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石头河水电站3#机组振动原因分析及处理

北极星电力网技术频道    作者:电力论文3   2007/12/24 18:40:25   

  所属频道:  水力发电    关键词:  机组振动 水电站 振动

石头河水电站设计水头80m,设计流量8.15m3/s,3#机为立式机组,容量0.5万kW,水轮机型号为HL200-LJ-100,发电机型号为TSL-260/52-10,机组电压6.3kV,转速600r/min。自1991年底投产发电以来,累计运行21765.5h,在同等水头、流量和环境温度下,3#机组的振动比同型号的2#机组大,出力比2#机组小200kW,对安全运行造成了威胁。

一、振动原因分析

2000年汛期,我们发现3#机组在空转工况下随机组转速的上升,各部分振动摆度比2#机组平均大0.3mm;带负荷后,从30、50、75到100额定励磁电压时,3#机组各部振动摆度的转频分量呈上升趋势,推力轴承处最大摆度达0.08mm,法兰处径向振动达0.04mm,水导处径向振动达0.08mm,分别比2#机大0.04mm、0.02mm、0.02mm。2001年通过对机组进行详细检查后,我们分析振动原因主要有以下几点:

1.水轮机的水力不平衡。经检查,发现3#机组转轮14个叶片有不同的汽蚀现象,每个叶片进出水边均呈蜂窝状,其中有4个相邻叶片出水边已全部被汽蚀,形成4个40cm2的空洞。活动导叶也不同程度汽蚀,水流流态紊乱,水流失去轴对称,在转轮上产生了一个不平衡的横向力,造成机组受力不均,产生振动。

2.水轮机在非设计工况下运行。由于受西安供水、灌溉用水和电网负荷因素影响,电站必须在高水头、小流量或低水头、大流量下运行,这就造成机组运行不稳定。在高水头下运行,转轮叶片进口水流的冲角为正,在叶片背面发生脱流,产生旋涡,冲角越大,脱流的位置越接近进口。在低水头下运行,叶片进口水流冲角为负,在叶片正面发生脱流,冲角越大,脱流位置越接近叶片的出口。这也是叶片出水边汽蚀的原因。在非设计工况下,水流从转轮上冠到下环,在叶片脱流后,形成涡带,通过叶片流道,在叶片上从上而下产生二次流,在叶片间产生高强度的不稳定涡流,这是产生振动的激振源。在非设计工况下,混流式转轮在1500kW至2000kW负荷区,尾水涡带稍有偏心,呈螺旋形,螺旋角较大,为大压力脉动区。在2000kW至2500kW负荷区,螺旋形涡带严重,偏心压力脉动更大。在4800kW至5200kW负荷区,涡带在工作转轮后收缩,有很小的压力脉动,会产生扰动,由于半伞式水电机组结构对小扰动存在先天放大作用而产生不稳定性。尾水管的压力脉动随着轴向水推力忽大忽小的波动,引起机组的承重机架产生低频垂直振动。同时,随着尾水管中涡带的低频转动,使转轮产生旋转径向力,引起机组的承重机架和主轴产生低频径向振动。

3.机组轴线不正也是造成机组振动的一个原因。检查发现机组镜板底平面与机组轴线不垂直,造成发电机轴与机组轴线有夹角。水轮机轴线和发电机轴线不重合,在法兰连接处呈“V”形曲折,造成机组的总轴向力不通过推力轴承中心,产生一个偏心力矩,使推力轴承各支柱受力不均匀。随着转子的旋转,在各支柱螺栓处变为脉动力,其脉动频率与机组转速频率相同,使推力轴承各支柱螺栓产生轴向振动,也会引起径向振动。因推力轴承强烈振动,导致瓦温升高和油温上升。

4.发电机转子因制造质量问题,造成定子和转子之间的间隙不均匀,产生不平衡磁拉力,从而对转子和定子形成转频激扰力。随着转子的旋转引起空气间隙周期性变化,单边不平衡拉力沿圆周作周期性移动,引起机组振动,随励磁电流的增加而增大。

二、处理措施

1.更换水轮机转轮,修补导叶。在不改变导水机构、尾水管等结构的基础上,将原来的转轮更换为东方电机厂设计的同型号新型转轮,材质由原来的普通铸钢更换为0Cr13Ni4Mo,增强其抗蚀、抗磨、耐腐蚀性。对导叶的汽蚀面进行修补、打磨,用环氧树脂进行处理,增强叶片局部抗空蚀能力。同时对叶片的立面和端面进行了处理,减小缝隙射流和水流量对导叶汽蚀的影响。

2.改造补气系统。由于机组的运行方式无法改变,我们通过改造对水轮机的补气系统,改善了水轮机空蚀环境,减轻尾水管在小负荷工况下脉动压力和转轮室的空蚀强度。原来的Dgl20吸力空气阀因阀片与阀座偏磨,致使密封不严,动作不可靠,将其更换为重庆水轮机厂生产的同型号吸力阀。对十字架补气管系统进行了维修,使气路畅通,保证了机组在各个工况下运行时补气顺畅。

3.针对发电机轴与水轮机轴在法兰处折度过大,导致机组振动、摆度大的问题,我们将发电机轴和水轮机轴的连接法兰解体,在法兰的结合面加0.1mm~lmm的铜皮薄垫,调整水轮机轴轴线,使其与发电机轴的轴线重合。同时刮削镜板上的绝缘垫来调整镜板,使镜板底平面与机组轴线垂直。为了降低推力瓦温度,将原来巴氏合金瓦更换为弹性金属氟塑瓦。

4.对发电机定子与转子间间隙不均匀引起磁力不均衡产生的电气振动的处理,由于对转子磁极圆度进行调整需要测量精度较高、测值稳定的测圆架,我们没有此条件做。厂家在生产发电机时,已在转子上增加了配重块,平衡了部分不平衡磁力和重量不平衡力,减小了一部分振动幅值,但没有从根本上解决问题,我们将继续与厂家联系,尽快解决此问题。

三、效果

通过对缺陷进行处理,机组振动明显减小。大修后在水头786.02m、开度87.5、负荷4200kW时,上机架处垂直振动为:0.006mm,水平振动为0.011mm,下机架处垂直振动为0.001mm,水平振动为0.018mm,水导油盆处垂直振动为0.005mm,水平振动为0.017mm,定子外壳处垂直振动为0.008mm,水平振动为0.011mm,推力瓦温25.5℃,上导瓦31.3℃,下导瓦32.5℃,水导瓦30.8℃,比大修前出力增加200kW,推力瓦温下降19.5℃,下导瓦下降2.50℃,法兰处、水导处的全摆度接近正弦曲线,达到了预期目的。

在发电机轴和水轮机轴法兰连接处加金属薄垫来调整轴线,方法简单,效果明显。

3#机转子与定子间隙不均匀,属制造质量问题。水电站建设中,应注重对机组生产厂家资质和信誉的审查,加强对机组监造、验收和安装等环节的管理。

来源:中国电能质量
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