水轮发电机组振动过大的原因

2022-12-13

笔者于2008年3月在贵州罗甸石门坎二级电站进行发电前安装调试试验, 在1号水轮发电机组起励带负荷后发现机组明显振动过大。 (机组铭牌参数:功率25MVA, 额定电压10500V, 额定电流1374.6A, 转速150转/分) 。

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, 除了机器本身转动或固定部分引起的振动外, 尚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—电磁三部分是相互影响的。例如:当水流流动激起机组转动部分振动时, 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的振动, 而转动部分的运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。鉴于问题的复杂性, 将引起水轮机组振动原因大致分为机械、水力、电气三方面的因素来研究, 为水电厂生产管理、运行、检修人员提供参考意见, 以便制定出相应的预防和消振措施。

首先:我们要了解水轮发电机组振动的危害。振动是旋转机械不可避免的现象, 若能将其振幅限制在允许范围内, 就能确保机组安全正常运行, 但较大振动对机组安全是不利的, 会造成如下危害:使机组各连接部件松动, 使各转动部件与静止部件之间产生摩擦甚至扫膛而损坏。

引起零部件或焊缝的疲劳、形成并扩大裂缝甚至断裂。尾水管低频压力脉动可使尾水管壁产生裂缝;当其频率与发电机或电力系统的自振频率接近时, 将发生共振, 引起机组出力大幅度波动, 可能会造成机组从电力系统中解列, 甚至危及厂房及水工建筑物。

其次:分析水轮发电机振动原因。

1 水力因素

振动的水力因素系指振动中的干扰力来自水轮机水力部分的动水压力。其特征是带有随机性, 且当机组处在非设计工况或过渡工况运行时, 因水流状况恶化, 机组各部件的振动亦明显增大。由于单位体积水流的能量取决于水头, 所以机组的振动一般是随水头的降低而减弱, 高水头、低负荷时振动相对而言较为严重。产生振动的水力因素主要有:水力不平衡、尾水管低频水压脉动、空腔汽蚀、卡门涡列、间隙射流等。

1.1 水力不平衡

具有位能和动能的水流通过蜗壳的作用形成环流, 再通过分布均匀的固定和活动导叶均匀作用于转轮激发转轮旋转。由于加工和安装误差, 使导水叶叶片、流道的形状与尺寸差别较大时, 作用于转轮的水流失去轴对称时就产生一个不平衡横向力, 引起转轮振动, 在空载或低负荷运行时振动强烈。

1.2 尾水管低频水压脉动

水轮机在非设计工况下运行时, 由于转轮出口处的旋转水流及脱流旋涡和汽蚀等影响, 在尾水管内常引起水压脉动。尤其是在尾水管内出现大涡带后, 涡带以近于固定的频率在管内转动, 引起水流低频压力脉动。当管内水流一经发生, 压力脉动就会激起尾水管壁、转轮、导水机构、蜗壳、压力管道的振动。

1.3 空腔汽蚀

水流通过水轮机时, 其流向、流速随流道改变, 在流速增高或脱流部位压力降低到汽化压力时水流中产生汽泡, 汽泡进入高压区溃灭时便会出现汽蚀。汽蚀发生时, 在汽蚀部位会发生特殊的噪声和撞击声。空腔汽蚀是流道中因漩涡带引起脱流、负压而造成的压力交变产生的振动。由空腔汽蚀引起机组的顶盖和推力轴承出现剧烈的垂直振动, 它比横向振动的危害更大。

1.4 卡门涡列

恒定流束绕过物体时, 在出口边的两侧出现漩涡, 形成旋转方向相反、有规则交错排列的线涡, 进而互相干扰、互相吸引, 形成非线型的涡列、俗称卡门涡列。当卡门涡列的冲击频率接近于转动体叶片的固有频率时, 将产生共振, 并拌有较强的且频率比较单一的噪声和金属共鸣声。

1.5 间隙射流

在轴流式水轮机中, 叶片和转轮室间隙处由于正背面压差的存在, 会形成一股射流, 其速度很高。由于转轮的旋转, 对转轮室某一部位来说, 交替的出现瞬时压力升高和降低, 形成周期性的压力脉动。这种压力脉动会引起转轮室振动。

2 机械因素

振动的机械因素系指振动中的干扰力来自机械部分的惯性力、摩擦力及其它力。其特征是振动频率等于机组的转动频率或整倍数的机组转动频率。引起振动的机械因素主要有:转子质量不平衡;机组轴线不正;导轴承缺陷等。

2.1 转子质量不平衡

由于转子质量不平衡, 转子重心对轴心产生一个偏心距。当轴以角速度旋转时, 由于失衡质量离心惯性力的作用, 轴将产生弓状回旋, 其中心获得挠度, 轴心绕重心作圆周轴运动, 回转半径就是振幅, 这种振动也叫振摆。其特征是:振幅是随转速度变化而变化的。

2.2 机组轴线不正

在旋转机械中最理想的是机组中心、旋转中心及轴线三者重合, 最不理想的是机组中心、旋转中心与轴线不重合的状态。介于二者之间的是旋转中心与机组中心重合, 机组轴线不正的主要表现形式是轴线与推力头底平面不垂直和轴线在法兰结合面处曲折, 由于轴线倾斜和曲折, 使机组转子的总轴向力不通过推力轴承中心, 就产生一个偏心力矩。随着转子的旋转, 偏心力矩也同时旋转, 使各支柱螺栓的受力是脉动力, 其脉动频率与转速频率相同, 从而产生推力轴承各支柱螺栓的轴向振动, 转子也就随之产生振摆。轴线不正, 也是引起径向振动的原因之上。

2.3 轴承缺陷

当导轴松动, 或间隙过大润滑又不良, 或轴承与固定止漏环不同心等都会发生干摩擦, 引起机组的横向振动。

3 电磁因素

振动的电磁因素系指振动中的干扰力来自发电机电气部分的电磁力, 其特征是振动随励磁电流的增大而增大, 引起电磁振动的主要因素有转子绕组短路、空气间隙不均匀等。

3.1 转子绕组短路

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。其振动的振幅与励磁电流有关, 用公式表示为Y=f (A) , 励磁电流A增加, 振幅Y增大。当去掉励磁, 振动立即消失。所以很容易把这种振动和其它原因产生的振动区分开来。

3.2 空气间隙不均匀

当发电机转子不圆或有摆度时, 空气间隙就会不均匀, 从而产生单边的不平衡磁拉力, 随着转子的旋转而引起空气间隙周期性变化, 单边不平衡磁拉力沿着圆周作周期性移动, 引起机组振动。

对该电站1号机组进行手动开机, 导叶缓慢打开到额定转速。经测振仪测量振动参数值不超出规范要求, 可以排除水力、机械原因。起励升压至额定电压后振动增大, 超标。逆变灭磁后振动马上减小, 初步判断为发生转子两点接地。查看发电机微机保护定值, 转子一点接地值:20KΩ, 延时:9S, 且保护装置事件记录内无转子一点接地报告。取500V绝缘表对转子进行绝缘测量, 摇表指针剧烈摆动。将发电机转子一点接地保护定值暂时改为延时0.5S, 保护装置立刻报警转子一点接地保护动作。停机检查转子绝缘, 测得值为20MΩ, 判断为转子在机组转动时有碰刮接地处。打开机组上挡风板, 采用对半检测的方法, 分半检测磁极绝缘, 逐个排除后发现有两转子磁极连接处有松动, 为防范机组长时间运行后另有磁极接地, 逐一拆开后重新加绝缘垫锁死螺帽后用玻璃丝带包扎固定并涂绝缘漆。测量绝缘符合要求后开机, 检查保护装置未报转子一点接地。起励后检测机组振动符合规范要求, 振动问题解决。

转子两点接地不仅引起发电机剧烈震动, 同时无功负荷降低, 而且由于转子本体局部通过大的电流, 会引起局部发热, 使转子缓慢变形而偏心, 进一步增大机组震动。我们不能因为水轮发电机在静止时转子绝缘满足开机要求, 就判断机组开机后转子绝缘就是好的。也不能因为保护装置未报警转子一点接地就排除转子接地的隐患。水电厂生产管理、运行、检修人员应勤于巡视, 仔细观察, 喜欢思考。

摘要：以贵州罗甸石门坎二级电站1号立式水轮发电机组振动过大事故为例, 对引起振动的原因, 进行了分析。

关键词：机组,振动,分析