长甸电站4号机组异常振动原因分析及处理

史恩泽

（太平湾发电厂，辽宁 丹东118000）

0 概述

太平湾发电厂长甸电站位于辽宁省宽甸满族自治县境内，是中朝界河鸭绿江中下游水丰电站的扩建工程，与水丰电站共用一个水库。厂区由A站和B站两座引水式厂房组成，其中A站于1986年开工建设，厂房内安装1号和2号水轮发电机组，1989年10月2台机组相继投产发电；B站于2011年6月开工建设，厂房内安装3号和4号水轮发电机组，2014年9月2台机组相继投产发电。

长甸电站4号机组主设备由哈尔滨电机厂有限责任公司制造、中国水电第六工程局安装，水轮机结构型式为立轴混流式，型号为HL883A-LJ-442；发电机结构型式为伞式，型号为SF100-40/9200，推力轴承安装在转子下方的下机架上，上机架为井字梁结构型式，中心体内装置楔子板式上导轴承，下导轴承位于下机架中心体内。当上游库区水位在80～123.3m范围的条件下，该机组具备发电运行的条件。

1 问题的提出

1.1 投产发电以来机组的运行情况

长甸电站4号机组自投产发电以来，一直存在着上机架径向振动和上导主轴处摆度超标问题，在2014年8月机组调试阶段进行稳定性试验时，测量数据显示在空载无励状态下上导摆度X向355μm、Y向349μm、上机架径向振动342μm；空载加励时，上导摆度X向342μm、Y向356μm、上机架径向振动342μm，随着负荷的增加，上导摆度呈减少趋势，带84MW负荷时（当时上游水位93.96m，已是最大负荷），上导摆度X向290μm、Y向280μm。负荷15MW工况下，上机架径振动最大为434μm。两者均出现超标现象（标准规定上导摆度≤230μm，上机架径向振动≤90μm)，其他各部位振动、摆度均符合规范标准[1-2]。

2015年5 月以后，由于上游库区水位较低，机组几乎未进行发电，仅处于备用状态，2015年10月中旬进行了一次B级检修，期间运行小时数约为560h。2016年1月检修完成，在连续进行12h试运行后，机组又进入停机备用状态。

2016年5月28 日，当上游水位上涨至98.6m时，机组开始频繁调度，发电机有功功率最大可达到93MW，此负荷下测量：上导X向摆度为281μm、Y向摆度为392μm，上机架径向振动X向为185.6μm、Y向为188.9μm，两者数据仍然严重超标。

1.2 历次检查曾3次发现上导瓦调节螺栓断裂事件

2015年10 月中旬进行的B级检修时检查，发现靠近Y向的1号和6号上导瓦调节螺栓断裂；

2016年6月3 日，临时检修过程检查发现靠近Y向的6号和12号上导瓦调节螺栓断裂；

2016年6月27 日，动平衡试验后检查时，发现靠+Y向的1号上导瓦调节螺栓断裂。

三次断裂位置均发生调节螺栓的根部，见图1。

图1 上导瓦调节螺栓断裂的位置

对于4号机组上机架径向振动和上导摆度严重超标问题，及其所导致的上导瓦调节螺栓断裂事件，已严重影响了机组的安全运行。为查找原因，消除隐患，2016年6月，电厂委托辽宁东科电力有限公司，进行动平衡试验，试验结果表明4号机组存在转动部件质量不平衡问题。试验完毕后，召开专题分析会，邀请制造厂、安装单位、试验单位和业务主管部门代表组成的技术专家组，从设计、制造、安装和运行维护等方面对4号机组存在异常振动原因进行全面分析和探讨，提出了处理方案。

2 上机架径向振动、上导摆度超标原因分析

2.1 动平衡试验测试过程及质量不平衡的原因分析

（1）动平衡试验测试过程

试验时在对应转子引出线1号磁极位置的大轴上，粘贴一片键相块作为测速及标记相位位置，空载状态下，在80%，90%、100%额定转速情况下，测量上机架径向振动及上导摆度，计算振幅与转速平方的关系，见图2。

数据显示，上机架径向振动与上导摆度幅值与转数平方成线性关系，说明4号机组转动部件存在质量不平衡问题，试验进一步计算，缺重方位在23号磁极所在方位。

试验共进行5次配重，配重块安装位置在23号磁极所在方位转子磁轭与支臂交界处，距转子中心R=2700mm的位置。随着配重质量的增加，上机架径向振动和上导摆度逐渐变小，当配重增加到120kg时，由于电厂备用的配重块数量不足和固定配重块的螺栓长度不够，试验暂停。虽然此次配重试验没有完成任务，但试验测量的数据，为查找4号机组上导摆度和上机架径向振动超标原因提供了依据。试验测量结果见表1[3]。

图2 机组转速与上机架径向振动和上导摆度关系

表1 长甸电站4号机动平衡配重试验记录

（2）产生转动部件质量不平衡的原因

4号水轮发电机轴系分上端轴、转子中心体、下端轴转子3部分，转子中心体设有检修进人孔、转子引线固定在上端轴中心孔内壁上，通过螺栓固定，在与进人孔中心180°角的方向引出，两个因素叠加是产生转子质量分布不均匀，产生机械不平衡力的主要原因，试验计算的缺重方位所在23号磁极位置，正是进人孔所处的方位[4-5]。

2.2 上机架与基础板连接部位安装不符合设计要求

上机架为“井字梁”结构形式，由钢板焊接而成，机架通过4个连接板与埋设在机坑内壁的基础板相连接，此种结构可以把机组通过上机架传向基础的径向力转化为对基础的切向力，改善了基础的受力情况。上机架与基础的连接方式，见下页图3。为了确保将上机架传向基础的径向力转化为切向力，在设计时，要求每个连接点两侧在周方向用楔子板打紧，并用螺栓固定，并要求机架与基础板和两侧楔子板在安装时径向预留12±1.5mm的间隙[6]。

安装后检查发现4个上机架与基础板预留最大间隙仅为0.7mm，与楔子板径向无间隙，这样就限制了上机架在机组运行中将产生的径向力转化为切向力的功能，上机架由于径向力大而产生弹性变形，

图3 上机架与基础板连接方式示意图

2.3 上导瓦调节螺栓断裂原因分析

4号机上导轴承的结构型式为楔子板式，上导瓦的固定方式，如图4，整个机构主要包括上导瓦、楔子板、卡板和调节螺栓等部件，上导瓦背面设有一个铬钢垫，铬钢垫与瓦背之间有垫片，安装时通过增减铬钢垫与瓦背之间垫片的厚度为楔子板预留出主轴与上导瓦间隙调节余量。通过升降上导瓦调节螺栓控制楔子板的高度，进而确定上导瓦与主轴间隙。由于机组振动的原因，上导摆度产生的径向力传递给楔子板，楔子板振动传递给卡板和调节螺栓，这样就对调节螺栓产生一个杠杆的力矩效应，根部是最簿弱的部位，长期的作用引起金属疲劳，导致调节螺栓在根部剪切断裂。

图4 上导轴承结构示意图

在机组检查时，发现卡板距调节螺栓底部固定部位的距离达到90mm，距离越长，力矩效应就越大。同时卡板与楔子板上的卡槽未设计轴向间隙，使径向力全部传递到调节螺栓上。见图5。

2.4 分析得出的结论

除从转子设计、上机架与基础板连接方式和上导瓦固定方式3个方面分析缺陷产生原因外，还通过分析机组安装和检修记录、机组启动试运转和机组B级检修后试验数据等资料，排除了水力因素、电磁因素对机组振动的影响。得出结论如下：

图5 上导固定方式存在的问题

（1）上机架径向振动、上导摆度超标的原因

1）转动部分存在质量不平衡；

2）机组安装时上机架与基础板和两侧楔子板预留的径向间隙不满足设计要求。

（2）上导瓦调节螺栓断裂原因

除上机架径向振动和上导摆度过大的原因外，卡板距调节螺栓根部的距离过长和卡板与卡槽未设计轴向间隙，两种原因产生的力矩效应，造成调节螺栓在根部发生疲劳断裂。

3 处理措施和效果

3.1 预防上导瓦调节螺栓断裂的措施

（1）对卡板进入卡槽的部分进行打磨处理，安装后保证卡板与卡槽之间不小于0.5mm的轴向间隙，这样在机组运行时，楔子板在轴向和径向都有足够的串动量，产生的振动力就不会全部传递到上导轴瓦间隙调节螺栓上。

（2）减小铬钢垫后面垫片厚度，将楔子板下移，缩短卡板距调节螺栓底部的距离，处理后12个卡板高度一致，由处理前的90mm降为30mm，见下页图6。

经过以上处理后，力矩效应大大的降低。

根据设备制造厂的建议，将上机架吊出，对上机架与基础板连接部件进行打磨处理，确保上机架与基础板和两侧锲子板在安装后有5mm以上的径向间隙值。

重新进行动平衡试验，将首次动平衡试验安装的配重块拆除，在原安装位置，重新加装配重块，配重过程共分5次，累计共加装配重块270kg。试验后空载运行，上导摆度X向为227μm、Y向摆度为212μm、上机架径向振动值为55μm。数据显示上导摆度和上机架径向振动均符合标准要求。

图6 上导处理后的状态

3.2 处理后的效果

机组临时检修及动平衡试验完毕，对多种负荷工况和部位的振动及摆度值进行检查测量，测量数据见表2。

表2 长甸电站4号机组不同负荷工况下振动和摆度测量记录

数据表明，检修及动平衡试验取得了较好的效果，机组在上述负荷下，上机架径向振动及上导摆度均符合规范标准的要求。

通过2016年8月至2017年12月，1年多时间的观察，这期间机组经历了全负荷和汛期大发电的考验，机组各部振动、摆度、瓦温正常，在各工况下能够长期稳定运行，说明4号机组上机架振动和上导摆度超标问题处理是成功的。

4 结语

针对长甸电站4号机组存在的上导摆度、上机架径向振动超标问题，通过原因查找、分析以及提出的问题处理方案，是在机组设计制造、安装和运行维护等方面累积经验的过程。同时通过同类型的水轮发电机组类似问题的处理、探讨和交流，对于设备制造厂优化产品设计和提高电厂技术人员处理问题的能力，提供了借鉴经验。