姜朝暉，王青華，沈潤(rùn)杰

(1.上海明華電力技術(shù)工程有限公司，上海 200090； 2.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

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抽水蓄能機(jī)組啟動(dòng)調(diào)試期間振動(dòng)故障分析與處理

姜朝暉1，2，王青華1，沈潤(rùn)杰2

(1.上海明華電力技術(shù)工程有限公司，上海 200090； 2.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092)

對(duì)抽水蓄能發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)調(diào)試期間常見(jiàn)的振動(dòng)故障進(jìn)行了分類，按激勵(lì)源將各種振動(dòng)故障分為機(jī)械、電磁和水力振動(dòng)故障，并闡述了調(diào)試期間各種常見(jiàn)振動(dòng)故障的起因和故障發(fā)生時(shí)的特征。根據(jù)調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)診斷和處理實(shí)例，對(duì)振動(dòng)故障特征和常見(jiàn)原因作出驗(yàn)證。

抽水蓄能機(jī)組；調(diào)試；振動(dòng)；擺度；故障診斷

2015年以來(lái)，我國(guó)在建抽水蓄能電站達(dá)11座，未來(lái)仍有更多的抽水蓄能電站在規(guī)劃之中[1]。作為大型旋轉(zhuǎn)機(jī)械，抽水蓄能機(jī)組比常規(guī)水輪機(jī)有更多的運(yùn)行模式，其在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)輪、推力軸承、導(dǎo)軸承等關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)制造較常規(guī)水輪機(jī)組更為復(fù)雜，這也使得抽水蓄能機(jī)組的現(xiàn)場(chǎng)故障診斷變得更困難。

1 抽水蓄能機(jī)組啟動(dòng)調(diào)試期間振動(dòng)特點(diǎn)

抽水蓄能機(jī)組振動(dòng)根據(jù)其激勵(lì)源的不同，可分為機(jī)械、電磁振動(dòng)和水力振動(dòng)[2]。振動(dòng)過(guò)于劇烈時(shí)就會(huì)成為抽水蓄能機(jī)組的振動(dòng)故障，在啟動(dòng)調(diào)試過(guò)程中都比較容易發(fā)生。

1.1 機(jī)械和電磁振動(dòng)

調(diào)試期間機(jī)械和電磁振動(dòng)的主要原因來(lái)自設(shè)備的制造和安裝缺陷[3]。設(shè)備制造方面，除外觀可明顯發(fā)現(xiàn)的缺陷外，轉(zhuǎn)動(dòng)部件材質(zhì)不均勻等制造缺陷會(huì)使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生質(zhì)量不平衡，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加時(shí)，質(zhì)量偏心產(chǎn)生的離心力逐漸增大，導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)加劇。固定部件的導(dǎo)軸承和機(jī)架剛度不足可能導(dǎo)致機(jī)組支撐不穩(wěn)，這也是引起機(jī)械振動(dòng)的原因[4]。設(shè)備安裝方面，轉(zhuǎn)動(dòng)部件部分的機(jī)組軸線不垂直于推力軸承平面或者主軸不是一條直線，前者容易產(chǎn)生推力軸承振動(dòng)，后者效果基本等同于轉(zhuǎn)子本體的質(zhì)量不平衡。固定部件的導(dǎo)軸承在保證油膜厚度和正常發(fā)熱狀態(tài)的條件下，應(yīng)盡量減小軸承間隙，間隙不合理或機(jī)架松動(dòng)會(huì)發(fā)生與該部件剛度不足類似的振動(dòng)，固定部件的定子鐵芯疊裝不佳、定子繞組綁扎松動(dòng)和轉(zhuǎn)子定子氣隙不均勻都可能導(dǎo)致機(jī)組電磁不平衡而引起振動(dòng)[5]。

1.2 水力振動(dòng)

調(diào)試期間，水力振動(dòng)的原因主要來(lái)自水泵水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。對(duì)于大型蓄能機(jī)組，水流的壓力脈動(dòng)是引起水力振動(dòng)的主要原因，而壓力脈動(dòng)主要由水流經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)輪、導(dǎo)葉形成的特殊流態(tài)或直接與導(dǎo)水機(jī)構(gòu)撞擊產(chǎn)生。如水流通過(guò)轉(zhuǎn)輪葉片或?qū)~后脫流形成的漩渦即卡門渦列。

轉(zhuǎn)輪出口的壓力脈動(dòng)其主要頻率由轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)和導(dǎo)葉數(shù)決定，也稱為通過(guò)頻率，主要頻率為葉片頻率fZ1，其次頻率為導(dǎo)葉頻率fZ0：

fZ1=Z1fn及fZ0=Z0Z1fn

(1)

式(1)中，fn為轉(zhuǎn)速頻率；Z1為轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)；Z0為導(dǎo)葉數(shù)。

水輪機(jī)工況運(yùn)行在偏離設(shè)計(jì)工況時(shí)，壓力脈動(dòng)頻率與轉(zhuǎn)輪出口尾水管附近形成的偏心渦帶一致，典型頻率為[6]：

f=(0.25～0.4)fn

(2)

式(2)中，f為典型的渦帶頻率。

以上原因引起的機(jī)械、電磁和水力振動(dòng)情況比較嚴(yán)重時(shí)就稱為振動(dòng)故障，各種類型的振動(dòng)在機(jī)組調(diào)試過(guò)程中基本都會(huì)存在，機(jī)組所表現(xiàn)出來(lái)的振動(dòng)故障實(shí)際是多種原因振動(dòng)疊加以后的現(xiàn)象，需要找到主要原因才能有效處理。

2 調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)診斷實(shí)例

某電站2號(hào)機(jī)組為混流可逆式水泵水輪發(fā)電機(jī)組，單機(jī)發(fā)電容量320 MW，額定轉(zhuǎn)速428.6 r/min，額定水頭470 m。機(jī)組結(jié)構(gòu)為半傘式，設(shè)有上導(dǎo)、下導(dǎo)和水導(dǎo)軸承，推力軸承采用多彈簧支撐結(jié)構(gòu)。

2.1 質(zhì)量不平衡

該機(jī)組首次發(fā)電方向逐步升速到額定轉(zhuǎn)速時(shí)，在機(jī)組升速過(guò)程中對(duì)各轉(zhuǎn)速下各導(dǎo)軸承附近測(cè)點(diǎn)進(jìn)行擺度監(jiān)測(cè)，各測(cè)點(diǎn)擺度幅值見(jiàn)表1。

表1 首次升速到額定轉(zhuǎn)速過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)擺度幅值 單位：μm

首次啟動(dòng)為發(fā)電方向空轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速升至額定轉(zhuǎn)速時(shí)機(jī)組擺度較大，存在較大的不平衡力，而此時(shí)轉(zhuǎn)子和定子均未帶電，可排除電磁不平衡引起的振動(dòng)。對(duì)機(jī)組各導(dǎo)軸承擺度進(jìn)行頻譜分析發(fā)現(xiàn)，各導(dǎo)軸承擺度均以轉(zhuǎn)頻分量為主，并沒(méi)有明顯的式(1)和式(2)中的水流壓力脈動(dòng)特征頻率，升速過(guò)程擺度趨勢(shì)和額定轉(zhuǎn)速頻譜圖見(jiàn)圖1。可以確定該不平衡力是制造或安裝過(guò)程中造成的轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心所致，上導(dǎo)和下導(dǎo)轉(zhuǎn)頻幅值分別達(dá)到110 μm和140 μm，需進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡處理。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)分析計(jì)算，選擇在機(jī)組磁軛擋風(fēng)圈內(nèi)側(cè)安裝20 kg質(zhì)量塊。

經(jīng)處理后，機(jī)組再次啟動(dòng)升速至428 rpm，機(jī)組各導(dǎo)軸承處擺度轉(zhuǎn)頻幅值基本已降至60 μm以下，質(zhì)量不平衡已經(jīng)非常小。動(dòng)平衡處理后各測(cè)點(diǎn)擺度幅值見(jiàn)表2。

圖1 2號(hào)機(jī)組首次升速到額定轉(zhuǎn)速過(guò)程中擺度趨勢(shì)及額定轉(zhuǎn)速頻譜圖Fig.1 Shaft vibration trend and spectrum during unit 2 first time up to rated speed

表2 動(dòng)平衡處理后額定轉(zhuǎn)速各測(cè)點(diǎn)擺度幅值 單位：μm

2.2 水力不平衡

2號(hào)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)平衡處理后，水輪機(jī)方向空轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)與動(dòng)平衡前相比，上導(dǎo)和下導(dǎo)擺度均有所下降，但機(jī)組在動(dòng)平衡處理后，下導(dǎo)和水導(dǎo)擺通頻幅值度仍然偏大。分析其原因主要是機(jī)組在空轉(zhuǎn)工況下流量很小，水流在導(dǎo)水機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)輪之間沒(méi)有形成穩(wěn)定的流場(chǎng)，水流與轉(zhuǎn)輪葉片和導(dǎo)水機(jī)構(gòu)的碰撞引起水流壓力脈動(dòng)。

在減小質(zhì)量不平衡導(dǎo)致的振動(dòng)后，該機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，帶負(fù)荷160 MW運(yùn)行，隨著流量增大，該負(fù)荷下機(jī)組上導(dǎo)和下導(dǎo)擺度均降至145 μm以下，但水導(dǎo)擺度幅值仍接近200 μm。該負(fù)荷下下導(dǎo)和水導(dǎo)擺度頻譜中出現(xiàn)0.375倍機(jī)組轉(zhuǎn)頻的頻率分量，且該分量幅值超過(guò)轉(zhuǎn)頻成為主要頻率。根據(jù)式(2)，該頻率分量是典型的尾水渦帶引起的壓力脈動(dòng)頻率，常發(fā)生在機(jī)組偏離設(shè)計(jì)工況運(yùn)行時(shí)。

隨后機(jī)組升至額定發(fā)電負(fù)荷320 MW，下導(dǎo)和水導(dǎo)擺度明顯下降，頻譜中尾水渦帶頻率基本消失，各測(cè)點(diǎn)都以轉(zhuǎn)頻為主。機(jī)組不同負(fù)荷下下導(dǎo)和水導(dǎo)擺度頻譜圖見(jiàn)圖2，機(jī)組不同負(fù)荷下各測(cè)點(diǎn)擺度見(jiàn)表3。

圖2 2號(hào)機(jī)組160 MW和320 MW發(fā)電工況下導(dǎo)和水導(dǎo)擺度頻譜分析Fig.2 Turbine guide bearing shaft vibration spectrum under 160MW and 320MW electric generating working condition of unit 2

表3 機(jī)組發(fā)電工況各測(cè)點(diǎn)擺度通頻幅值 單位：μm

2.3 導(dǎo)軸承間隙變化

2號(hào)機(jī)組進(jìn)行CG(發(fā)電調(diào)相工況，該工況機(jī)組在空氣中發(fā)電方向旋轉(zhuǎn))工況熱運(yùn)行試驗(yàn)，連續(xù)運(yùn)行約2.5 h，其間上導(dǎo)和下導(dǎo)擺度不斷增大，下導(dǎo)擺度增幅達(dá)200 μm，下導(dǎo)擺度已超過(guò)報(bào)警值。機(jī)組CG工況熱運(yùn)行期間測(cè)點(diǎn)擺度見(jiàn)表4，各測(cè)點(diǎn)擺度頻譜分析見(jiàn)圖3。

CG工況下機(jī)組不會(huì)受到水力影響，分析頻譜發(fā)現(xiàn)，各測(cè)點(diǎn)擺度以一倍頻為主，但機(jī)組質(zhì)量不平衡不會(huì)在轉(zhuǎn)速不變的運(yùn)行中發(fā)生變化，因此基本可排除質(zhì)量不平衡可能。CG工況熱運(yùn)行期間擺度頻譜圖見(jiàn)圖3。

表4 機(jī)組CG工況熱運(yùn)行期間各測(cè)點(diǎn)擺度通頻幅值 單位：μm

圖3 機(jī)組CG工況熱運(yùn)行期間各測(cè)點(diǎn)擺度頻譜分析Fig.3 Shaft vibration spectrum under CG hot demonstration operation

機(jī)組轉(zhuǎn)子和定子間氣隙均勻，存在磁拉力不平衡的可能性很小。在下導(dǎo)擺度逐漸升至350 μm以上時(shí)，下導(dǎo)瓦溫基本沒(méi)有明顯升高，可能是下導(dǎo)軸承間隙不合理，對(duì)轉(zhuǎn)子沒(méi)有給予足夠支承，在確認(rèn)機(jī)架振動(dòng)沒(méi)有異常的情況下，決定對(duì)下導(dǎo)軸承進(jìn)行檢查[7]。

該機(jī)組下導(dǎo)軸瓦實(shí)際測(cè)得最大間隙為0.83 mm，而設(shè)計(jì)間隙值為0.72±0.04 mm，且發(fā)現(xiàn)軸瓦背后的固定螺栓稍有松動(dòng)現(xiàn)象。(見(jiàn)圖4)

圖4 間隙變化的下導(dǎo)瓦和松動(dòng)的螺栓Fig.4 Guide bearing and loose bolt under gap change

消除下導(dǎo)瓦間隙過(guò)大缺陷后，2號(hào)機(jī)組CG工況和其余工況試驗(yàn)均未再發(fā)生擺度隨運(yùn)行時(shí)間變化的現(xiàn)象，順利完成調(diào)試過(guò)程投入運(yùn)行。

3 結(jié)語(yǔ)

抽水蓄能機(jī)組啟動(dòng)調(diào)試期間，機(jī)組大部分缺陷故障都可能通過(guò)振動(dòng)故障表現(xiàn)出來(lái)，及時(shí)處理這些缺陷才能保證機(jī)組通過(guò)調(diào)試評(píng)價(jià)，順利投入運(yùn)行。參與振動(dòng)故障診斷時(shí)，應(yīng)了解振動(dòng)原理、熟悉機(jī)組特性，這樣才能找到引起故障的原因。

[1] 董谷媛. 蓄勢(shì)待發(fā)[J].國(guó)家電網(wǎng)，2017，(02)：78-79.

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[3] 周亮. 可變速抽水蓄能機(jī)組特點(diǎn)[C]//中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)會(huì)議論文集，2014.

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[7] 胡維超.軸承運(yùn)行情況判斷及故障分析處理[J].電器工業(yè)，2012，(08)：62-63.

Diagnosis and disposal of pumped storage unit fault during commissioning

JIANG Chao-hui1,2, WANG Qing-hua1, SHEN Run-jie2

(1.Shanghai Minghua Electric Power Technology Engineering Co., Ltd, Shanghai 200090, China; 2.Tongji University, Shanghai 200092, China)

Pumped storage unit vibration fault during commissioning according to the source will be divided into machinery, electromagnetic and hydraulic faults. Reasons and characteristics of these faults during commissioning are summarized, and fault features and common causes were verified through diagnosis and disposal examples of pumped storage unit during commissioning.

Pumped storage unit; Commissioning; Bearing vibration; Shaft vibration; Fault disposal

2017-01-30

姜朝暉(1987-)，男，助理工程師，學(xué)士。

TV743

A

1674-8646(2017)04-0151-03