贵州罗甸县石门坎电站机组振动值超标的原因分析及处理

潘志军,陈卫军,丁洁晶

(1.杭州市南排工程建设管理处,浙江 杭州 310020;2.嘉兴市杭嘉湖南排工程管理局,浙江 嘉兴 314001;3.浙江华电科技有限公司,浙江 杭州 310004)

通过介绍贵州罗甸县石门坎电站启动试运转时,机组振动值超标的原因分析及处理,并着重介绍机组转子质量动不平衡和电磁不平衡引起的振动超标的原因排查过程,为碰到类似问题的机组快速、准确找到原因并处理提供借鉴思路。

1 电站概况

石门坎水电站二厂位于贵州省罗甸县逢亭镇境内,距县城约28 km。电厂以发电为主,属于径流式水电站,来水量取决于上游双河口水电站的梯级调节。该电站安装2台立轴混流式水轮发电机组,总装机容量2×20MW,机组额定转速150 r/min。发电机型号为SF-J20-40/6500,转子重量为 95 t。

2 机组振动超标的危害、规范标准及机组试运行振动情况

机组在运转中振动超标时会引起各连接部件松动,使各转动部件与静止部件之间产生较大的摩擦碰撞甚至扫膛而损坏,长时间运行还会引起零部件或焊缝疲劳,严重时会形成并扩大裂缝甚至断裂,故机组不管是在启动调试阶段还在日常运行中,发现机组振动值偏大时,应马上停机检查并处理,直至机组运行振动值正常为止[1].。

为了减少振动对水轮发电机组的影响,必须提高机组的生产质量。而随着水轮发电机组的制造工艺日趋完善,加工技术的不断提高,国家、行业规范中,对机组振动的要求也在不断提高。从DL/T 507—2002《水轮发电机组启动试验规程》中可以看出规范要求的振动指标在提高,具体振动允许值见表1。

表1 水轮发电机组带导轴承支架的振动允许值(双幅值)表

石门坎电站1号机首次开机至额定转速空转试运行时上机架最大径向振动值 0.10 mm。该机组额定转速150 r/min,根据规范要求,带导轴承支架(即上机架)的水平振动值不允许超过0.09mm,因此机组的振动值超出规范要求。

3 机组振动产生原因分析

水轮发电机组的振动问题与一般动力机械的振动有一定差异,除了机组本身转动或固定部分引起的振动外,还需考虑发电机的电磁力以及作用于水轮机过流部分的流动压力对系统及其部件振动的影响。在机组运转的状态下,流体—机械—电磁3部分是相互影响的,振动是在动态过程中产生的。当水流流过水轮机时,若引起机组转动部分振动过大,在发电机转子与定子之间会导致气隙不对称变化,由此产生的磁拉力不平衡也会造成机组转动部分振动超标。而转动部分的转动状态出现某些变化后,又会对水轮机的水流流场及发电机的磁场产生影响。因此,水轮机的振动是电气、机械、流体等多种原因引起的。以下从水力、机械、电磁3方面来分析贵州罗甸县石门坎电站启动试运转时机组振动值超标的原因。

3.1 水力因素

由于水轮机过流部件流态不平衡、水轮机转轮加工粗糙引起的受力不平衡,使作用在转轮的水流失去轴对称,产生一个不平衡的横向力,引起转轮振动。针对水力原因有可能引起机组振动超标,经详细检查安装记录,发现各导叶的开度曲线误差符合规范要求。在开机过程中,水机室也未听到异常的水流声音,初步排除由此引起该机组振动的因素。

3.2 机械因素

机械因素主要包括基础不稳、转子质量不平衡、机组安装轴线不正、轴承间隙未调整好、主轴轴套滑动等原因。通过查该台机组安装记录,可以初步排除由于机组安装轴线不正和轴承间隙调整不到位的因素引起的振动偏大。同时,也排除基础不稳等原因,故机组空转振动值超标可能是转子动不平衡引起。转子动不平衡引起振动的特征是:振幅是随转速变化而变化的,用公式表示为A=f(ω),ω升高,A增大;反之 ω下降,A下降(A:最大振幅值 ω:机组角速度)。

由于该机组转子是现场组装的,由很多零部件组成,总重量达95 t,很难做到质量平衡,而且机组开机过程中从现场测的振动值看,基本上符合转子动不平衡引起振动的规律,上机架水平振动值随转速的上升而变大,在降速过程中,振动值随转速的下降而变小。

初步确定该转子动不平衡,需进行转子配重使转子达到动平衡。水机工程师采用三点试加重平衡法,通过开机配重试验和计算,最终在确定配重块质量39 kg,将配重块在第3试重点偏第1试重点12°方向固定焊接在转子上,开机测量机组的振动值最大振动值为0.033mm,机组振动问题初步解决,振动满足规范要求,详见表2。

表2 转子配重前后及试重时的各测点振动值记录表 mm

3.3 电磁不平衡因素

通过转子配重后,机组空转振动值符合规范要求,工程参建各方按启动试运行规范要求继续各项试验,机组空转瓦温正常后继续进行机组起励零升试验,使用他励磁方式对机组加励磁。利用施工现场直流硅整流电焊机对机组转子加励磁,此时机组水机自动保护已投入,为防止升压过程中由于水机保护引起灭磁开关跳闸,故把电焊机直流输出接到灭磁开关下端与转子引线连接。在各试验准备工作结束开始合闸,以最小励磁电流加入转子开始升压。

当机组升压至30%额定电压时,水机安装技术人员测得振动值突然大起来,随着机组电压的上升振动值有明显增大的趋势,机组升压至50%额定电压时上机架最大径向振动值达到了0.12mm,因振动太大没有继续升至额定电压。电气试验人员停止加励磁。机组在额定转速下振动指标又正常了。

刚刚解决的振动值超标问题再次摆在工程技术人员面前,而且这明显是由于加励磁引起的振动值偏大,看来是起励造成的电磁不平衡原因。

机组空转时振动值正常,加励磁后振动值明显偏大可以基本排除机械等原因引起,考虑振动是由于电磁不平衡引起的。电磁因素指振动中的干扰力来自发电机定子和转子之间的磁场不均匀引起的磁拉力不均匀所造成的,其特点是振动幅值随励磁电流而变化,用公式表示为A=f(I),I(励磁电流)增大,A(振动幅值)增大;反之 I下降,A下降。引起电磁振动的主要因素有定子线圈的组合排列及跳线不正确、转子磁极交直流阻抗不平衡、转子绝缘不良、转子绕组短路、空气间隙不均匀等。

为尽快找到问题,技术人员采取排除法对最有可能引起电磁不平衡的因素进行排查。该机组在停机状态下空气间隙符合规范要求,取下碳刷在转子集电环处测得转子绝缘电阻55MΩ,远大于规范最小允许值0.5MΩ,绝缘电阻符合规范要求。由于转子磁极交直流阻抗的测试在机组安装转子穿芯前已经做过试验,经查试验报告,转子磁极交流阻抗未见明显不平衡,符合规范要求。机组起励和运转过后可能造成磁极匝间短路引起交流阻抗不平衡,电气试验人员采用大电流法转子在定子膛内分别测量每个磁极的交流阻抗值,从测的结果可以分析转子膛内测值与膛外测值。测试后的结果表明,停机状态下该转子交流阻抗未见明显不平衡,不至于因此使机组产生振动。

在水电站现场安装中很少存在因定子线圈的组合排列及跳线不正确造成机组起励后振动值招标的问题,但当未能找到引起振动的真正原因,安装单位向机组生产厂方人员提出是否存在定子设计及定子绕组的并接中有影响电磁不平衡的原因。厂方现场代表向厂里汇报后,认为不存在问题。到此为止看来由于电磁不平衡引起的机组振动值超标的结论难以得到肯定,一时陷入了僵局。

监理及电站指挥部召开了工地专家会议,初步分析并肯定了安装单位目前的排查方法和思路。定子绕组主设人员提出定子波绕组接线方式是在该厂第一次采用,经过图纸校核和厂内组装记录检查看没发现错误,但是为了慎重起见,下一步还将对定子绕组进一步排查。厂方派定子绕组组装专业人员对定子绕组并接方式仔细检查后,认为与设计图纸没有出入,可以排除由于绕组接线错误引起电磁不平衡。

经多次开机起励试验检查,振动情况同前,经过多方会诊,认为机组在起励转动过程中转子磁极短路或绕组多点接地短路。当一个磁极因短路而引起磁动势减小时,和它相对应的那个磁极的磁动势并没有变,因而出现一个跟转子一起旋转的辐向不平衡磁拉力,引起转子振动。这种振动的大小取决于失去作用的线圈匝数,当去掉励磁,振动立即消失。为查明短路位置,技术人员认为在晚上开机在相对黑暗的环境下再查看有否明显短路的现象出现,后来进行开机和多方位监视,发现其中有一处转子磁极上有隐隐的蓝光出现,从而初步判断转子磁极可能在运动中存在问题,于是停止外加励磁,取下碳刷在转子集电环处转动中测得转子绝缘电阻0Ω,停机后在同位置测得绝缘电阻还有50MΩ,于是可以判断转子磁极存在短路或两点接地,技术人员进入转子检查发现其中2只磁极的引线绝缘套破损,与磁极阻尼环有接触摩擦痕迹,在机组静态时测量两者的距离只有0.3～0.5mm左右。经分析认为:机组在额定转速时,磁极引线因离心力作用向外有一定的移动量,该量大于0.3mm,故与磁极阻力环相摩擦而绝缘破损。而机组转子一点接地保护本应该报警而未报,经查由于采用外接励磁零升,机组励磁电压采样值未接入保护装置,相当于该保护未投。到此困挠技术人员多日的振动超标原因找到,经过处理后开机起励建压至额定值,机组振动正常,满足规范要求。

4 结 语

从多年水电站机组首次启动试运转情况来看,机组振动值超标还是比较常见的问题,产生振动的原因是多方面的,查找问题一般应先水力、机械因素后电磁因素。一般当遇到发电机上机架振动值偏大而水导振动值正常的情况时可以先考虑采取上转子三点法配重试验方法来解决的;而当机组空转时振动值正常,加励磁升压过程随着机组电压的上升振动值有明显增大趋势的情况时,可以从电磁不平衡因数查原因,同时要监视转子动态绝缘电阻值,直至找到问题的根源。总之每台机组产生振动的原因各有不同,处理时还是需要视具体情况对症下药才能快速度、高效解决问题。

[1].王丰平.水轮发电机组动不平衡的原理分析及配重 [J]..浙江水利科技,2005(1):48-49.