清远抽水蓄能电站影响机组振动主要部件的分析

陈泓宇，杨伟坡，黄运福

清远抽水蓄能电站影响机组振动主要部件的分析

陈泓宇，杨伟坡，黄运福

（调峰调频发电公司清远蓄能发电有限公司，广东 清远 511583）

介绍了清远蓄能电站1号机组调试过程振摆情况，对影响振摆情况的主要设备从设计、制造、安装过程进行了分析与控制，为后续电站提供一个有价值的参考。

清远；电站；振摆；分析

0　绪言

根据国家标准与行业规范，要求水电企业应加强规划或加强在建水电机组前期管理，严格按照国家与行业规范的振动区有关标准进行设计和制造。机组在运行中出现微小的振动是允许的，但振动过大会造成机械连接件的松动或造成某些部件有害的弹性变形和塑性变形，使一些零、部件材料发生疲劳、裂纹以致断裂，缩短了机组设备的使用寿命。因此，振动是衡量机组设计、制造、安装质量的一个综合性技术指标，也是机组运行不稳定性的基本表现形式，所以在制造、安装阶段将机组振动控制在尽可能小的范围意义重大。

蓄能机组水头高、转速高、起停频繁，转轮设计要兼顾水轮机和水泵两种运行特性，因此在振动控制方面要求较为严格。控制机组振动，要从机械、水力和电磁方面入手，确定机组特征频率，寻找造成机组振动偏大的原因。清远抽水蓄能项目土建设计，厂房楼板釆用1m厚板、1机1缝分缝结构，并针对水力激振频率对厂房建筑物影响课题进行了专题计算研究，为減小厂房振动提供了有利条件。本文仅从机械、水力和电磁方面入手，介绍对振动影响较大的机组主要部件在制造安装过程中的质量管控。

1　水力因素方面控制

流道中的每个部件都将通过计算流体力学（CFD解析）进行优化。

1.1转轮的特性

水轮发电机振动影响最重要的不好控制的因素或者变素是转轮特性。清远蓄能电站采用长短叶片转轮，其具有多个叶片可以降低叶片负荷、抑制部分负荷运行时的转轮内部发生的流体的偏向，以及二次流的发生,在压力脉动、振动等方面优于常规叶片转轮，同时厂家针对长叶片和短叶片翼型分别进行CFD优化设计。通过对长叶片和短叶片的进出口角，短叶片到相邻长叶片背面开口的大小等参数进行优化，使机组在部分负荷条件下尾水管压力脉动大大降低，可以使转轮直径减小，从而提高转轮效率，改善水轮机工况下的“S”区不稳定性问题。

1.2蜗壳

清远蜗壳结构形式为螺线形，其目的是为了使流道进口到流道末端的平均流速保持圆周恒定，固定导叶进口的流动角度尽可能的保持一致，引导着水流平缓地进入固定导叶。

1.3固定导叶与活动导叶

考虑到转轮叶片总数量10的组合中可能产生的转轮振动模式的情况，活动导叶的数量定为16个，固定导叶的个数也定为16。固定导叶和活动导叶之间的圆周相对位置的确定是为了使在水力最大开度时的水力损失最小。

1.4尾水管

尾水管形状优化的目的是为了使水轮机水流进口和出口之间水力损失达到最小。清蓄电站尾水肘管足够长（高11500mm，长17000mm），用以消除偏流现象和水泵工况中转轮进口的紊流现象。

2　转动部件的控制措施

水轮发电机转动部分的重心不在机组的旋转中心线上，则静止时有一个不平衡力矩存在。这种由于转子偏重所产生的离心惯性力对机组的转动部分具有周期性的强迫作用，因而可引起机组的受迫振动。所以在制造安装阶段尽可能采取一切措施减小转动部件的不平衡非常有意义。

2.1大轴

在合同谈判和设计联络阶段，要求厂家对轴系加工采用同床钻铰工艺，以达到严格每一个细节，最终获得加工偏差远低于设计允许公差的较为理想的轴线。盘车过程中清蓄1号机组各导轴承轴领及法兰盘的摆度0.011～0.015mm/m，远小于规范允许值0.02mm/m，运行中设备振动0.17～0.47mm/s，远低于规范允许值1.6mm/s，大轴振摆均在优良区。

2.2转轮

清蓄转轮采用了较为先进的5长5短长短叶片转轮，在能量转换、空化、压力脉动及刚强度等方面都具有很大的优点。在转轮制造过程中严格控制转轮的铸造质量、加工精度及焊接质量，为了最大程度上降低转轮残余不平衡质量诱发或加剧其水力不平衡的可能性、降低运行振摆、进一步提高机组长期稳定运行质量，经与东芝水电协商，最终将水轮机转轮静平衡等级由ISO19406.3级提高到ISO19402.5，把转轮外径侧允许残余不平衡质量从2.23kg降为0.885kg，大大提高了转轮的运行均衡度。

同时转轮叶片焊缝探伤标准提高。转轮焊接过程中，按照ASME标准对每一个焊缝都进行UT、MT、PT探伤检查，加工完成后，按照CCH70-3标准再次对所有焊缝进行MT和PT探伤检查，确保每一道焊缝的质量满足要求。

转轮进行残余应力测定。委托浙江中能工程检测有限公司在转轮热处理后进行了X射线残余应力测试，测试使用国际一流的Proto-IXRD型便携式X射线应力分析仪，测试过程严格按照SL547-2011《水工技术结构残余应力测试方法—X射线衍射法》和GB/T7704-2008《无损检测X射线应力测定方法》，转轮残余应力测试结果为84.5MPa，远小于要求值国家标准规定±150MPa。

2.3磁轭

发电机转子九段厚环板磁轭叠装时，经与厂方代表多次协商进一步完善其传统工艺而使用“最小二乘法”测量计算偏心值的规范工艺，通过施工人员精心施工，磁轭整体偏心值0.07mm远小于允许偏差0.15mm；转子整体（含磁极）0.04mm的偏心值远优于国标。

2.4水轮机转动部件安装不平衡控制

清蓄电站转轮与主轴的螺栓固定采用压板形式，即用一个压环将螺栓整体固定，而在压环与螺栓间需要垫入一定量不锈钢垫圈，这一步对静平衡有一定影响。在转轮与主轴组装时，预先抽检联轴螺栓的外形尺寸，确保尺寸一致。在安装螺栓后，要求穿入螺孔的深度一致，使垫入的不锈钢垫圈数量也一致；压环与主轴下法兰面之间有几十处焊缝，在尽量做好螺栓紧固和止动的前提下，在焊接时严格按图纸要求控制好焊角高度、长度，确保焊缝均匀分布，达到质量平衡分布目的。

2.5轴线的调整控制

清蓄电站机组是半伞式结构，推力轴承采用弹簧簇支撑，具有自适应调整的特点，且安装镜板的法兰面与大轴轴线的垂直度已经在制造过程中严格控制。要得到较好的轴线必须要保证镜板安装的水平。安装过程中通过不带转子、带转子两次盘车对轴线进行测量，采用在下机架与基础间加垫的方式调整轴线，最终获得非常好的轴线。盘车数据见表1、表2。

表1　1号机组水轮机和下端轴单独盘车数据

表2　1号机组整体盘车数据

2.6动平衡

根据额定转速运行情况，对1号机组进行了两次配重。首次试加，在转子上部5、6号磁极间的4.96kg和0.575kg螺栓去除，在上部12、13号磁极之间加8.6kg质量块和螺栓，总重量9.36kg。振动和摆度均比动平衡前有明显减小，摆度各测点一倍频基本在100μm以内，上机架和下机架振动均较小。但上导摆度的判定值为200μm，略为偏大，决定对1号机组进行动平衡调整，进一步减小上导摆度幅值，将转子上部2、13磁极间9.3拆除，在11、12磁极间安装13.8kg质量块。质量块安装完毕后，428.6r/min转速发电方向空载工况下大轴摆度数据和机架振动数据来看，一倍频幅值均已较小，除顶盖垂直方向，其他振动测点幅值均较小（见表3）。

表3　428r/min大轴摆度和机架振动数据

至此，1号机组发电方向空转工况下的动平衡达到较理想水平。

3　磁拉力的控制措施

电磁振动的干扰力主要来自发电机电气部分的电磁力，引起电磁振动的主要因素是转子绕组短路和空气间隙不均匀，它们直接造成磁路不对称，产生磁拉力不平衡。这方面主要在安装和制造阶段控制定子机座和转子磁极的精度着手。

3.1定子机座

厂家工艺方案只要求对机座组合缝的外缝进行封口焊接，2013年8月5日测量发现机座焊后部分定位筋座的圆度和垂直度超标，其中：29个测点半径值超标，最大偏差值-0.59mm（允许偏差±0.375mm）；32根定位筋座的垂直度超标，最大倾斜值0.65mm（基准筋倾斜允许值不大于0.15mm，其余筋不大于0.25mm）。发生超标的主要原因是厂家的定子机座组装工艺方案不完善，未充分考虑机座焊接变形对定位筋座圆度和垂直度的不利影响及其应对措施。决定采取使用千斤顶和手拉葫芦顶撑收拉机座、内缝焊接反变形调整机座、预装定位筋测量后打磨筋座等处理方案。2013年9月7日完成了相关处理，定位筋座圆度和垂直度的最终实测数据满足规范和厂家技术要求。为防止后续机组施工发生类似问题，经过厂家设计部门充分论证，修订了定子机座组装工艺方案，在机座组圆后取消组合缝的外缝焊接。最终使得定子机座鸽尾筋座任意位置至中心柱距离相对差只有0.06、0.03、0.01、0.05mm（远小于设计值0.1mm）；定子铁芯上下部最大值与最小值之差0.82mm、0.16mm，也远小于设计允许偏差1.5mm。最终铁芯的圆度得到有效控制。

3.2定子铁芯叠装

定子铁芯冲片材料选用磁导率高、单位损耗低、无取向的优质冷轧硅钢片，厚度分为0.35mm普通片和0.5mm特殊片。定子铁芯采用分5段叠装，相邻两层错开1/2冲片搭接叠装,叠一段要用整形棒整形保证尺寸。定子铁芯采用上、下齿压板压紧结构，通过设置于铁芯背部的拉紧螺杆压紧，并依靠螺杆上端加装碟簧,以保证长期运行后，定子铁芯仍能够保持给定的压力，叠压后铁芯内径和槽型尺寸应满足设计精度要求。

3.3转子磁极

转子磁极铁心叠压工艺更新改进。清蓄电站磁极铁芯长度达3320mm，由于扎制钢板的固有特点，磁极铁心薄钢板原材料沿扎制的垂直方向会存在一定的厚度偏差，因而引起磁极冲片在不同的部位的板厚也会存在一定的偏差，为了消除此偏差，磁极冲片排料方式进行了合理编排，以有效减少同板差造成铁芯靴部和T尾部叠压时积累产生的缝隙。为了保证铁芯拉紧螺杆伸长量满足设计要求，采用激光测长仪对螺杆伸长量进行控制。

铁芯在叠装后增加用直尺检查以确保整形良好，为了防止在压机压紧过程中出现扭曲，改进了压头结构，使压力中心与冲片中心一致。在叠装完毕后对磁极端板倾斜、旁弯、平直度等均进行了严格的检查，以保证铁芯的外形尺寸满足相关标准及组装要求。

3.4转子组装

转子磁轭为9层磁轭环叠装方式，无需螺栓固定，中心体间与磁轭、磁轭与磁极间均采用冷打键组合楔形键固定，磁轭环分层叠装时，逐层控制磁轭环与中心体的间隙值，从而保证所有键的打入深度尽可能保持一致。1号机组磁轭键与磁极键打入深度偏差控制在±1mm范围内，很大程度上减少了发电机转子的不平衡因素。

磁极在工厂装配后称量，到现场后按指定的方挂装，以达到重量静平衡。然而，磁极的引线按设计图纸从一侧引出，磁极的引线及固定件将是单侧分布，这些部件是转子主要的不平衡量，所以在动平衡时，配重主要是平衡这一部分重量。

4　机组调试情况简介

4.1定中心和瓦间隙调整

轴线的定中心基准是以上止漏环的中心为基准进行调整。虽然轴线的摆度值不大，但在瓦间隙调整中应考虑盘车的摆度方位和大小。调整时，要求以保证相邻的瓦间隙差不能大于0.02mm。通过1号机组的瓦间隙调整效果来看，各轴瓦的瓦温值都在设计范围，状态良好。

4.2调试振动情况

清蓄1号机组整机调试自2015年9月4日开始，至10月底全部结束。调试期间，对1号机组的振动检测及调整也同步完成。最终无论在发电工况还是抽水工况，1号机组的轴系振动均达到GB/T11348.5-2008标准的A级振动水平，可长期运行。调试各阶段机组振动具体情况如下：

发电方向空载工况下，各部位振动一倍转频分量0.5mm/s，其通频值仍比较大，水导摆度和顶盖振动幅值波动较大，此现象主要是水力不平衡引起的。在空载工况下导叶开度（流量）比较小，是因流道内水流比较复杂导致。

带负荷时，部分负荷下检测到低频涡帯频率，但幅值不大。240～260MW时涡带频率完全消失，机组振动处于最佳状态。满负荷抽水工况运行时，大轴摆度幅值较小，且非常稳定，未出现波动，说明机组运行平稳，具体情况如表4、表5。

甩负荷试验时，最高转速发生在甩100%负荷过程，达到559r/min，未发生机械故障或异常声音。该机组在甩负荷后，机组轴系摆度和机架振动均未发生变化。

调相工况时，无论是PC工况还是GC工况，1号机组运行都非常平稳。

表4　各部位振动情况　单位：mm/s

表5　各导轴承摆度情况　单位：um

5　结语

对振动影响较大的机组主要部件在制造安装过程中的质量管控意义重大，清蓄电站制造和安装质量标准有些重要部件适当提高了标准，机组振动达到了远优于国标的效果，可为类似电站推广和借鉴。

[1]刘玉斌.惠州抽水蓄能机组振动在线监测系统[J].水力发电，2010（09）.

[2]王志刚.蓄能机组轴线问题及机组运行摆度偏高分析处理[J].水电站机电技术，2003（03）.

TV743

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1672-5387（2016）08-0100-04

10.13599/j.cnki.11-5130.2016.08.031

2016-06-29

陈泓宇（1975-），男，高级工程师，主要从事电站基建和电厂技术管理工作。