1、 2019 年中国 电机工 程学会 年 会论文集 达拉河水电站一号机组异常振动试验分析 闵占奎，陈柏旭，刘秀良，马喜平，周政龙 国网甘肃省电力公司电力科学研究院兰州 730070 Test Analysis of The No.1 Unit Abnormal Vibration for Dalahe Hydroelectric Station MIN Zhankui，CHEN Baixu，LIU Xiuliang，MA Xiping，ZHOU Zhenglong State Grid Gansu Electric Power Research Institute,Lanzhou 730070,
2、China 摘要:达拉河水电站 1 号机组因 水轮机部分磨蚀损坏严重进行了紧急检修，检修完启动时因振动问题机组只能带三分之一额定负 荷勉强运 行。针 对 该机组在某 一工况运 行时出 现 振动严重超 标现象，通过一系 列稳定性试 验分析，得到机组旋转体动平衡特性和电磁力平衡特性良好，该异常振动是由水轮机迷宫不均衡压力激发转动体产生的自激振动，同时提出解决该问题的对策，建议通过改变转动体固有频率或改变水轮机流态及其迷宫压力分布消除此振动。关键词:水电机组；自激振动；水力不平衡 ABSTRACT:The No.1 unit of Dalahe hydroelectric station had t
3、o shut off because of erosion by sand and cavitation.After the maintenance，it,with serious vibration，just can run one third power of the rated power.Under a series of stability tests,it indicates dynamic balance and electromagnetic force works well and the abnormal vibration is caused by the self-in
4、duced vibration under unbalanced pressure of turbine seal ring.Finally,the solving method is proposed by changing the natural frequency of unit rotating part or changing the turbine flow state and pressure distribution in turbine seal ring.KEY WORD:hydroelectric unit;self-induced vibration;hydraulic
5、 imbalance 1 前言 水电机 组在 运行 过程 中受 水力、机械 和电气三者 影响，可 能会 出现 各种类 型的 故障 现象1-3。目前对 水电 机组 运行 故障的 研究 主要 集中在 采用不 同算法 进行诊 断及 分析4-6，但由于运行故 障的 复杂 性、多样 性、不 确定 性和 耦联性，故 障现 象及 故障 形成 机理间 的映 射关 系十分复杂，单 纯依 靠数 学方 法有时 不能 很好 地解释故障 的形 成原 因，因此 通过现 场试 验对 机组进行故 障诊 断就 显得 十分 重要7。本文通 过达拉河水 电站 1 号 机组 某负 荷区出 现振 动严 重超标现象 的实 际案 例，分析
6、 了造成 异常 振动 的原因，并 总结 出解 决该 问题 的基本 方法。达拉河 水电 站位 于甘 肃省 甘南州 迭部 县东南 30km 处 的达 拉河 上，规模 为 III 等 中型 工程，坝高 67m，总 库 容 1740 万 m3，电 站 安装 3 台由富春 江水 电设 备有 限公 司制造 的 17.5MW 悬式混流式水轮机发电机组，总装机容量52.5MW，多 年平 均发 电量 2.73 亿 kWh。工 程于 2003 年 6 月 底开 工建 设，首 台机于 2007 年6 月 启动，3 台机于 2007 年 8 月全 部并 网发 电。2018 年 8 月，一号 机因 水轮 机 部分 磨蚀
7、 损坏 严重进行 了紧 急检 修，检修 完启动 时因 振动 问题机组只 能带 三分 之一 额定 负荷勉 强运 行。本次试验就 是为 分析 振动 原因 进行的 试验。机组主 要技术 参数 如表 1。表 1 机组主要技术参数 发电机 水轮机 型号 SF17.5 10/3300 型号 HL(F613)LJ155 额定功 率 17.5MW 最大/额定/最小水 头 211.1/190.0/173.8m 额定电 压 10.5kV 额定功 率 18.04MW 额定电 流 1132.1A 额定流 量 10.38m3/s 2019 年中国 电机工 程学会 年 会论文集 额定转 速 600r/min 额定转 速
8、600r/min 推力轴承形式 刚性 支撑/钨金瓦 飞逸转 速 1170r/min 上导轴 承 整体 筒形/钨金瓦 水导轴承形式 筒式分半/钨金瓦 下导轴 承 筒式 分半/钨金瓦 转轮叶 片数 13 个 旋转方 向 俯视顺时针 活动导 叶数 16 个 2 试验目的和依据 本次试 验的 目的 是测 试分 析一号 机检 修运行稳定 性特 性，如果 存在 动不平 衡问 题则 通过配重处 理，重点 分析 机组 带负荷 运行 至某 一工况时突 然出 现剧 烈振 动、迫使机 组减 负荷 的故障原因，并提出处理措施建议。试验依据有GB/T 171892007 水力机 械（水轮 机、蓄能泵和水 泵水 轮机）振
9、 动和 脉动现 场测 试规 程和 GB/T 85642003 水 轮发电 机组 安装 技术规范。振 动、摆度 值标 准要求 见 表 2。表 2 水轮发电机组各部位振动允许值（GB/T 85642003）单位：m 机组型式 项目 额定转速 r/min n100 1 00n 250 2 50n 375 3 75n 750 立式机 组 水 轮 机 顶盖水 平振 动 90 70 50 30 顶盖垂 直振 动 110 90 60 30 水 轮 发 电 机 带推力 轴承 支架 的垂 直振 动 80 70 50 40 带导轴 承支 架的 水平 振动 110 90 70 50 定子铁 心部 位机 座水 平振
10、动 40 30 20 20 定子铁 心振 动（100Hz 双 振幅 值）30 30 30 30 注：1、振 动值 系 指机 组在 除过 速运 行以外 的各 种稳 定运 行工 况下 的双 振 幅值；2、机 组运 行摆 度双 振幅 值不 大于 75的轴 承总 间隙。3 试验测量方法 试验测 量项 目包 括：（1）上导 摆度 X、Y，下导摆 度X、Y，水 导摆 度X、Y，采用 7200 和 3300型电涡 流传 感器 测量，传 感器通 过磁 力表 座安装。（2）上 机架 水平 振动 Y、垂直振 动Y，下机架水平振动 Y，发 电机定子外壳水 平振动Y，顶盖 水平 振动 X、垂 直振 动X，测量 传 感
11、器用 MSL 低 频振 动型位 移传 感器，用传感器 自带 的磁 力座 安装。需要 说明 的是，由于顶盖 本体 上无 法安 装振 动传感 器，传感 器安装在水 导轴 承座 上，所以 测量值 比顶 盖本 体振动值要 大。（3）蜗 壳、顶 盖腔 和尾 水管 水压脉 动值 各一 点，测量传 感器 用 3277 型 压力传 感 器。（4）机组 转速（键相），用光电 传感 器测 量，位置在 水导 Y 侧。（5）发电 机端 电压 和机 组 功率。试验工 况包括 无 励变 转速、额定 转速 变励磁、并网 变负 荷等 工况，具体 试 验工 况见表 3、表 4。试验流 程为 机组 切手 动运 行，依 次让 机组
12、 稳定运行在 选定 的试 验工 况，并在每 个试 验工 况运行约五 分钟 后，同步 自动 采样记 录各 测量 值。4 试验结果及分析 4.1 变转速、变励磁试验 为了了 解一 号机 旋转 体质 量力和 电磁 力对稳定性 的影 响，我们 首先 测试了 不同 转速 和不同励磁 电流 条件 下机 组各 部位的 振动、摆 度值和水压 力脉 动等 参数，试 验数据 见 表 3。图 1是机组 各部 位水 平振 动和 摆度值 转频 幅值 与转速平方 的关 系曲 线。2019 年中国 电机工 程学会 年 会论文集 图 1 机组各部位水平振动和摆度值转频幅值与转速平方的关系曲线 由于导 叶漏 水量 较大，开 机
13、后转 速最 低只能稳定 在 435r/min，所以 测试从 此转 速开 始，最高为 额定 转速。预 测到 发电机 电磁 力平 衡状态较好，变励 磁试验 只进 行了 0、50%和 100%额定电 压三 个工 况。表 3 达拉河水电站一号机变转速、变励磁试验数据 上游水 位：2260.75 单位：m、kPa 试验工 况 435r/min 499r/min 600r/min 0 5.25kV 10.5kV 上导摆 度-X 通频幅 值 162 184 216 212 202 188 转频幅 值 109 131 165 160 149 134 转频相 位 278 271 281 280 271 267
14、上导摆 度-Y 通频幅 值 168 174 208 205 191 186 转频幅 值 111 123 160 158 140 127 转频相 位 195 172 179 175 172 174 下导摆 度-X 通频幅 值 118 136 126 127 126 150 转频幅 值 104 111 113 113 113 136 转频相 位 360 39 360 360 360 360 下导摆 度+Y 通频幅 值 135 143 133 135 137 153 转频幅 值 116 123 121 122 127 141 转频相 位 154 154 147 149 146 121 水导摆 度+X
15、 通频幅 值 214 231 361 3591 349 366 转频幅 值 145 162 169 170 176 182 转频相 位 184 178 187 184 183 182 水导摆 度+Y 通频幅 值 178 184 198 199 201 211 转频幅 值 129 140 159 161 163 172 转频相 位 97 93 101 100 98 94 上机架水平振动H/Y 通频幅 值 13 19 42 47 47 44 转频幅 值 12 19 40 43 44 43 转频相 位 283 288 298 297 296 305 上机架垂直振动V/Y 通频幅 值 12 14 25
16、 26 25 27 转频幅 值 10 10 10 10 10 11 转频相 位 182 219 294 295 307 281 下机架水平振动H/Y 通频幅 值 4 5 5 5 5 5 转频幅 值 2 2 2 2 2 3 转频相 位 360 360 360 360 360 360 定子外壳水平振动 H/Y 通频幅 值 10 13 28 29 30 28 转频幅 值 8 11 26 25 27 26 转频相 位 291 294 300 299 298 309 顶盖水平振动 通频幅 值 25 40 112 110 94 91 H/Y 转频幅 值 18 22 41 41 38 40 转频相 位 36
17、0 360 360 360 360 360 顶盖垂直振动V/Y 通频幅 值 162 164 157 161 174 167 转频幅 值 104 106 103 109 111 110 转频相 位 349 344 352 350 354 358 蜗壳压 力 压力值 1903 1901 1898 1898 1898 1897 脉动值 90 88 86 85 84 83 顶盖压 力 压力值 131 160 219 219 219 221 脉动值 8 8 9 9 9 9 尾水压 力 压力值 52 50 49 50 50 49 脉动值 31 36 34 34 36 35 备注 变转速 试验 变励磁 试验
18、 从变转 速试 验数 据看，机 组各部 位振 动和摆度值 随机 组转 速的 升高 而增大，但 除顶 盖水平振动 和水 导摆 度值 值超 过标允 许值 外，其余量都在 允许 范围 内，这说 明发电 机转 子的 质量平衡状 态尚 可，但水 轮机 转轮有 较明 显的 动不平衡现 象。变励 磁试 验数 据显示，随 发电 机励磁电流 增加，即 随发 电机 端电压 的升 高，机组各部位 的振 动和 摆度 值变 化不大，说 明发 电机电磁力 平衡 状态 良好。4.2 变负荷试验 从变转 速、变励 磁试 验知 道，一 号机 运行稳定性 异常 与动 不平 衡关 系很小，所 以又 进行了两次 变负 荷试 验，测试
19、 了不同 负荷（不 同导叶开度）工 况下 机组 各部 位的振 动、摆度 和压力脉动 等，以分 析水 力因 素对机 组运 行稳 定性的影响，测 量数 据见 表 4，图 2 是第 一次 变负荷试验 振动、摆 度和 压力 脉动通 频幅 值与 机组功率的 关系 曲线。图 2 机组各部位振动、摆度和水压脉动通频幅值与机组功率的关系曲线020406080100120140160180180000 230000 280000 330000 380000n2上导摆度-X上导摆度-Y下导摆度-X020040060080010001200140016001800200022001000 1400 1800 220
20、0 2600 3000 3400 3800 4200MW上导摆度-X上导摆度-Y下导摆度-X下导摆度+Y水导摆度+X 2019 年中国 电机工 程学会 年 会论文集 表 4 达拉河水电站一号机变负荷试验数据 上游水 位：2260.70 单 位：m、kPa 从表 4 数据 和图 2 趋势 图知道，机 组在1000kW、2000kW、3000kW、4000kW 工 况运行正常，各 部位 振动、摆 度值并 不大，但 升负荷到 4140kW 时，突 然出 现剧烈 振动，振 动、试验工况（kW）1000 2000 3000 4000 4140 3600 4200 4800 5500 上导摆 度-X 通频
21、幅 值 182 162 145 140 303 167 164 159 303 转频幅 值 132 114 94 85 128 119 115 110 126 转频相 位 256 242 245 259 338 233 235 238 358 上导摆 度-Y 通频幅 值 183 154 135 132 319 155 153 147 274 转频幅 值 123 93 75 71 139 95 92 88 98 转频相 位 169 158 151 179 212 146 148 157 266 下导摆 度-X 通频幅 值 130 132 178 204 421 170 176 183 444 转
22、频幅 值 114 113 160 186 379 155 163 165 428 转频相 位 360 60 62 77 360 359 37 32 359 下导摆 度+Y 通频幅 值 149 204 238 255 453 143 157 149 404 转频幅 值 138 196 227 243 299 122 130 124 336 转频相 位 133 144 154 163 142 172 177 176 119 水导摆 度+X 通频幅 值 323 273 261 272 965 307 287 282 958 转频幅 值 160 94 91 91 129 140 99 95 168 转
23、频相 位 174 143 119 358 350 173 173 180 360 水导摆 度+Y 通频幅 值 206 165 157 160 724 139 96 94 462 转频幅 值 162 112 109 109 102 89 39 37 120 转频相 位 84 360 360 360 335 96 348 331 360 上 机 架水 平振动 H/Y 通频幅 值 45 33 26 24 203 39 39 39 175 转频幅 值 43 27 19 17 66 38 37 37 54 转频相 位 298 292 309 326 360 291 300 299 359 上 机 架垂
24、直振动 V/Y 通频幅 值 53 54 64 71 101 124 109 109 95 转频幅 值 27 30 33 33 13 116 97 93 27 转频相 位 257 238 206 264 359 358 357 359 358 下 机 架水 平振动 H/Y 通频幅 值 5 7 10 10 23 4 4 4 28 转频幅 值 2 5 6 7 14 1 1 2 14 转频相 位 355 109 111 121 360 359 352 357 360 定子外 壳水 平振 动 H/Y 通频幅 值 27 21 17 16 133 25 24 24 78 转频幅 值 25 16 12 11
25、42 20 19 20 35 转频相 位 305 302 316 326 360 271 292 285 360 顶盖水 平振 动 H/Y 通频幅 值 80 86 93 119 2142 149 153 156 2120 转频幅 值 48 51 55 62 220 65 65 58 235 转频相 位 360 354 335 356 360 360 359 359 357 顶盖垂 直振 动 V/Y 通频幅 值 145 150 151 181 2150 151 154 162 2130 转频幅 值 92 80 94 83 165 70 65 68 248 转频相 位 353 328 352 34
26、7 358 236 244 243 356 蜗壳压 力 压力值 1891 1888 1882 1877 1887 1889 1892 1887 1887 脉动值 83 82 84 86 85 82 89 96 90 顶盖压 力 压力值 245 261 279 292 168 253 267 271 171 脉动值 10 9 9 10 5 10 11 12 9 尾水压 力 压力值 47 47 47 49 49 46 46 46 45 脉动值 31 31 32 31 26 28 29 27 28 备注 第一次 变负 荷试 验 第二次 变负 荷试 验 2019 年中国 电机工 程学会 年 会论文集
27、摆度值 成倍 增加，同时 出现 了明显 的振动 噪声，威胁安 全，被迫 减负 荷运 行或停 机。机组 功率从 4000kW（运行 正常）增加 到 4140kW（剧 烈振 动）时，上 导摆 度值从 14 0 m/X 和 13 2 m/Y 增 大到 3 03 m/X 和 319 m/Y；下 导 摆度从 204 m/X 和 255 m/Y 增大 到 42 1 m/X 和 4 53 m/Y；水导摆 度 值从 2 72 m/X和 160 m/Y 增大到 9 65 m/X 和 724 m/Y；上机架水平振动值从 24 m/Y 增加到203 m/Y，上机架 垂直 振动值从 71 m/Y增加到 1 01 m/
28、Y；下机架水平振动值从10 m/Y 增加 到 23 m/Y；发 电机 定子 外壳水平振 动值 从 16 m/Y 增 加到 13 3 m/Y；顶盖水 平振 动值 从 1 19 m/Y 增加到 214 2 m/Y，顶盖垂直振动值从 181 m/Y 增加到2150 m/Y；蜗壳、顶盖 和尾水 管压 力脉 动值变 化 很小，但顶 盖压 力值从 292kPa 瞬 时减 小到168kPa。顶 盖压 力突 然下 降，主 要是 剧烈 振动出现时 引起 机组 抬机，造 成转轮 上迷 宫间 隙减小，使 进入 顶盖 的水 流减 小所 致。第二次 变负 荷试 验结 果和 第一次 情况 类似，但第二次试验时剧烈振动出现
29、的功率是5500kW，即强振出现 的功 率向大负荷移动了。造成这 一现象 的 可能 原因 有：一 是由 于水 流的复杂性，水轮 机所 受的 力每 时每刻 不一 定相 同，导致振 动特 性发 生变 化；二是机 组经 过几 次开停机和 经历 几次 剧烈 振动 后，机 组构 件之 间的连接性 能会 发生 一些 变化，导致 组合 体固 有频率改变，进 而引 起振 动特 性变化。5 振动原因分析 从变转 速、变励 磁试 验结 果知道，发 电机转子质 量轴 对称 特性 和电 磁力平 衡特 性良 好，变负荷 试验 表明，蜗 壳、顶盖和 尾水 管压 力脉动值较 小，压力 脉动 不是 造成该 机组 异常 振动的
30、原因，但 这次 试验，与 以前试 验相 比，最大的特点 是顶 盖的 振动 值增 加了几 十倍（以 前未做负荷 工况 试验），这说 明振动 源在 水轮 机部分。图 3、图 4 是机 组不 同运 行工况 时各 部位振动摆度频谱图，图从右到左依次是 0kW、2000kW 和 4140kW 工况。从图 3 和图 4 中可以看出，异 常振 动出 现时 其主频 发生 了显 著变化，即 运行 正常 时主 频为 转频 10Hz，而剧 烈振动发生 时，除了 转频 外，出现 了 1619Hz 左右的高频 分量，而 且所 占比 重较大（由 于剧 烈振动出现 时，顶盖 的振 动值 超过了 传感 器测 量量程，频 谱无
31、 法得 到，测得 的顶盖 振动 值也 不准确），为 典 型的 自激 振动。自激 振动 是系 统受自身运 动的 反馈 能量 激励 引起的 振动，其 振动频率接 近于 系统 的固 有频 率，其 振动 烈度 与振动体的 强度 和刚 度有 关。2019 年中国 电机工 程学会 年 会论文集 图 3 第一次试验不同运行工况振动摆度频谱图 2019 年中国 电机工 程学会 年 会论文集 图 4 第二次试验 5500kW 工况典型测点频谱图从图 3 和图 4 可知，第一 次试验 出现 剧烈振动时 转频 外的 主频 率约 为 18.7Hz，第二 次试验出现剧烈振动时转频外的主频率约为16.7Hz 左右，比 第
32、一 次试验 时 低了，而且 各 部位的振 动摆 度值 也减 小了，也就 是说，频 率越接近于 固有 频率，振 动强 度就越 大，有趋 近于共振的倾 向。对 本机 组来 讲，诱 发自 激振 动的能量，就是 水轮 机所 受的 水力，主要 是水 轮机迷宫间 隙压 力不 均匀、水 轮机过 流不 对称 等。由于水 轮机 部分 未进 行全 面的系 统性 检修，致使水轮 机迷 宫间 隙均 匀性 很差，活 动导 叶开 口、转轮叶 片开 口偏 差较 大，造成水 轮机 受力 与设计相差 较大，为 自激 振动 的产生 埋下 了隐 患。另外，也不 能排 除水 导轴 承润滑 油涡 动产 生自激振动。由 于液 体具 有一
33、 定的可 压缩 性，故水流和轴 承润 滑油 涡动 诱发 的自激 振动 有一 个特点，就 是其 振动 频率 不会 是转频 的倍 数。从自激 振动 产生 的原 理可 以知道，只 要改 变了系统的 参数，就 可以 避免 自激振 动发 生，如系统频率、构 建刚 度和 强度、动静 部件 间隙、水流流态 等。6 结论及建议（1）发 电机 转子 的质 量平 衡状态 和电 磁力平衡状 态良 好，但水 轮机 转轮存 在一 定量 质量不平衡 和水 力不 平衡，建 议把活 动导 叶开 口和转轮叶 片进 出口 调均 匀，并对转 轮做 静平 衡。（2）机组 一定 负荷工 况下 出现剧 烈振 动，这是由 转轮 迷宫 间隙
34、 内的 水压力 或水 导轴 承润滑油涡 动诱 发的 自激 振动，建议 对水 轮机 部分进行全 面的 检修，尤 其是 对上、下动 静迷 宫环 2019 年中国 电机工 程学会 年 会论文集 按设要 求进 行检 修恢 复，使迷宫 间隙 满足 设计要求，并把 水导 轴承 间隙 做适当 调整。（3）检修 安装 时，不 仅要 轴线满 足要 求，三导轴 承和 发电 机空 气间 隙及水 轮机 迷宫 间隙尽量均 匀同 心。（4）考 虑到 机组 推力 瓦温 偏高，设法 减小顶盖腔 压力，以 减小 水推 力，如 适当 减小 上迷宫间隙、加 大顶 盖排 水管 尺寸、转 轮上 冠上 开泄水孔 等。注：经 与电 站方
35、联系 了解，得知 该机 组按 照以上方案 检修 处理 后投 运时，各种 工况 下运 行状态良好，达 到了 安全 稳定 运行的 目标。参 考 文 献：1潘罗平，唐波，周叶等水电机组故障诊断技术的应用现状与技术发展J 水电站机电技术，2010，33(3)：107-109 2赵道利，马薇，梁武科，等水电机组振动故障诊断的信息融合诊断与仿真研究J中国电机工程学报，2005，25(20)：137-142 3周叶，潘罗平，唐澍等对水电机组状态检修技术推行困境的思考J水电站机电技术，2014，37(3)：81-85 4张孝远，张新萍，苏保平基于最小最大核 K 均值聚类算法的水电机组振动故障诊断J电力系统保护
36、与控制，2015，43(05)：27-34 5郭鹏程，孙龙刚，李辉，罗兴锜基于多重分形谱和改进BP 神经网络的水电机组振动故障诊断研究J水力发电学报，2014，33(03)：299-305 6易辉，梅磊，李丽娟，刘宇芳，袁宇浩基于多分类相关向量机的水电机组振动故障诊断J中国电机工程学报，2014，34(17)：2843-2850 7闵占奎，刘秀良，赵耀，马喜平，韩亚宁，李世康，程有真碧口水电站#1 水轮机组增容改造后异常振动分析及处理J水电能源科学，2015，33(03)：168-170 作者简 介：闵占奎（1963），男，甘 肃和 政人，高 级工 程师，主 要从 事水电机组 性能 测试 和故 障诊 断分 析工 作 联 系 方式：甘肃 省兰 州 市万 新北路 249 号 国网 甘肃 电科 院，730070，电话 13919371551，邮箱
