向明

摘 要：针对巫溪县刘家沟水电站2#机组运行振动值、摆度值偏大，在运行中多次触发保护动作导致自动停机的情况，我们从电气因素、水力因素、机械因素及机组工况等方面全面探寻了振动偏大的原因，通过对整个机组逐步进行排查，最终通过动平衡试验，在转子下端面加12Kg配重块后，有效地消除了机组振动过大的缺陷。

关键词：水电站;水轮机;机组振动

1引言

水电属于可再生清洁能源，水电在推动能源生产和消费革命、促进节能减排、促进碳达峰、碳中和目标的实现、高效调控和开发利用水资源等方面的综合效益持续显现。2020年，我国水电装机容量达3.7亿千瓦，稳居世界第一。在水电站运行过程中，经常会遇到的水轮发电机组振动问题，机组振动对电站的安全运行和设备使用寿命带来不利影响。水轮发电机组的运行工况比较复杂，引起机组振动的因素较多，振动的分析和消减难度很大，因此，研究机组振动产生的原因、危害，并提出防治措施，对提高机组的安全运行具有重要意义。

2电站概况

刘家沟水电站位于重庆市巫溪县凤凰镇，为水库式电站，电站装机容量2×10MW，水轮机型号：HLA920-LJ-118，额定功率：10.417 KW，额定转速：750r/min，飞逸转速：1286r/min，额定水头：190m，额定引水流量：5.908m3/s。刘家沟水电站首台机组于2014年10月底成功并网发电，2014年11月2日第二台机组并网发电。

刘家沟水电站机组投运时未进行动平衡试验，机组运行几个月后，发现上导瓦背有所损坏，电站组织技术人员重新盘车檢查轴线、调整瓦隙后，开机运行发现机组的振动值、摆度值仍超过国家标准。刘家沟水电站机组在运行过程中因振动值超标多次触发保护动作，导致机组自动停机，影响到电站的安全运行。

3水轮发电机组振动产生的原因分析

水轮发电机组在实际运行过程中工况比较复杂，根据水电站实际运行管理经验来看，水力振动、电磁振动和机械振动是常见的引起机组振动的主要因素。

3.1水力振动

水轮发电机组水力振动主要因机组负荷变化、发电水头变化、机组过流部件的水压力脉动和调速器系统震荡等因素引起。例如，水轮机尾水管卡门涡列、涡带诱发的机组振动均与水压力脉动有关。

通过对刘家沟水电站2#机组在空载、2.5MW、5MW、7.5MW、10MW等几个负荷工况和刘家沟水库水位由正常蓄水位448m逐步降至最低发电水位426m左右下的运行振动值、摆度值进行测量，发现在不同负荷和水头工况下机组振动值、摆度值变化不大。由此排除了该机组因水力振动导致振动偏大的可能。

3.2电磁振动

水轮发电机组电磁振动主要因机组设计参数不够合理，或者未严格按照设计图纸制造、安装精度不够，从而导致发电机工作时磁拉力不平衡，并由此引起的机组振动。例如，机组定子铁芯松动、转子旋转中心偏移、转子圆度不够等均为造成发电机磁拉力不平衡的原因。

通过对刘家沟水电站2#机组设计参数进行复核，重新盘车检查轴线、调整瓦隙、检查转子和定子安装精度后，开机运行发现机组的振动值、摆度值仍超过国家标准。由此排除了机组因电磁振动导致振动偏大的可能。

3.3机械振动

水轮发电机组机械振动主要因机组的转动部件质量不平衡、上导、下导或水导轴承间隙调整不合理，或者机组转动部件重心偏移引起。我们在运行过程中最常见的是机组转动部件质量不平衡，由此引起弓状回旋，进而导致机组振动。

2015年6月30日，刘家沟水电站委托成都坤瑞安科技有限公司对2#机组进行了动平衡试验。试验仪器使用英华达公司生产的EN900便携式振摆仪，摆度传感器使用德国申克公司生产的IN081电涡流一体化传感器，振动传感器采用德国申克的VS068/069速度传感器。根据《水轮发电机组启动试验规程》（DL/T507—2002）规定，结合电站高转速机组的特点进行测点布置，测试工况包括机组空转、动平衡试验、空载试验、机组带负荷试验。

3.3.1开机过程机组的振摆数据分析

（1）低转速运行时，机组振动、摆度监测及数据分析。当机组在低转速137.8转/分、223.4转/分、404.4转/分、483.6转/分运行时，从机组振动、摆度监测数据和轴心轨迹图分析可以看出，机组上导、下导、水导摆度的一倍频幅值偏差比加大，说明机组盘车时轴线处理得比较理想。从波形图来看，上导、水导摆度波形图的重合性很差;上导、水导轴心轨迹成三角形。说明机组转动部件尤其是水导处存在严重的摩擦、碰撞。

（2）开机过程，（变转速）机组的振摆数据分析。从上机架水平振动与转速的关系曲线看，振动与转速成二次曲线;从摆度与转速的关系曲线来看，摆度的幅值与转速成一次（正比例）曲线。机组存在质量不平衡。

（3）额定转速时，水轮机转动部件仍然存在摩擦、碰撞。机组振动、摆度超过国家标准，需要进行动平衡试验。

3.3.2 动平衡试验

首先在转子下端面加配重4.2Kg（试配）后，机组的振摆数据有所减小。通过试配后计算，二次在转子下端面共加了12Kg配重块。开机后机组的振动、摆度明显减小，水轮机转动部件的碰撞基本消除，机组的振动、摆度数据均符合国家标准（《水轮发电机组安装技术规范》GB/T8564—2003）。规范要求：转速在375≤n<750范围的机组，机组运转时，机组运行摆度（峰值）应不大于轴承总间隙的75%;带导轴承支架的水平振动小于50微米，带推力轴承的垂直振动小于40微米，顶盖水平振动小于30微米，顶盖垂直振动小于30微米。通过分析得知水轮机转动部件的碰撞是因为转动部件的离心力作用，使得机组轴线摆度太大，其摆度大于转轮上、下止漏环的间隙（单侧最小间隙仅0.3mm）。本次动平衡试验非常成功。动平衡试验后，机组转动部件的碰撞基本消除，机组运行稳定，机组安全稳定运行至今。

4水轮发电机组振动的危害

水轮发电机组运行过程中如果发生剧烈振动，将会造成机组转动部件和静止部件之间的摩擦加剧，进而影响机组零部件的使用寿命。机组发生经常性的振动将会引起相关部件金属疲劳，从而可能使各部件的连接处和结合处发生松动，导致部件出现裂纹甚至断裂[1]。当振源频率与机组或电站厂房的固有频率接近时，将会引起共振，可能引起机组解列，甚至造成水工建筑破坏。如果机组的振动值、摆度值长期超过允许值范围，将不利于机组正常运行，严重时甚至会危及电站的安全运行 [2]。

5水轮发电机组振动的防治措施

通过对水电站水轮发电机组振动产生的主要原因进行探索分析，我们发现有些机组振动是不可避免的，但有些机组振动是可以消除的。所以，水电站运行管理人员只有尽量把机组振动控制在《水轮发电机组安装技术规范》（GB/T8564-2003）允许范围内，方能保障电站机组安全运行。

根据我们在刘家沟水电站运行管理实际中总结的一些经验，避免或减轻、消除机组振动的一些常用措施如下：

（1）对因机组转子质量不平衡，由此产生弓状回旋而引起的振动，针对大中型低转速水轮发电机组，可以在转子组装前对磁极、磁轭压板、磁极引线等进行称重，进行静平衡计算。如果转子不平衡质量超过规范要求，则需要在适当的位置进行配重，并进行动平衡试验，并根据动平衡试验结果调整配重，从而减小或消除由于转子静不平衡所产生的振动。

（2）对由于机组主轴出现不同心或折线而引起的振动，可以通过对机组进行盘车加以调整。

（3）对因发电机磁拉力不均匀引起机组振动，可以通过对轴线进行调整，使发电机空气间隙均匀，从而消除或减小磁拉力不均匀引起的机组振动。

（4）对因上导、下导或水导轴承间隙过大、推力轴承各支柱变形过大引起的机组振动，可以通过盘车调整导轴瓦间隙、调整推力轴承各支柱的受力，从而减小机组振动。

参考文献

[1]李启章.对大型机组振动、裂纹问题的探讨[J].水电站机电技术，2003（s1）：17-19.

[2]董毓新.水轮发电机组振动[M].大连理工大学出版社，1989.