常變動(dòng)，忽大忽小(表4)。從表4中可以看出機(jī)組上、下導(dǎo)軸承振動(dòng)比過(guò)速前明顯偏大。由于通過(guò)配重完成機(jī)組動(dòng)平衡試驗(yàn)后，各項(xiàng)參數(shù)在過(guò)速前是符合相應(yīng)要求的，因此，需要重新查找機(jī)組產(chǎn)生振動(dòng)、擺度偏大且不穩(wěn)定的原因。

表1 配重部位和配重值表 /kg

圖1 轉(zhuǎn)子示意圖

表2 動(dòng)平衡試驗(yàn)后機(jī)組各運(yùn)行參數(shù)表 /μm

表3 過(guò)速150%時(shí)機(jī)組各參數(shù)表 /μm

表4 機(jī)組振動(dòng)、擺度參數(shù)表/μm

3 機(jī)組振動(dòng)大的原因分析

對(duì)于立式機(jī)組，引起水輪發(fā)電機(jī)振動(dòng)過(guò)大的因素比較復(fù)雜，主要包括機(jī)械不平衡、電磁不平衡、水力不平衡。

由于是空載啟動(dòng)試驗(yàn)，機(jī)組勵(lì)磁系統(tǒng)未工作，故可排除電磁不平衡因素。前期已完成動(dòng)平衡試驗(yàn)，機(jī)械不平衡的可能性亦降低。水力不平衡常常由空腔脫流或渦列引起機(jī)組的振動(dòng)，其振幅在某些低負(fù)荷區(qū)域很大，其頻率范圍很廣，水力不平衡與引水系統(tǒng)容易發(fā)生水力共振，其共振頻率和引水系統(tǒng)管路特性有關(guān)，振動(dòng)方向表現(xiàn)為軸向，即頂蓋和承重機(jī)架垂直振動(dòng)很大，但機(jī)架和頂蓋振動(dòng)與前期基本無(wú)變化且運(yùn)行也是在額定狀態(tài)下，因此，排除了此因素。

過(guò)速后機(jī)架及上、下導(dǎo)軸承擺度偏大且不穩(wěn)定，這在前期7臺(tái)機(jī)組中都未發(fā)生過(guò)。為查清為何過(guò)速后機(jī)組擺度偏大且不穩(wěn)定的原因，再次對(duì)機(jī)組內(nèi)部進(jìn)行了更全面的檢查，最終發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子上端面上的勵(lì)磁引線(xiàn)阻尼環(huán)因外力產(chǎn)生了擠壓?，F(xiàn)場(chǎng)的勵(lì)磁引線(xiàn)用螺栓與環(huán)氧支撐塊固定在轉(zhuǎn)子上端面以及轉(zhuǎn)子擋風(fēng)板上，機(jī)組過(guò)速試驗(yàn)時(shí)，轉(zhuǎn)子環(huán)形擋風(fēng)板因焊接產(chǎn)生了應(yīng)力釋放，導(dǎo)致固定在擋風(fēng)板上的勵(lì)磁引線(xiàn)松動(dòng)，造成機(jī)組轉(zhuǎn)子的動(dòng)不平衡，引起上機(jī)架的振動(dòng)并作用于導(dǎo)軸承使導(dǎo)軸承擺度不穩(wěn)。

轉(zhuǎn)子擋風(fēng)板為現(xiàn)場(chǎng)拼裝配割后焊接在轉(zhuǎn)子副立筋支臂上，廠(chǎng)家設(shè)計(jì)時(shí)并沒(méi)有要求焊接，因現(xiàn)場(chǎng)后期考慮并經(jīng)廠(chǎng)家技術(shù)指導(dǎo)同意，采用段焊的方式與支臂連接，在后期過(guò)速試驗(yàn)后，常因應(yīng)力釋放而破裂，隨后進(jìn)行補(bǔ)焊。磁極引線(xiàn)為現(xiàn)場(chǎng)拼接，采用螺栓與環(huán)氧支撐塊固定，并用力矩扳手和螺紋鎖固膠鎖定以防軸線(xiàn)竄動(dòng)。前期機(jī)組在試驗(yàn)中未出現(xiàn)引線(xiàn)竄動(dòng)情況，此次故障可能是磁極引線(xiàn)因徑向滑動(dòng)、加之擋風(fēng)板應(yīng)力釋放、相互疊加加劇了振動(dòng)影響。

通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子擋風(fēng)板重新焊接和對(duì)勵(lì)磁引線(xiàn)的重新固定后，再次開(kāi)機(jī)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)子上機(jī)架振動(dòng)和各導(dǎo)軸承擺度不再變化，但此時(shí)數(shù)據(jù)已失真，于是決定拆除之前的配重塊，重新進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn)。

4 轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡的解決方法

動(dòng)平衡試驗(yàn)，就是人為改變轉(zhuǎn)子的不平衡性，測(cè)量機(jī)組振動(dòng)的變化，從而計(jì)算出轉(zhuǎn)子存在的質(zhì)量不平衡，用平衡配重的辦法使轉(zhuǎn)子重心趨于旋轉(zhuǎn)重心，減小轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的不平衡離心力和離心力偶，從而減小質(zhì)量不平衡引起的振動(dòng)。

4．1 三次試重法

傳統(tǒng)的處理方法是三次試重法。首先，在不加任何試驗(yàn)荷重的情況下測(cè)量機(jī)組在空載額定轉(zhuǎn)速時(shí)的軸承橫向振動(dòng)值;其次，將試驗(yàn)荷重加在轉(zhuǎn)子圓周半徑為 R，方位角為 0°、120°、240°三處，起動(dòng)機(jī)組以額定轉(zhuǎn)速分別測(cè)量軸承橫向振動(dòng)μ1、μ2、μ3;第三步，通過(guò)以上四次振動(dòng)幅值可以計(jì)算出使轉(zhuǎn)子達(dá)到平衡所需平衡配重的大小和方位;第四步，按計(jì)算值將平衡配重加在轉(zhuǎn)子上并再次起動(dòng)機(jī)組，測(cè)定振動(dòng)幅值，檢驗(yàn)平衡效果，直至使振動(dòng)幅值小于規(guī)程允許值為止。這種方法解決動(dòng)平衡問(wèn)題比較有效，但現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)操作起來(lái)卻比較繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)工且不易掌握。

4．2 振擺量測(cè)成相法

經(jīng)研究決定采用專(zhuān)業(yè)測(cè)相儀器，再配合傳統(tǒng)配重法來(lái)完成動(dòng)平衡試驗(yàn)工作更具效率。這種儀器可一次同時(shí)測(cè)出振幅和幅值所在方位，根據(jù)振動(dòng)幅值的大小和方位，逐次加配重，直到問(wèn)題解決為止。這種方法省時(shí)省事且具有傳統(tǒng)方法的優(yōu)點(diǎn)，因此，試驗(yàn)時(shí)多采用這種方法。錦屏二級(jí)水電站1#～8#機(jī)組的動(dòng)平衡也是按此方法進(jìn)行調(diào)整的。

5 轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡的處理

5．1 失重角的確定

錦屏二級(jí)水電站現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試采用的是由北京華科同安生產(chǎn)的TN8000STA振擺監(jiān)測(cè)程序來(lái)完成失重角的確定。首先，廠(chǎng)家在兩根轉(zhuǎn)子磁極引線(xiàn)中間正對(duì)的1#磁極正下方做好鎖相測(cè)量標(biāo)記并固定鎖相測(cè)量傳感器。同時(shí)，在同一方位的下導(dǎo)軸承和上機(jī)架上固定有振動(dòng)測(cè)量傳感器，使振動(dòng)測(cè)量傳感器測(cè)頭與鎖相測(cè)量傳感器方位一致，以保證測(cè)試精度。將振動(dòng)測(cè)量傳感器測(cè)量信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換處理后，與鎖相傳感器信號(hào)同時(shí)輸入測(cè)量?jī)x器。在額定轉(zhuǎn)速下，測(cè)得上機(jī)架最大振動(dòng)值為89μm，最大振動(dòng)方位為鎖相標(biāo)記(轉(zhuǎn)子引線(xiàn)方向)順時(shí)針213°。根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，可以確定配重方位為鎖相標(biāo)記逆時(shí)針147°，即轉(zhuǎn)子12#～13#支臂之間。

5．2 試重塊的選取

為使機(jī)組振動(dòng)在加試重后有一定的反應(yīng)，又不致使振動(dòng)增加過(guò)大而危及機(jī)組安全，按照DL/T507-2002水輪發(fā)電機(jī)組起動(dòng)試驗(yàn)規(guī)程的要求，將試加配重塊質(zhì)量選取為195kg。根據(jù)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，盡可能考慮配重塊的均布，將配重塊等分加在12#～13#之間的配重槽內(nèi)上、中、下三部分，各65 kg。重啟機(jī)組，測(cè)量機(jī)組的振動(dòng)、擺度，振幅明顯降低，失重角基本無(wú)變化，說(shuō)明此次配重正確。由于擺度依然偏大，通過(guò)再次配重減小擺度，直至符合要求。機(jī)組最終的配重結(jié)果見(jiàn)表5，最終配重后的運(yùn)行參數(shù)參見(jiàn)表6。

表5 機(jī)組最終配重結(jié)果表/kg

表6 機(jī)組最終運(yùn)行參數(shù)表/μm

6 結(jié)語(yǔ)

水電站水輪發(fā)電機(jī)組安裝過(guò)程中出現(xiàn)上機(jī)架振動(dòng)和導(dǎo)軸承擺度偏大是常見(jiàn)的現(xiàn)象，對(duì)工程實(shí)踐中快速解決轉(zhuǎn)子動(dòng)不平衡問(wèn)題的方法進(jìn)行總結(jié)是非常必要的。從錦屏二級(jí)水電站8#機(jī)組空載運(yùn)行情況看，機(jī)組振動(dòng)和擺度數(shù)據(jù)比較平穩(wěn)，上機(jī)架振動(dòng)和導(dǎo)軸承擺度偏大的現(xiàn)象得到消除，后期帶負(fù)荷運(yùn)行效果亦較好。此次采用振擺量測(cè)成相法，工序優(yōu)，時(shí)間省，操作簡(jiǎn)單且效率高，很好地完成了錦屏二級(jí)水電站8#機(jī)組的配重工作，配重后機(jī)組合格，主要技術(shù)參數(shù)均能滿(mǎn)足要求。