摘要：針對抽水蓄能發(fā)電機組轉子動平衡試驗依賴人工經(jīng)驗反復進行試驗，過程繁冗且周期較長的問題，提出一種抽水蓄能發(fā)電機組轉子自動化動平衡試驗方法。該方法主要包括轉子動平衡數(shù)據(jù)處理算法、轉子動平衡試驗算法、轉子動平衡影響系數(shù)計算算法，輔助技術人員實施配重。轉子動平衡試驗測試結果表明，該方法僅需兩次配置，便實現(xiàn)了抽水蓄能發(fā)電機組轉子動平衡參數(shù)的調整，相較于傳統(tǒng)的人工調整方式，不僅減少了試驗次數(shù)，還提高了試驗效率。

關鍵詞：抽水蓄能發(fā)電機組；轉子；動平衡試驗；配重

中圖分類號：TH185 文獻標志碼：A 文章編號：1674-2605（2024）05-0009-05

DOI：10.3969/j.issn.1674-2605.2024.05.009 開放獲取

Automated Dynamic Balancing Test Method for Rotor of Pumped Storage Power Generation Units

LIU Xuan YANG Haixia  JIA Yalin CHEN Yuanfei WU Hao

（Maintenance and Test Branch， China Southern Power Grid Power Generation Co.， Ltd.，

Guangzhou 511400， China）

Abstract： An automated dynamic balancing test method for rotor of pumped storage power generation units is proposed to address the problem of relying on manual experience for repeated testing， which is cumbersome and time-consuming. This method mainly includes rotor dynamic balance data processing algorithm， rotor dynamic balance test algorithm， rotor dynamic balance influence coefficient calculation algorithm， and assists technical personnel in implementing balancing. The results of the rotor dynamic balance test show that this method only requires two configurations to adjust the rotor dynamic balance parameters of pumped storage power generation units. Compared with traditional manual adjustment methods， it not only reduces the number of tests， but also improves the test efficiency.

Keywords： pumped storage power generation units; rotor; dynamic balance test; weight distribution

0 引言

轉子作為抽水蓄能發(fā)電機組的關鍵部件，其平衡狀態(tài)直接影響機組的運行穩(wěn)定性。然而，在轉子制造和安裝的過程中，難以做到其質量的絕對平衡[1]。轉子質量不平衡會導致機組振動，甚至引發(fā)設備故障，降低生產(chǎn)效率，增加維修成本。抽水蓄能發(fā)電機組轉子動平衡試驗可以測量并校正轉子在高速旋轉時的

不平衡量，從而減小機組的振動和軸擺度，使機組運行更加平穩(wěn)，不僅提高了機組的運行效率，還延長了機組的使用壽命。目前，轉子動平衡試驗大都依賴于人工經(jīng)驗，通過增加或減少轉子的質量來修正不平衡，過程繁冗且周期較長[2-4]。

抽水蓄能發(fā)電機組轉子動平衡試驗方法主要有影響系數(shù)法或振型法等。這些方法通過測量轉子在不

同加重條件下的振動響應，計算影響系數(shù)或振型參數(shù)，進而確定轉子不平衡量的位置和程度。文獻[5]針對巖灘水電站機組的轉子動平衡試驗，采用漸進式動平衡分析的方法，改善了軸擺度和振動的超限問題。文獻[6]為改善水輪發(fā)電機組的機械損傷，提出了基于四圓圖法的水輪發(fā)電機組現(xiàn)場動平衡試驗工藝方案，糾正了轉子偏角安裝的工藝問題。文獻[7]針對600 MW汽輪機轉子動平衡試驗，建立了多輪盤靜力識別模型和轉子試驗臺，分析了基于應變的多輪盤轉子系統(tǒng)動平衡試驗方法。文獻[8]針對300 MW混流式水輪機研究了基于時域-頻譜分析的動平衡方法，解決了機架水平振動過大的問題。

本文針對抽水蓄能發(fā)電機組轉子動平衡試驗準確性和效率較低的問題，提出一種抽水蓄能發(fā)電機組轉子自動化動平衡試驗方法，減少了試驗過程中人工參與的數(shù)據(jù)采集、整理、計算和分析等工作，提升了機組轉子的動平衡性能和試驗效率。

1 人工操作的轉子動平衡試驗

人工操作的抽水蓄能發(fā)電機組轉子動平衡試驗通過測量機組在不同工況下的振動數(shù)據(jù)，診斷分析機組振動過大的原因，從而采取相應的動平衡處理措施。該試驗通常包括試配重前機組運行、配重策略分析、配重、執(zhí)行配重、配重后運行、計算影響系數(shù)、生成試驗報告等步驟。人工操作的轉子動平衡試驗流程如圖1所示。

人工操作的轉子動平衡試驗具體流程如下：

1） 試配重前機組運行，對機組的各部件、接線端子、保護設備、電氣元件等進行檢查，確保機組設備無腐蝕、松動、缺陷等問題；技術人員選取機組試配重前的最后一次運行參數(shù)作為試配重數(shù)據(jù)；

2） 配重策略分析，人工測量轉子的振動和相位等數(shù)據(jù)，并對試配重數(shù)據(jù)進行預處理和分析；根據(jù)轉子不平衡的位置和程度，確定配重的具體位置，根據(jù)轉子的質量、轉速和振動情況，計算轉子所需的配重塊重量，根據(jù)配重位置和重量，制定詳細的試配重策略；

3） 配重，根據(jù)試配重策略，分析磁極配重塊配置策略，并計算殘余振動值；

4） 執(zhí)行配重，根據(jù)磁極配重塊配置策略，人工新增或減少配重塊；

5） 配重后運行，人工啟動機組，并觀察配重后機組的運行效果，實時監(jiān)測轉子的振動和相位變化；根據(jù)監(jiān)測結果，評估配重效果，確保轉子達到預期的平衡狀態(tài)；

6） 計算影響系數(shù)，計算配重前、后機組振擺的相位特征值和幅值特征值，得到機組的影響系數(shù)，作為下一次轉子動平衡試驗的參數(shù)；

7） 生成試驗報告，記錄試驗的環(huán)境、步驟和過程，以及轉子的配重幅值、相位、配重塊質量、平衡效果等。

人工操作的轉子動平衡試驗易受人為的主觀性、測量與修正過程的波動、設備與環(huán)境等因素影響，導致動平衡修正的準確性和效率較低。為了提高動平衡修正的準確性和效率，亟需采用自動化方法代替人工操作。為此，本文提出了轉子自動化動平衡試驗方法。

2 轉子自動化動平衡試驗方法

轉子自動化動平衡試驗方法可以自動計算轉子的不平衡狀態(tài)，優(yōu)化轉子的平衡狀態(tài)，使機組在最佳的平衡狀態(tài)下運行。該方法主要利用轉子動平衡數(shù)據(jù)處理算法、轉子動平衡試驗算法、轉子動平衡影響系數(shù)計算算法分別替換人工操作的轉子動平衡試驗過程中的試配重前機組運行、配重策略分析、計算影響系數(shù)等步驟，從而實現(xiàn)轉子動平衡參數(shù)的自動化計算。

2.1 轉子動平衡數(shù)據(jù)處理算法

轉子動平衡數(shù)據(jù)處理算法通過在線計算、數(shù)據(jù)導入、離線數(shù)據(jù)分析、檢修策略輸入和數(shù)據(jù)存儲等步驟，完成試配重前機組運行，其流程如圖2所示。

1） 在線計算：導入抽水蓄能發(fā)電機組轉子的型號、制造廠家、使用年限、尺寸、材質、質量分布等模型數(shù)據(jù)，并進行在線設備技術參數(shù)計算，作為試配重數(shù)據(jù)。

2） 數(shù)據(jù)導入：機組在不同轉速和負載條件下的振動、軸擺度、配重質量和配重相位等數(shù)據(jù)主要包括在線數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。其中，在線數(shù)據(jù)分為設備技術參數(shù)和動平衡試驗數(shù)據(jù)兩類，根據(jù)程序預設的配置檢索數(shù)據(jù)模型，并將設備技術參數(shù)導入操作臺；根據(jù)程序預設的數(shù)據(jù)模型與試驗任務時間檢索數(shù)據(jù)模型，并將動平衡試驗數(shù)據(jù)導入操作臺；歷史數(shù)據(jù)主要包括歷史試驗數(shù)據(jù)和歷史試驗操作數(shù)據(jù)，根據(jù)程序預設的配置動平衡參數(shù)（配重幅值、配重相位和配重塊質量等），將歷史數(shù)據(jù)導入操作臺。

3） 離線數(shù)據(jù)分析：主要用于確定轉子的偏心質量。在轉子上確定若干個平衡平面，根據(jù)轉子的結構和不平衡量的分布情況，選擇合適的平衡面進行動平衡修正。在這些平衡面上通過偏心質量來抑制轉子的振動幅度，并設計循環(huán)迭代程序，通過逆求解得到轉子全軸長的偏心質量。

4） 檢修策略輸入：通過分析歷史數(shù)據(jù)、離線數(shù)據(jù)，制定定期檢查、維修、更換設備程序等檢修策略。

5） 數(shù)據(jù)存儲：將試驗數(shù)據(jù)存儲至數(shù)據(jù)庫，主要包含過程數(shù)據(jù)存儲和模型數(shù)據(jù)存儲。

2.2 轉子動平衡試驗算法

轉子動平衡試驗算法旨在確定動平衡配置的推薦位置。在機組上選擇振動測量點，如機架、導軸承等位置，以全面反映機組的振動情況。首先，利用時間排序法過濾出機組最近一次平穩(wěn)運行的特征時間，并在機組平穩(wěn)運行的特征時間內，計算振動（上、下機架X、Y方向的水平振動）和擺度（上、下導軸承X、Y方向的擺度）數(shù)據(jù)；然后，計算X、Y方向的振動特征值Vi、擺度特征值Si、振動特征值偏大系數(shù)k1；最后，比較得到上、下機架X、Y方向水平振動和上、下導軸承X、Y方向擺度的最大值（V上、V下、S上、S下），從而完成配重策略位置推薦，Vi、Si推薦位置邏輯表如表1所示。

表1邏輯表中包括3組條件，根據(jù)3組條件的組合進行位置推薦，如抽水蓄能發(fā)電機組轉子的上部或下部。

2.3 轉子動平衡影響系數(shù)計算算法

轉子動平衡影響系數(shù)計算算法通過測量轉子在不同加重條件下的振動響應，計算出影響系數(shù)，進而確定轉子不平衡量的位置和大小。該算法的核心是確定配重幅值和配重相位，從而得到轉子的校正質量。影響系數(shù)主要包括配重前、后機組振擺的相位特征值V1、V2和幅值特征值P1、P2。

1） 計算X、Y量測方向的影響系數(shù) 和相位 ：

（1）

其中，

（2）

式中： V為配重相位，可由檢修試驗數(shù)據(jù)得到。

2） 計算綜合影響系數(shù)幅值 和相位 ，進行初始化配重幅值 ：

（3）

3） 計算各量測方向的配重相位：

（4）

4） 根據(jù)配重幅值和配重相位，采用梯度下降算法進行配重策略計算；根據(jù)不平衡量的位置，確定各磁極需要添加的配重塊質量和位置；在磁極位置添加配重塊，從而確保機組的穩(wěn)定運行和振動控制。

5） 在轉子進行加重或去重操作后，重新測量轉子的振動情況，以驗證動平衡效果是否滿足要求。

3 試驗測試及結果分析

為驗證本文提出的抽水蓄能發(fā)電機組轉子自動化動平衡試驗方法的有效性，在某深蓄電站2號發(fā)電機組進行轉子動平衡試驗測試。利用VT80振動傳感器采集轉子的振動信號，獲得機組轉子的過程數(shù)據(jù)。利用本文提出的抽水蓄能發(fā)電機組轉子自動化動平衡試驗方法進行第一次配置，效果如圖3所示。

由圖3可以看出，某深蓄電站2號發(fā)電機組X、Y方向的振動和軸擺度均有較大的波動，需要進行轉子動平衡調整。首先，利用轉子動平衡數(shù)據(jù)處理算法計算試配重參數(shù)；然后，利用轉子動平衡試驗算法調整配重方案；接著，分析配重后負荷試驗的振擺數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)該機組X、Y方向的軸擺度有所改善；最后，采用轉子動平衡影響系數(shù)計算算法進行第二次動平衡測試，利用VT80振動傳感器采集配重后的轉子空轉振擺數(shù)據(jù)，計算影響系數(shù)，并采用梯度下降算法設計第二次配重方案，第二次配重后調相工況的振擺數(shù)據(jù)如圖4所示。

由圖4可以看出，某深蓄電站2號發(fā)電機組X、Y方向的軸擺度得到了較大改善，滿足抽水蓄能發(fā)電機組的擺動性能要求。

4 結論

本文針對人工操作的轉子動平衡試驗準確性和效率較低的問題，提出了抽水蓄能發(fā)電機組轉子自動化動平衡試驗方法。該方法主要包括轉子動平衡數(shù)據(jù)處理算法、轉子動平衡試驗算法、轉子動平衡影響系數(shù)計算算法。在某深蓄電站2號發(fā)電機組進行轉子動平衡試驗測試，測試結果表明，抽水蓄能發(fā)電機組的轉子僅需2次動平衡參數(shù)計算，便可實現(xiàn)轉子動平衡參數(shù)的調整，相較于人工調整方式，減少了試驗次數(shù)，提高了試驗效率和準確性。本文方法對減小機組的振動和軸擺度，使機組運行更加平穩(wěn)具有一定的指導意義。

?The author（s） 2024. This is an open access article under the CC BY-NC-ND 4.0 License （https：//creativecommons.org/licenses/ by-nc-nd/4.0/）

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作者簡介：

劉軒，男，1994年生，本科，助理工程師，主要研究方向：自動化。E-mail： 415139914@qq.com

楊海霞，女，1990年生，研究生，工程師，主要研究方向：動力工程及工程熱物理。E-mail： yanghx13@163.com

賈亞琳，男，1991年生，本科，工程師，主要研究方向：抽蓄電站運維管理。E-mail： 403214199@qq.com

陳源斐，男，2000年生，本科，助理工程師，主要研究方向：自動化。E-mail： cyfamous@qq.com

吳昊，男，1990年生，碩士研究生，工程師，主要研究方向：自動化。E-mail： 13926169793@139.com