1、第 39 卷第 4 期电站系统工程Vol.39 No.42023 年 7 月PowerSystemEngineering67文章编号：1005-006X(2023)04-0067-04某水电厂 1 号水轮发电机组振动分析与处理刘俊王楠卢双龙王海明彭天波（国网湖北省电力有限公司电力科学研究院）摘要：水轮发电机组的振动问题是影响机组安全稳定运行的重要因素，而现场对振动数据进行分析，并找到故障原因给出解决方案一直是发电机组的一重大难点。某水电厂 1 号机组在首次启动过程中就出现了上下导摆度偏大的问题，以此机组为例对此类振动问题进行分析，并对动平衡加重的方法进行详细分析。关键词：水轮发电机组；振动；动
2、平衡中图分类号：TK730.7文献标识码：BVibrationAnalysis and Treatment of No.1 Hydro-generator Set in a Hydropower PlantLIU Jun,WANG Nan,LU Shuang-long,et al.(Electric Power Research Institute,State Grid Hubei Electric Power Co.,Ltd.,)Abstract：The vibration problem of hydro-generating units is an important factor af
3、fecting the safe and stable operationof the unit,and it has always been a major difficulty for generating units to analyze the vibration data on site and find thecause of the failure to give a solution.During the first start-up of Unit 1 of a hydro-power plant,there was a problem thatthe upper and l
4、ower guides were too large.Take this unit as an example to analyze such vibration problems,and analyzethe method of increasing dynamic balance.Keywords:hydro-generator set;vibration;dynamic balance水轮发电机组的摆度与振动问题是水电站安全运行中的重大问题，是指导新发电机组安装与运行的最直接指标，在新机组首次启动中有最重要的地位。摆度与振动过大问题最常用的手段是通过动平衡的方法来解决1，而如何正确利用动
5、平衡的方法来减小机组的振动成为了电厂安全稳定运行的重大问题。本文以湖北清江某水电厂 1 号水轮发电机为例，对水轮机动平衡的方法进行详细介绍。2021年12月4日，1号机组在首次启动过程中，定速初期上导摆度达 283m，下导摆度达 315m，已超过该机组上导和下导振动评价标准 225m 和300m；上机架水平振动幅值为 68m，振动幅值相对偏大。本文对该机组异常振动现象进行了详细数据分析，指出发电机转子存在质量不平衡是导致机组异常振动的主要原因，可以通过现场动平衡试验来解决这一问题。通过 3 次动平衡处理后，机组最终的上导和下导摆度降至 128m 和 132m，上机架水平振动也降至 56m，完全
6、满足该机组的振动与摆度评价标准，并且留有很大的安全裕度。本文系统性地记载了该机组稳定性试验过程、分析结论及建议。1试验方法收稿日期：2022-01-17刘俊(1995-)，男，硕士研究生。湖北武汉，4300771.1水轮机和发电机参数表 1水轮机和发电机参数项目设计参数项目设计参数型号HLTF75-LJ-293型号SF29-30/6500额定水头/m48.5额定容量/MVA34.118最大水头/m62.21额定功率/MW29加权平均水头/m52.8额定电压/kV10.5最小水头/m39.45额定电流/A1876水轮机额定流量/m3s-167.3功率因数0.85水轮机额定功率/MW29.897相
7、数3水轮机额定转速/rmin-1200额定效率/%97.5水轮机飞逸转速/rmin-1395额定转速/rmin-1200水导轴承瓦/块4飞逸转速/rmin-1395转轮直径/m2.93额定频率/Hz50主轴直径/m0.65额定励磁电压/V142主轴重量/t1.174额定励磁电流/A11381.2试验仪器1.2.1试验仪器、误差等级及生产厂家本次试验过程中，试验仪器、误差等级及生产厂家见表 2。表 2试验仪器清单表测试量使用仪器误差等级数量生产厂家数据采集系统EN900 振动测试分析仪0.2 级1台 英华达公司振动低频振动传感器6套 英华达公司摆度3300/8mm/ProximityTransd
8、ucer线性误差0.038mmFS(FS=2.0mm)2套BentlyNavadaUSA键相信号光 电 传 感 器1只昕 亚 科 技 公 司1.2.2摆度测试系统本次试验过程中，某电站 1 号水轮发电机组摆度测试系统示意图如图 1 所示。1.2.3测点布置试验所用的测点包括键相测点，摆度测点和振68电站系统工程2023 年第 39 卷动测点。其中摆度测点：在机组上导 X、上导 Y、下导 X、下导 Y、水导 X、水导 Y 附近布置涡流探头，测量机组摆度，共计 6 个测点；振动测点：在上机架，下机架和顶盖的径向、垂直各布置 1 个测点，共计 6 个测点。键相测点：在上导轴承附近布置转速流探头，测量
9、机组转速，共计 1 个测点。其中键相测点最为重要，它是保证测量相位正确有效的基础，才能在动平衡中找准不平衡角度。图 1水轮发电机组振动与摆度测试系统示意图1.2.4评价标准在 GB/T 6075.5-2002在非旋转部件上测量和评价机器的机械振动第 5 部分：水力发电厂和泵站机组和 GB/T 11348.5-2008旋转机械转轴径向振动的测量和评定第 5 部分：水力发电厂和泵站机组标准要求对水轮发电机组的摆度与振动评价标准作出了详细规定。其中：摆度评价标准（峰峰值）机组摆度允许峰峰值为不大于相应间隙值的75%，即：上导摆度 0.225 mm，下导摆度 0.3 mm 和水导摆度0.225 mm。
10、振动评价标准（峰峰值）：上、下机架水平振动：0.09 mm，上、下机架垂直振动：0.07 mm，顶盖水平振动：0.07 mm 和顶盖垂直振动：0.09 mm。2试验数据分析2.1试验数据在首次启动过程中，在转速小于 100 r/min 之前，机组的振动缓慢增加，各导轴承摆度小于 200m，振动小于 30m，振动情况较好。但在转速大于 100r/min 之后，上导摆度和下导摆度随转速升高而进一步增大，并超出了振动标准值。表 3 给出了 1 号机组定速初期各导轴承振动与摆度。表 3原始振动与摆度数据（通频/工频：m/m）测点摆度测点振动上导下导水导上机架下机架顶盖X 向260/235280/264
11、91/62水平68/6527/1353/19Y 向283/249315/29892/59垂直32/1210/560/7从表 3 中数据可以看出：在定速初期，上导摆度达 283m，下导摆度达 315m，已经超过该机组上下导摆度评价标准 225m 和 300m，而水导摆度小于 92m，满足相应的标准要求；上机架、下机架和顶盖的振动分别为 68m、27m 和 53m，也满足相应振动标准要求，但上机架水平振动幅值比标准值仅低约 20m，有振动超标的风险。2.2振动故障诊断水轮机的振动问题一般是由三种原因造成1，分别为机械因素、水力因素和电气因素。机械因素主要是由于机组的轴线不对中，转子结构不对称转动或
12、静止部件安装误差松动，转轮、叶轮、发电机或励磁机转子中的残余不平衡；电气因素是指电机转子的不平衡磁拉力，定转子的间隙异常和线圈短路等；而水力因素只要是尾水管压力脉动、空蚀、自激振动等，机组在偏离设计工况运行的时候都会存在一个明显的水力共振区，一般在额定负荷的20%30%区间内最为明显，所以电厂运行人员需要通过监测机组升负荷过程中的振动情况来找到共振区，并使机组运行避开共振区3。大量工程实践表明，水轮发电机组质量不平衡故障属常见故障，尤其在新机组的安装调试阶段。这是因为水轮发电机转子体积大、重量也大，由很多零部件组成，在机组加工、组装过程中很难保证质量平衡4。所以新机组首次启动过程中发电机转子很
13、可能存在一定的质量不平衡。图 2上导和水导摆度频谱图当机组异常振动情况发生时，首先是进行现场排查，主要包括以下几个方面：一是检查发电机，主要包括定转子间隙、磁极线圈短路等方面，以排除磁拉力不平衡的问题；二是检查上机架、下机架及顶盖连接螺栓和水导油槽座螺栓等结构受力部件，以排除固定部件松动的问题；三是导瓦间隙和瓦温检查，以排除出现轴承瓦间隙变化的情况。现场人员对以上问题进行了排查并未发现异常情况5。当外观检查没有发现问题的时候，则考虑从振动本身来找到解决方案。当机组出现不正常振动，振动的频率是最直接的体现。一般振动都以工频为主，而当机组出现不同故障就会产生不同的振动频率，例如：摩擦振动是工频并掺
14、杂其他分量；电磁振动时以高频为主；油膜震荡则是以低频为主，转子不平衡的频率为工频。对振动进行频率分析能有效帮助我们去分析振动产生的原因，对振动原因能有一个初步的判断。键相传感器EN900水 轮机 振动 数据 采集 系统EN900水 轮机 振动 数据分析系统机组振动传感器涡流传感器第 4 期刘俊等：某水电厂 1 号水轮发电机组振动分析与处理69图 2 频谱分析表明，上导摆度以工频分量为主，其他频率分量较小，说明机组发生普通强迫振动，可以初步排除发电机上下导轴承失稳或轴瓦紧力不足及水力因素的影响。图 3上导 X 向和 Y 向摆度趋势图图3为上导X向与Y向摆度的相位与幅值随转速变化的趋势图。从图中可
15、以看出，上导轴承 X 向的相位 193正好比和 Y 向摆度基频相位 105大约90，这是典型的质量不平衡振动特征。由此说明，该机组发电机转子存在着质量不平衡问题。另外上导 X 向与 Y 向摆度的幅值与转速相关，当转速增加上导的幅值也随之增加，两者同时变化，且当转速稳定时上导的幅值也随着稳定，没有发散的现象，由此可以判断该机组摆度偏大的原因是由于存在原始质量不平衡导致的。结合水导的摆度存在于良好的情况而上下导的摆度偏大可以推出机组的不平衡位置存在于发电机轴承，于是对该机组发电机处进行了动平衡处理。2.3动平衡处理结果动平衡的计算并不是十分复杂，但在实际运用中不是简单的套用公式，需要综合考虑多方面
16、因素的影响。所以在实际操作中都需要进行试加重，根据加重前后机组振动数据的变化来确定加重方案，可见试加重的选择对动平衡计算是极其重要的。试加重主要包括试加重角度和重量两个方面6。试加重的角度选择比重量的选择更为重要，有文献研究表明7在加重相位一样的情况下，试重的大小对动平衡最终的效果影响较小，而试加重的相位的影响巨大。当试加重相位选择与不平衡相位更接近时最终动平衡的精度也更高。一旦选择出现很大偏差，会使机组出现振动恶化甚至停机的风险。所以试加重的角度选择尽量准确，从而保证试加重后的机组振动减少很多，从而有利于进一步确定加重方案。另外因为是在现场进行加重，一旦角度选择偏差过大会使机组产生很恶劣的后果。试加重的角度可以由振动相位和机械滞后角来确定7，具体的方法为：首先根据机组实际情况画出旋转方向，并标出键相器和传感器的位置；然后以传感器的位置为起点，逆转动方向标出振动相位 A，找到振动高点 A；再以振动高点为起点，顺转机械滞后角，找到不平衡角度 B；而不平衡角度的对面为试加重角度 C；最后找出加重位置和键相器之间的角度差。至于滞后角的选择与平衡转速距离临界转速的远近程度和支撑特性有关，水轮机