（水利工程专业论文）石泉水电厂2号机组运行稳定性问题的试验研究.pdf

摘要 石泉水电厂2 号机组运行稳定性问题的试验研究 学科 水利工程 作者 井永强 导师 罗兴镝教授 李万绪高级工程师 答辩日期 签名 签名 签名 者吕矛场 蹶纭 a 摘要 目前水轮发电机组稳定性问题日益严重 相当一部分水电厂机组在某些运行区域存在 振动问题 它涉及到水力机组的制造 设计 安装 调试以及电厂运行等各个环节 石泉水电厂投运以来 一直存在一定的故障缺陷 经过多年的运行后机组存在着较为 严重的运行稳定性问题 如 水轮机顶盖垂直振动较大 导轴承摆度超标等 本文针对石 泉水电厂2 号机组展开试验研究 分析石泉电厂机组不稳定运行的原因 提出了相应的处 理措施 主要包括以下内容 1 详细研究了引起水轮发电机组运行不稳定的原因 分析了由于水力原因 机械 原因和电气原因引起机组振动的各种现象 2 对水轮发电机组的振动测试方法进行了分析 根据石泉电厂机组实际情况 确 定了机组稳定性试验的主要观测量 测试点的布置 传感器的选择以及机组振动信号的分 析方法 3 根据石泉电厂运行中存在的实际问题 对2 号机组分别进行了空载试验 变转 速试验 变励磁试验 变负荷试验和噪声测试 现场试验结果表明 励磁机的拆除 直接 影响到整个机组转动部分的重心分布 导致机组的动不平衡状况恶化 机组的振动 摆度 增加 机组大轴摆度随着机组转速的增大而增大 4 采取以下有效处理措施 针对机组推力轴承受力不均匀的情况 采用应变仪法 对推力轴承受力进行调整 通过配重 纠正机组的动不平衡问题 关键词 石泉水电厂运行稳定性试验研究振动 本研究得到国家自然科学基金项目 9 0 4 1 0 0 1 9 5 0 7 7 9 0 5 6 教育部高等学校博士学科点专项基金项 目 2 0 0 4 0 7 0 0 0 0 9 和陕西省教育厅专项科研计划项目 0 5 j k 2 6 4 的资助 西安理工大学工程项士学位论文 e x p e r i m e n t a ls t u d yo no p r a t i o ns t a b i l i t yo fu n i t2o fs h i q u a np o w e r p l a n t s u b j e c t h y d r a u l i ce n g i n e e r i n g a u t h o r j i n gy o n g q i a n g t u t o r l u o x i n g q i p r o f e s s o r l iw a n x us e n i o re n g i n e e r d a t e a b s t r a c t a tp r e s e n t t h eh y d r o p o w e r u n i ti n s t a b i l i t yi s s e v e r i t yi n c r e a s i n g l y q u i t em a n yo f h y d r o p o w e ru n i t sv i b r a t e di ns o m er e g i o n so fo p e r a t i o n t h ep r o b l e mr e l a t et oe v e r yt a c h eo f t h eh y d r o p o w e r u n i t s u c ha sm a n u f a c t u r e d e s i g n i n s t a l l a t i o n d e b u g g i n ga n dn m n i n g a f t e rt h es h i q u a np o w e rp l a n tw a sp u ti n t ou s e t h e r ew a ss o m eb u g a n ds o m es e r i o u s u n s t a b l ep r o b l e ma p p e a r e d s u c ha se x c e s s i v eh e a dc o v e rv e r t i c a lv i b r a t i o na n dg u i d eb e a r i n g t h r o wa n ds oo n p r o c e e d e df r o ma c m a lc o n d i t i o n so fu n i t2o fs h i q u a np o w e rp l a n tt h e e x p e r i m e n t a ls t u d yw a sd o n et oa n a l y s et h er e a s o no fu n s t e a d yo p e r a t i o ni nt h i sa r t i c l e t h e t r e a t m e n tm e a s l e sw a sp r o p o s e d t 1 1 ed e t a i l si n c l u d e ds e v e r a la s p e c t sa r ea sf o l l o w s 1 n l em a i nr e a s o n sr e s u l t e di nu n s t e a d yo p e r a t i o no ft h eh y d r o p o w e r u n i tw e r e a n a l y s e di nd e t a i l d i f f e r e n tv i b r a t i o np h e n o m e n ac a u s e db yh y d r a u l i cf a c t o r m e c h a n i c a lf a c t o r a n de l e c t r i cf a c t o rw a sr e s e a r c h e d 2 t h i sp a p e re x p o u n d st e s t i n gm e t h o d sa b o u tv i b r a t i o no fh y d r o p o w e ru n i t a c c o r d i n g t ot h ea c t u a lc o n d i t i o no fs h i q u a np o w e rp l a n t t h el a y o u to ft h et e s tp o i n t t h ec h o i c eo ft h e s e n s o r sa n dt h ea n a l y s i sm e t h o do fv i b r a t i o ns i g n a lw e r ed e c i d e di ni n s t a b i l i t yt e s t 3 t h en o l o a dt e s tv a r i a b l es p e e dt e s t v a r i a b l ee x c i t a t i o nt e s ta n dv a r i a b l el o a dt e s ta n d n o i s e st e s tw e r ec o n d u c t e da i m i n ga tu n i t2o fs b i q u a np o w e rp l a n t a c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t d e m o l i t i o n so fe x c i t e ri n f e c td i r e c t l yt h eg r a v i t yc e n t e rl o c a t i o no ft h ew h o l er o t a t i o np a r t a sa r e s u l t t h ed y n a m i cu n b a l a n c eo ft h eu n i tw a sw o r s e n e d t h u st ol e a dt om o r es e r i o u sv i b r a t i o n a n dt h r o w t h em a i ns h a f tt h r o wb e c o m em o r es e r i o u sw i t hh i g h e rr o t a t es p e e d 4 i nv i e wo ft h ep r o b l e mo fs h i q u a np o w e rp l a n t t w oe f f e c t i v em e a s u r e m e n t sw e r e p r o p o s e da sf o l l o w s n el o a do ft h et h r u s tb e a r i n gi sr e a d j u s t e dt od i s m i s st h eu n e v e n l o a d i n gb yu s i n gs t r a i n m e t e rm e t h o d i no r d e rt oc o r r e c tt h ed y n a m i cu n b a l a n c eo ft h eu n i t t h el o a do ft h er o t a t i o np a r th a sb e e na d j u s t e d k e yw o r d s s h i q u a np o w e rp l a n t o p r a t i o ns t a b i l i t y e x p e r i m e n t a ls t u d y v i b r a t i o n p r o j e c ts u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a 9 0 4 1 0 0 1 9 5 0 7 7 9 0 5 6 s p e c i a l i z e dr e s e a r c hf u n df o rt h ed o c t o r a lp r o g r a mo fh i g h e re d u c a t i o n 2 0 0 4 0 7 0 0 0 0 9 a n d s p e c i a l i z e dr e s e a r c hp l a ni nt h ee d u c a t i o nd e p a r t m e n to fs h a n x ip r o v i n e eo fc h i n a 0 5 i x 2 6 4 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明 本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果 尽我所知 除特别加以标注和致谢的地 方外 论文中不包含其他人的研究成果 与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢 本论文及其相关资料若有不实之处 由本人承担一切相关责任 论文作者签名 学位论文使用授权声明 d 7 年胆月 c 日 本人宣奎亚 丝在导师的指导下创作完成毕业论文 本人已通过论文的答辩 并 已经在西安理工大学申请博 k 硕士学位 本人作为学位论文著作权拥有者 同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权 即 1 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文 学校可以采用影印 缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文 可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索 2 为教学和 科研目的 学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图二体馆 资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读 浏览 本人学位论文全部或部分内容的公布 包括刊登 授权西安理工大学研究生部办 理 保密的学位论文在解密后 适用本授权说明 螂 名 缢i 司坩坪日 第一章绪论 l 绪论 1 1 研究背景与意义 随着我国水电开发的不断深入 一大批大型甚至巨型水电站相继投入运行 机组单机 容量越来越大 伴随着的是机组稳定性日益严重 相当一部分水电厂存在着机组振动的问 题 水轮发电机组是全厂的核心设备 它能否长期可靠地安全稳定运行 直接关系到全厂 的安全生产和经济效益 机组的振动一方面限制了其运行区域 降低了机组的调节能力 可能引起机组功率的 摆动 另一方面严重影响机组的运行 降低了机组和零部件的使用寿命 严重时还可能引 起厂房甚至大坝基础的剧烈振动 对水电厂的经济和安全运行构成了威胁 近年来 国内 外大型机组不断出现振动问题 如国外的大古力 塔贝拉和古里电站 国内的岩滩 五强 溪 小浪底等电站均出现了不同程度的稳定性问题 水轮发电机组的稳定运行是制造 设 计以及电厂运行等部分需要研究和解决的关键问题 1 1 1 石泉水电厂基本情况介绍 石泉水电厂位于汉江上游陕西省石泉县城上游1k m 的峡谷出口 属坝后式水电厂 电厂主要由拦水大坝 有压引水系统 发电厂房组成 电厂总装机容量1 3 5 m w 1 9 7 5 年 3 台机组全部并网发电 为了利用汛期弃水多发电 近年又进行了扩机改造 扩机工程安 装两台发电机组 单机容量4 5 m w 于2 0 0 0 年先后并网发电 扩机后石泉水电厂总装机 容量2 2 5 m w 年发电量约7 8 亿k w h 2 号机组主要参数 水轮机型号 h l l 2 3 l h 4 1 0 制造厂家 东方电机厂 最大水头 4 7 5 m 设计水头 3 9 m 最小水头 2 6 3 m 额定容量 4 6 4 m w 额定转速 1 0 7 r p m 活动导叶 2 4 个 发电机型号 t s 9 0 0 1 3 5 5 6 制造厂家 东方电机厂 额定容量 5 3 0 0 0 k v a 额定电压 1 0 5 k v l 西安理工大学工程硕士学位论文 1 1 2 研究石泉水电厂二号机组运行稳定性的意义 石泉水电厂2 号机组自1 9 7 4 年投运以来 一直存在一定的故障缺陷 机组经过3 0 年的运行后存在着较为严重的运行稳定性问题 水轮机顶盖垂直振动较大 导轴承摆度超 标 根据已有资料 推测引起机组不稳定运行的原因有 1 机组振动 摆度过大 2 机组推力头有松动 3 推力轴承受力不均 推力瓦磨损较快 4 机组轴线不直 5 尾水管低频涡带振动 长时间的不稳定运行对机组造成了极大的威胁 深入研究影响石泉水电厂水轮发电机 组安全稳定运行的因素 分析其发生的原因 对减轻或者避免类似现象的再次发生 具有 重要的参考价值 对石泉水电厂的稳定运行具有重大的意义 同时也可为其它电站处理类 似问题提供重要的技术依据 1 2 影响水轮发电机组稳定运行主要原因及研究现状 早期的水力机组由于容量较小 水轮机转轮直径相对较小 运行中出现的不稳定现象 尚不突出 随着科学技术的发展 水轮机比转速和单机容量越来越大 已超过7 0 0 m w 其结构也更加复杂 机组尺寸增大 导叶相对高度增高 相对刚度减弱 加上电站水头变 幅大 机组运行工况有时欠佳 从而使得机组运行中出现的不稳定现象越来越多 甚至波 及到电站的建筑物上面 由此引发的问题也日益突出 工程实践方面 我国已投产的装备大型混流式水轮机的电站 如岩滩 刘家峡 二滩 五强溪 隔河岩 小浪底 大朝山 鲁布革等水电站都出现了不同程度的水力机组振动和 稳定性问题 严重影响电站功率的发挥和经济效益 有的甚至导致水轮机叶片断裂 尾水 管管壁撕裂等事故 或是由于机组的强烈振动引起厂房等土木建筑物结构发生较强烈的振 动 危及整个电站的安全 稳定和高效运行 西南某大型电厂的1 机组由于导叶剪断销 破坏引起转轮周期性激振 导致转轮有两块叶片振落和其它叶片严重开裂而不得不更换新 转轮 造成直接经济损失达一千多万元 葛洲坝电厂某机组投产不久即出现明显的振动 发出刺耳的噪音 并导致厂房振颤 严重地危及运行人员的身心健康 红石水电站机组振 动诱发厂房振动 造成厂房立柱开裂 湖南省东江水电站由于大坝的固有频率低 水轮机 尾水管的压力脉动频率与大坝的三阶固有频率接近 因此水电机组的振动引起了大坝的振 动 对大坝进行全面检查时发现 坝体上 下游坝面多处有明显可见的裂缝 国外的大古 力 古里水电站都出现了部分负荷下机组和水工建筑物的强振现象 巴基斯坦的塔贝拉电 2 第一章绪论 站 美国的库拉瀑布水电站等也发现有剧烈的振动与噪声 对水力机组出现的振动和稳定性问题 国内外专家学者进行了大量的工作 但是 由 于问题的复杂性 目前 国内外尚无完善的水力机组振动和稳定性的预测方法和评价标准 1 2 1 水轮发电机组运行不稳定的表现形式 水轮发电机组的运行稳定性问题是一个总体概念 可归结为两个方面 一是稳定性的 判据 另一是稳定性的追踪 这两个问题不仅涉及非线性系统动力学领域 而且与水轮机 内部水动力学特性密切相关 水轮发电机组在运行中出现的不稳定现象 是多种因素互相耦合 互相激励的结果 水轮发电机组在运行中出现的不稳定性常反映在以下几个方面 工作水头和出力的波动 水压力脉动 水流周期性冲击 机组支撑部分的振动 机组转子振摆 调速系统的振荡 机组内部不正常的音响 噪音 异常声音 等 1 1 水轮发电机组工作环境的复杂性和机组不稳定运行诱发因素的多样性 导致各电站机 组不稳定运行的表现形式各不相同 根据对国内外多个电站的运行稳定性调查 水电站水轮机不稳定运行可以归纳为以下 几种表现形式 a 部分负荷区尾水管压力脉动 万家寨水电站n 1 的5 机在高水头区运行时 在较宽的负荷范围内 尾水管的压力脉 动均比较大 负荷小于5 0 m w 时尾水管压力脉动双幅值最大为1 3 2 2 m 2 机在负荷小于5 5 m 1 y 时尾水管压力脉动双幅值最大达6 0 6 m 均大大超出合同规定值 岩滩水电站n 模型水轮机尾水管压力脉动最大幅值为1 0 4 8 但真机在高水头 低负荷区 导叶开度a o 4 0 一 4 5 工况 尾水管压力脉动幅值超过2 0 最大时达3 6 9 4 4 9 频率为o 2 6 3 2 6 h z 丰满水电厂1 2 台机组由于经常处于低负荷工况运行 在尾水管产生低频空腔涡带 在长期的空腔涡带的作用下 有6 台机组发生尾水管里衬脱落的事故 b 叶片裂纹 国内的例子有岩滩 李家峡 小浪底 五强溪 二滩等大型水电站 国外的例子有埃 及的阿斯旺高坝 美国的大古力7 0 0 m w 机组 俄罗斯的布拉茨克等 在投运后水轮机转轮 都不同程度地出现了裂纹 转轮裂纹严重影响电站的安全运行和经济效益 引起人们的极 大关注 各水电站及研究机构都在积极探索裂纹产生的原因 寻求根本的解决方法 大朝山 1l 水轮机转轮在7 2 小时满负荷试运行后检查发现 叶片出水边靠近下环处 有裂纹1 6 条 叶片出水边靠近上冠处出现裂纹9 条 叶片出水边中部裂纹5 条 通过分 西安理工大学工程硕士学位论文 析认为产生叶片裂纹的原因是卡门涡列与叶片发生共振所造成的 五强溪水电站2 0 0 0 年1 1 月对l 机组进行大修时发现 有7 块叶片出现贯穿性裂纹 裂纹主要发生在叶片出水边与上冠连接处的热影响区 起始点位于叶片背面圆角处 裂纹 表面光滑 具有明显的贝壳线 属典型的疲劳裂纹 疲劳裂纹的延伸率较低 无明显脆断 痕迹 1 9 9 7 年7 月 刘家峡电厂璐12 机组水轮机转轮上冠引水板不均匀开焊 进行全面渗 透探伤检验 发现在叶片与下环的连接焊缝 叶片与上冠的连接焊缝等1 3 处有不同程度 的裂纹产生 对其初步的探讨分析认为 除了焊缝存在的内应力 铸造缺陷和焊缝缺陷的 影响外 还与机组存在尾水管涡带和叶片自激振动有关 根据实际调查情况 裂纹多发生在以下区域 1 出水边与上冠的连接区域 2 出水边与下环的连接区域 3 对于分瓣加工的转轮的分瓣面处 此外 个别机组的叶片裂纹发生在低应力部位 实测结果表明 叶片裂纹的起始位置最容易出现在四个部位 即叶片进水边与上冠连 接处附近 叶片进水边和下环连接处附近 叶片出水边和上冠连接处附近 叶片出水边和 下环连接处 c 机组及厂房结构振动和噪音 小浪底电站机组投运初期 机组过程中大轴有明显抖动现象 并伴随着异常噪声 以 后将导叶开启速率由6 0 秒 0 1 0 0 行程 缩短至1 5 秒 起动开度增大到3 0 情况有 所好转 异常噪声消失 但抖动现象依然存在 机组带负荷到某一定值后 相应流量约 2 2 0 2 3 0 m 3 s 各部件的振动和水轮机室内的噪声突然增大 其优势频率约2 1 0 h z 机组 停机过程中也存在不正常现象 当导叶全关 机组转速减到6 0 2 0 过程中 水轮机发出 大约每转一次的规律性异常噪声 在3 机的测试中 发现伴随噪声的出现 叶片上有很 高的交变应力 岩滩水电站 机组运行水头在6 2 m 以上 导叶开度6 8 7 2 的大负荷区 厂房v 1 7 4 m 发电机层楼板出现强振 在机组和厂房处都有明显感觉 曾引起布置在该层的保护误动 导致机组事故停机 危及电厂的安全运行 d 机组部件的损坏或脱落 水轮发电机组部分工况运行时 由于各种原因始机组存在不稳定运行区域 长期在不 稳定区域运行将会导致机组部件的损坏或者脱落 国内部分电站就发生过止漏环损坏 尾 水管进人门损坏 尾水管锥管段裂缝 补气装置以及泄水锥脱落破坏等破坏现象 4 第一章绪论 e 过流部件的磨蚀破坏 在我国已投产的电站中 相当一部分电站 1 由于空蚀磨损破坏 导致机组效率下降 出力减小 振动加剧 不仅威胁水电站的安全运行 而且严重威胁电网的安全运行 从以上资料来看 水轮机的运行稳定性问题比较复杂 在各个电站的表现形式也多种 多样 根据对多个电站的调查结果 对于同样的不稳定现象 例如振动 噪音 叶片裂纹 其产生的机理对于不同的电站也各不相同 1 2 2 水轮发电机组运行稳定性的影响因素 影响水轮发电机组运行稳定性的因素很多 包括水轮机的参数选择 各通流部件的匹 配关系 转轮出口涡带 叶片正背面脱流 叶道涡 特殊压力脉动 空化 自激振动 机 械缺陷 电机缺陷等等 而这些影响因素在具体的各个电站引起的后果也不尽相同 t 2 1 4 a 参数选择 混流式水轮机的运行稳定性与运行工况 n l l q l l 或水头h 出力p 制造质量密 切相关 也和电站设计和水轮机参数选择的正确与否 例如吸出高度h s 尾水管高度 机组尺寸 比转速等密切相关 按一般概念 选型正确的水轮机 如果吸出高度的余量适 当大些 尾水管高度适当高些 转轮尺寸较小些 比速系数较低些 对运行稳定性比较有 利 根据对国内外电站的运行情况分析 对于设计正确 制造质量好的水轮机 对安全稳 定运行起主导作用的因素是运行工况 对水头变幅过大 运行负荷调节范围不加安全限制 制造质量不良的水轮机 振动 裂纹问题肯定较多 运行寿命也会缩短 b 尾水管压力脉动 机组在偏离最优工况运行时 由于水轮机转轮出口处的旋转水流以及脱流旋涡和气蚀 等的影响 在尾水管内常引起压力的波动 尤其当水轮机处于低水头与低负荷工况运行时 由于流量减小 单位转速增加 致使转轮出口产生正向旋转的水流速度环量 在尾水管中 心一带形成强制旋涡即尾水管涡带 这样就在尾水管内形成了周期性的低频压力脉动 脉 动频率 般为转频的几分之一 当脉动频率与机组自振频率或厂房自振频率接近时 就会 产生共振 引起机组或厂房的剧烈振动 尾水管涡带作用在管壁上的动水荷载相当复杂 在特定的条件下会引起管壁的强烈振 动 轻则影响水轮发电机组的正常运行 重则导致管道的破坏 尾水管的钢板里衬与一般 输送流体的管道不同 尽管它的外部有可视为固定约束的支撑一混凝土外壳 在水流脉动 荷载的作用下 其运动和变形受到一定的限制 但仍会造成钢板里衬的破坏 例如丰满水 电站3 水轮机尾水管钢板里衬造成撕裂性破坏 另一方面 由于它的特殊形状 给从理 5 西安理工大学工程硕士学位论文 论上研究诱发振动的机理带来了困难 另外 当出现尾水管涡带后 水流就从不可压缩变 为可压缩 给流体计算带来了许多麻烦 我国岩滩电站 五强溪电站 二滩电站 天生桥一级电站 鲁布格电站等所有大型电 站都出现不同的振动问题 而且基本上是尾水管涡带低频压力脉动造成的的振动问题 如 岩滩电站 五强溪电站转轮叶片被振裂 刘家峡电站 青铜峡电站机组的振动区严重妨碍 了机组调节负荷的能力 加拿大电力协会对世界范围的3 1 家与单机容量在2 0 m w 以上的混流式水轮机有关的制 造商和运行单位 就水轮机组在全部运行范围内 与尾水涡带和压力脉动有关的振动现象 机组出力摆动现象以及尾水管压力脉动周期性特征等问题进行了调查 调查的主要成果表 明 1 尾水涡带是大型水电机组普遍具有的周期性流动现象 它对大型机组所引起的 问题是多方面和严重的 主要表现在出力的摆动和压力脉动幅值加大 尾水管发出巨响等 不稳定现象 使机组运行严重不稳定 并引起机组叶片裂纹 2 尾水涡带所引起的问题不属于因操作不当而引起的问题 而是大型机组在偏离 最优工况运行时 特别是在部分负荷下所固有的特性 3 尾水涡带表现出周期运动的特征 其周期性与机组的转频之间存在内在联系 具有代表性的尾水涡带的频率大致为机组频率的1 3 6 4 因尾水涡带所引起的最严重的不稳定现象 一般在水轮机导叶开度的6 0 的部 分负荷范围 5 弯曲尾水管比圆桶形尾水管受尾水涡带的影响要大 对于尾水管涡带的发生 由于理论解析和模型试验的困难 难以准确的预测和解决 并且由于负荷的变化或其他运行条件的变化 振动特性也会产生变化 当现场发现此种问 题时 一般采用加装补气管向低压区域补气 包括自然补气和压缩机强迫补气 一般情况 下补气是有效果的 当补气不能够解决问题时还可以对尾水管改进设计 加长尾水管锥管 或加大锥管段扩散角 加长转轮泄水锥 用三角架加长转轮的泄水锥 加同轴锥管 加十 字架补气 用三角架加设固定柱体 在尾水管锥管壁上设稳流翼片 5 卜n c 卡门涡 当流体流过一圆柱体或翼型 包括一般不良绕流体 时 雷诺数大于4 0 时 在物体 尾部会产生一系列规则的 交叉排列的 方向不同的漩涡列 这些交替的从物体尾部脱流 出来的涡称为卡门涡 在水轮机行中 导叶和转轮叶片在具有钝尾时 就会出现卡门涡 当卡门涡的频率与某些过流部件的固有频率接近时 会引起过流部件的共振 此外 卡门 涡会产生作用在叶片尾部的交变力 致使叶片与上冠 下环 或固定导叶与座环上下环之 6 第一章绪论 间 之间的联接焊缝产生疲劳裂纹 卡门涡的产生与否 与水流中物体的形状有关 其频率受水流流速的影响 当流速达 到某一值 共振条件成立时 就会产生强烈的振动 对机组的稳定运行造成极大的威胁 卡门涡直接施加给绕流体上的力并不大 只有当激发起绕流物体共振时才会被发现 如早期的黄坛口 洪门电站的转轮叶片裂纹就是卡门涡引起的 大朝山电站转轮叶片出口 的卡门涡带与叶片某些阶次的固有频率发生耦合造成共振 引起巨大的动应力 使叶片在 短时间内严重破坏 d 叶片正背面脱流和叶道涡 水轮机在最优工况固定导叶 活动导叶和转轮达到无撞击匹配 由于调节功率 在偏 离最优工况时 活动导叶和转轮进口冲角发生变化 当冲角超过一定值时 根据水流特点 自然会产生脱流 但是如果设计合理可以延迟脱流产生 根据试验结果 叶片背面脱流出 现在高水头 小负荷区域 正面脱流出现在低水头 大负荷区域 例如古里i 电站7 1 0 水轮机是正面脱流造成的振动原因 背面脱流一般情况都出现在运行区域之外 背面 脱流如果选型好 不会出现在运行区域 所以应重点关注背面脱流 例如背面脱流是岩滩 电站振动的主要原因之一 由于叶道涡增加了转轮流动内部的动载荷 容易造成叶片裂纹 从同一导叶高度的试 验结果看 叶道涡出现的部位都不同 说明与设计参数有关 但机理不清 如巴基斯坦塔 贝拉1 1 一1 6 水轮机叶道涡 是引起机组振动的原因之一 叶片应力分布不均匀是造成 裂纹的主要原因 常规叶片最大应力出现在叶片出水边与上冠相交处 如果改变设计理念 可以使叶片应力分布均匀 e 自激振动 多数是由于转轮迷宫环泄漏或项盖上的减压板装置所引起 与机组的其它缺陷密切相 关 此时的自振频率等于振动体的固有频率 此问题与泄漏流动有关 例如丰满电站2 6 机和渔子溪等电站出现过此类自激振动 f 制造质量 制造质量指的是设计 水力设计 结构型式 刚强度 毛胚件 铸件 模压件 制 造工艺 焊接 机加工 的全面质量 由于部件制造质量不良 可能使机组运行振动摆度大 噪声异常超标 叶片出现裂纹 有的甚至会出现刚投运不久就不得不停机检修处理的现象 g 电机缺陷 按照振动频率 水轮发电机组的电磁振动可分为两类 一类是转频振动 它是由转子 不圆 转子几何中心与旋转中心不一致 转子有匝间短路 转子动静不平衡等原因产生的 7 西安理工大学工程硕士学位论文 另一类是极频振动 主要是l o o h z 的振动 它是由定子不圆 机座合缝不好 硅钢片压合 不紧 负序电流引起的反转磁势等原因产生的 1 电磁拉力不平衡 发电机转子磁极形状的变异或项转子不同心等 会使磁场引力不均匀 引起振动 机 组空转不投入励磁时没有这种现象 可以通过空转和空载试验测试出是否存在电磁拉力不 平衡和力不平衡的方位 2 定子铁芯松动 对于大型机组一般定子采用分瓣结构 现场拼装 合缝处出现间隙 或者机组运行多 年后定子铁芯的绝缘老化收缩也引起松动 引起机组振动 贵州乌江渡电厂1 号机组在空 载升压过程中 定子铁芯发生强烈共振和噪声 并网后带负荷振动消失 分析发现由于铁 芯由四瓣组成 由于其它原因定子绝缘纸垫软化干缩 使得定子组合缝间隙加大 在大修 时采用新工艺缝合 试验结果表明定子铁芯振动大大降低n 3 枷 3 定子绕组固定结构损坏 定子绕组槽部和端部固定结构松动常导致绕组振动 支架刚度不够 绕组中电流变化 产生漏磁通引起发热使绑线烧断 槽楔紧度不足 线棒与槽壁间间隙过大 振动引起主绝 缘故障 h 机械原因 水轮发电机组的转动部件和支持部件的结构都是轴对称的 以保证机组转动时的稳定 性 当机组转动部件和支持部件由于某种原因存在缺陷 都会影响到转动部件的平衡状况 引起机组转动部件上存在有转速频率的不对称径向力作用而产生振动 主要包括以下几方 面渊一m 1 主轴弯曲 2 推力轴承调整不当 3 导轴承间隙调整不当 4 推力轴承镜板波浪度 5 连接法兰固定不良 6 轴系不对中 7 转动系统存在动 静不平衡 8 轴承系统刚度不够 9 转动部分与固定部分接触碰撞 水轮发电机组由于机械原因引起的机械振动主要有以下特点 1 转子的弓状回旋和振动 8 第一章绪论 当转动部分质量不平衡时 由于离心力作用 使转动部分产生 弓状回旋 如图 1 1 中所示 当转速很小时 挠度y 也很小 随着转速升高 y 也增大 当转速与转动部 分临界转速相近时 挠度剧烈增加 形成共振现象 而转速超过临界转速很多时 挠度值 明显减小 为了避免出现危险的共振现象 一般大 中型机组转动部分的临界转速设计值 都大于该机组1 2 0 的飞逸转速值 某些高速小型机组 其额定转速本身就比较高 可能 超过转动部件的临界转速 这些机组在开停机操作时 应尽快升速 减速 避开机组在共 振区停留时间长 i 图1 1 转子弓状回旋 f i g 1 1r o t o ra r c u a t eg y r a t i o n 2 机组转子的振摆 转子的振摆表现为大轴摆度增大 轴向支承垂直 振动增大 转子振摆的主要原因是 转子的总轴向力 转动部分重力和轴向水推力 的重心没有通过推力轴承的中心 使推力 轴承支柱因受力不均产生不均衡的轴向变形 在转子旋转时 总轴向力也跟着旋转 各轴 承支柱压缩变形跟着变化 镜板摩擦面产生晃动 承重机架垂直振动增大 大轴摆度增大 振摆的频率与机组转频相同 在盘车时大轴中心找不正确 轴线有折弯时 导轴承中心与 机组不同心 当机组工况偏离最优工况产生脉动水推力时 转子振摆更为严重 3 转子抖动 在机组运行中 因轴承间隙过大或过小而润滑不足时 会发生干摩擦而使大轴产生抖 动现象 4 转轴振动与支座振动的关系 当机组轴系和支承系统的刚度不够时 轴瓦变形过大时也会产生振动 在转动轴承上 存在旋转横向力和脉动轴向力 将引起轴承在相应方向的振动 并把这些力传递到基础建 筑物上 使基础建筑物受到交变力或脉动力的影响 转轮止漏环部分引起的振动就属于机械原因 图1 2 是混流式水轮机密封装置 机组主轴在安装时可能出现转轮与转轮室不在同一 o 西安理工大学工程硕士学位论文 轴线上 或者迷宫止漏的零部件加工安装不精确 都会使运行中出现迷宫间隙不均匀 另 外轴承间隙不当 机组刚度差 都可能产生上 下迷宫疏齿间隙偏斜 水轮机迷宫止漏环 径向间隙的不均匀将产生测向力 引起机组转动部分的振动 这种振动的频率如果与机组 或轴系零部件固有频率重合时 就会产生共振而激发出超过正常侧向力3 5 倍的水动力 这种由旋转着的不对称的密封间隙中的水动力所激发的能量 可能引起轴的弓状回旋 也 可能导致整个机组的剧烈振动失稳 甚至被迫停机 图卜2 混流式水轮机密封装置 f i g 1 2s e a ld e v i c eo ff r a n c i sh y d r o t u r b i n e a 导叶后 b 一外迷宫 c 一下压力腔 d 一下梳齿 盐锅峡水电站机组发生水导 上导摆度增大和水导轴承烧瓦事故 由于轴承结构的刚 度和加工安装精度不够 机械变形大 瓦块偏心值偏小 轴承镜板不平度过大 晌洪甸水电厂机组振动 并且润滑油变黑 镜板连接螺钉松动 断裂等现象 检修发 现垫板严重腐蚀 镜板与推力头结合面不平 最后决定取消还氧玻璃布垫板 消除镜板波 浪度 利用轴承座下的绝缘垫防止轴电流烧瓦 石泉水电厂l 号机组从1 9 7 2 年投产以来一直存在故障呦 棚 振动较大 经稳定性试 验分析发现机组推力轴承的推力头松动 推力头与主轴间有0 0 8 m m 的间隙 运行中机组 摆动不稳定 1 3 水轮发电机组振动和稳定性问题的研究现状 目前 对水轮发电机组振动和稳定性问题的研究主要集中在模型试验 理论分析 数 值计算 电站真机试验等四个方面进行 在模型实验方面 国内外许多学者对不同比转速的模型水轮机转轮 不同尾水管形状 下的水压力脉动进行了测量 同时还利用先进的光导纤维窥镜观察了水轮机出口及尾水管 中空泡状螺旋涡带的发生 发展情况 还有学者利用导叶代替转轮给水流施加旋转 对尾 水管内部流动 螺旋涡带引起的水压脉动进行了研究 理论方面 在总结模型试验成果的基础上 对尾水管螺旋涡带引起的压力脉动提出了 不同的理论解析模型 其中有的模型与试验结果相差较大 有的缺乏实际应用价值 很难 推广应用到实际机组的振动预测中 因此 水轮机特别是尾水管水压脉动的发生机理还有 o 第一章绪论 待研究 这方面的理论研究还比较缺乏也不够深入 中国水科院伽 于2 0 世纪8 0 年代编译的 对国外一些主要 国家2 0 世纪7 0 年代关于尾水管涡带运动 转轮迷宫环止漏装置压力脉动 卡门涡以及叶 片进口边脱流等水力因素引起的水轮机振动 噪声及其防治措施的研究成果进行了介绍 这些研究表明 水轮机引水部件和转轮流道中的旋涡运动以及尾水管中的空腔涡带的周期 性运动所产生的压力脉动是水力振动的最主要原因 王珂嵛n 教授编写的 水力机组振动 一书介绍了国内2 0 世纪8 0 年代前建设的电 站的一些具有代表性的振动现象及其改善措施 如黄坛口电站的卡门涡列所形成的叶片共 振 如绿水河 渔子溪高水头电站水轮机的迷宫自激振动 刘家峡电站尾水管内涡带振动 古田溪电站过渡过程振动等等 同时也介绍了国外一些电站的典型振动 并对这些振动特 性进行了理论的分析和总结 近十年来随着我国一些大型水电站的投产 并相继都出现了不同程度的机组振动问 题 水力机组振动和稳定性问题逐步引起了国内外水力机械生产厂家 电站业主和水力机 械研究人员的重视 2 0 世纪9 0 年代之后 国内外对水轮机振动和稳定性问题的研究主要集中在机组的水 力稳定性研究和消除振动措施研究方面 李启章 2 1 对三峡机组振动稳定性问题提出预防措施 吴培豪阳1 分析了三峡机组稳定 性问题 张大本和李吉川嘲1 研究了混流式水轮机尾水管涡带引起的水力振动问题 韦彩 新 3 钉等人对水轮机转轮不同泄水锥的特性进行了研究 于纪幸汹1 等和陈锐等分别对转轮 出口水压脉动进行了试验研究 吴钢等d 7 1 对尾水管进口流场与水压力脉动的关系进行了 探讨 石祥钟等瑚1 用近似的方法分析了混流水轮机尾水管压力脉动 j a c o b 和p r e n a t d 9 1 通过对不同运行工况下尾水管内部涡带形态的观察和压力脉动测 量 总结水轮机运行工况与尾水管压力脉动的关系 他们将水轮机的运行工况分为5 种典 型的类型 极小流量区 部分负荷区 较高部分负荷区 最优工况区和满负荷区 其中部 分负荷区的压力脉动幅值最大 与此类似 我国部分专家也将尾水管涡带形状与压力脉动 特征联系起来 并在转轮的综合运行特性曲线上表示出来 这对电站的稳定运行是极有价 值的 w a n gxm 和n i s h i 等人m 1 通过涡运动理论采用两维面涡或三维涡丝模型模拟尾水 管内部分负荷时的涡带运动 这种方法的运用在一定程度上受到 普适性 的挑战 因为 涡带的形状和特点随工况 几何参数的不同而不同 不同情况下面涡和涡丝的数学模型的 建立一方面需要大量实测数据 另一方面难以采用统一的数学描述 同时 涡带的形成和 流道内速度场之间应该存在密切联系 独立建立涡带的数学模型可能存在一定的局限性 由于水力机组内部流动的复杂性 到目前为止 对于水力机组发生振动的主要原因 西安理工大学工程硕士学位论文 国内外尚无完善的理论解释 特别是不同工况下 对引起机组发生振动的主要激振力的研 究 尚无定论 由于缺乏相应的理论基础 对与水力机组的振动和稳定性问题 国内外尚 无完善的预测方法和评价标准 因此 水力发电机组的振动和水力稳定性预测问题已成为 目前的前沿课题 1 4 本文主要研究目的及内容 本文对石泉水电厂2 号机组运行以来出现的各种问题进行分析 对机组进行稳定性试 验 针对运行情况和试验结果提出相应的整改措施 本文包括以下几方面的内容 1 对水轮发电机组的振动测试方法进行分析 针对石泉水电厂2 号机组的振动情 况 研究测试点的布置 传感器的选择 以及机组振动信号的分析方法 制定科学合理的 试验方案 2 根据石泉电厂的实际问题 对2 号机组进行包括空载试验 变转速试验 变励 磁试验 变负荷试验和噪声测试等在内的现场稳定性试验 分析引起机组振动的主要原因 3 根据稳定性试验结果 针对石泉水电厂2 号机组存在的问题提出了建议的处理 措施 通过现场测试验证处理措施的实际效果 1 2 第二章水轮发电机组振动测试与分析方法 2 水轮发电机组振动测试与分析方法 水轮发电机组在运行中存在着不同程度的振动 要评价振动的大小和原因 除评借观 察和感受外 主要靠专门的仪器进行测试和分析 从而获得振源和动力反应特性 m 捌 2 1 水轮发电机组振动源的测试 机组在运行中 由于外荷载的激扰 将产生轴系统振动 支承部位振动或部件振动 其外荷载是由机械 电气和水力等因素引起的 可以通过转速变化 励磁电流变化 负荷 变化等有针对性地识别振源 2 1 1 变转速测试 转速变化测试在机组不带负荷和不给励磁电流的情况下进行 只改变机组转速 一般 情况下 令机组转速在 5 0 1 0 0 额定转速的范围内变化 测试导轴承 机架的振 幅a 和频率厂随转速 z 值的变化关系 绘制双倍振幅彳可m 和频率俐的关系曲线 根 据测试结果 1 如果振幅一直很大 幅值和转速的关系不密切 振动频率与转速是一致的或与 转速成以倍数关系 其振源是由机械因素引起的 如 大轴不直 转动部件和固定部件之 间的偏磨 推力轴瓦调整不当等 2 若振幅和转速成正比 且频率 厂 n 6 0 h z 则是由于转子重量动不平衡引起的 转子重量动不平衡所产生离心力 不仅使机组轴系统产生摆动 而且引起支撑结构的振动 2 1 2 励磁电流变化测试 机组不带负荷 在额定转速下运行 变化的转子磁极的励磁电流 绘制测试部位振幅 和励磁电流的关系曲线a 可阳 若振幅随励磁电流的增大而加大 则不均衡磁拉力是机组 振动的主要原因 此时可能是以下原因 1 定子内腔和转子外圆的间隙是否均匀 2 磁极线圈是否有匝问短路 3 磁极和磁轭间是否出现气隙等 2 1 3 变负荷试验及调相试验 在额定转速下改变机组负荷p 绘出测量部位振幅和机组负荷关系a 厂伊 和接力 器行程和振幅关系彳 厂以土测试可能有以下情况 1 若振幅a 是随机组负荷或者接力器行程的增减而加大或者减小 且水导处幅值 的变化比上导处幅值的变化敏感 而当机组作为调相机运行时 由于水轮机转轮已不在水 中运行 机组的振动大为降低 这种振动由水轮机转轮水力不平衡引起 包括三种情况 西安理工大学工程硕士学位论文 a 转轮叶栅存在水力不平衡力 b 导叶间隙和形状存在差异而形成水力不平衡力 c 转轮转动有偏心 或转轮上冠和下环有缺陷使水封间隙不等 而产生周期性的不 平衡力 2 若只在4 0 7 0 负荷区域振动较大 其它负荷工况的振动明显减小 且振动频 率厂 旦正 三 舷 则振源是由尾水管内低频涡带脉动引起的 6 0 53 2 2 测试点的选择 在水轮发电机组振动测试中测试点的选择与布置是获取机组运行状态信号的重要环 节 其选择和布置是否合理将直接影响信号采集的真实性以及数据分析和故障诊断的可信 度 一般来讲 测点的选择和布置取决于机组的设计运行性能 设备的结点和机组的运行 规律 在选择和配置测点时 应该对测点进行优化 这是测点选择和布置的基本原则 测点的选择和布置要符合水电机组运行的四个特性 即水力特性 机械特性 设备结 构特点及电气特性 水轮发电机组的水力稳定性对机组的安全运行影响很大 这是水轮发 电机组的固有特性 水轮机及其过流部件的蜗壳 顶盖 压力钢管 导水叶含固定 活动 导水叶及尾水管存在较大的压力和压力脉动 不同的部位其压力和压力脉动的值不同 由 于测试的硬件条件有限 在进行测点的选择和布置时 一般应根据机组实际情况 选择水 轮机及其过流条件的最大压力脉动处作为测试点 根据旋转机械特性 水轮发电机组属于低转速旋转机械设备 在测试点布置时应考虑 机组的低速旋转特点 同时考虑机组的水力和电气特性 合理准确地选择机组振动 摆度 和间隙的测点位置 根据发电机电气特性 电气干扰将影响水轮发电机组的稳定运行是监 测诊断的重要参数 因此在进行测试点的选择与布置时 应充分考虑发电机的电气特性传 感器的选择和配置 传感器的可靠 准确与否将直接影响到整个试验测试的正确与否 2 3 传感器的选择 传感器的可靠 准确与否将直接影响到整个