宝珠寺水力发电厂11F水轮发电机组摆度过大分析与处理

时间：2024-07-28

方仲超

(宝珠寺水力发电厂，四川广元 628003)

方仲超

(宝珠寺水力发电厂，四川广元 628003)

宝珠寺电厂11F机组自2012年A修运行以来，机组在运行过程中推力与水导轴承的摆度不断增大，在低水头运行过程中，机组的摆度超标。经过对机组中心、转子圆度、及水导瓦改造等数次检查处理，有效的解决机组摆度超标问题。在实际处理过程中，发电机机组部分摆度在空载后略有下降，是因为轴向水推力增加、推力轴承摩擦力加大，转子不容易偏离中心所致，同时负荷增加，有功、无功电流增加，磁场强度亦增大，使转子的径向不平衡力相对减小，使转子偏离中心也愈加困难。

水轮发电机组；磁拉力不平衡；分析；处理

1 概述

宝珠寺发电厂位于四川省广元市三堆镇境内，是白龙江干流域开发的第二座水电站，电站安装4台由东方电机厂设计、制造的半伞式轮发电机组。机组主要技术参数见表1。

表1 水轮机和发电机参数表

11F机组自投产以来，机组运行中，除推力摆度较大外，其余各部位的摆度均正常。由于过流部件气蚀严重，2012年对11F机组进行A级检修，修后机组在空转情况下各部位摆度均较小；加励磁至80%Ue时推力摆度明显加大，在满负荷情况下推力摆度幅值由0．68 mm增至0．98 mm，水导摆度幅值由0．23 mm增至0．59 mm。由于宝珠寺电站未设计下导轴承，在DL/T507－2002《水轮发电机组启动试验规程》并未对推力摆度允许值作相关要求，按照对导轴承要求，水导摆度幅值已超过设计双面间隙75%(调整双面间隙0．60 mm)。对此情况，作业人员对机组多次检查、分析与处理。

2 机组问题处理

2012年7月检修完毕后，进行11F机组稳定性试验，试验后认为转子存在明显磁拉力不平衡，且机组运行状态不稳定；由于当时正值白龙江流域主汛期，同时需排查引起不稳定诸多因素，当时未做处理，只能加强运行过程中摆度与振动的收集。8月份停机检查，水导瓦实际双面间隙最大值已达到0．65 mm。对转子转动部分各连接螺栓预紧力进行检查，排除转动部分在受不平衡力的作用下自身刚度不足的可能；检查定转子空气间隙在合格范围内；同时对水导瓦双面间隙按照0．56 mm进行调整。处理后机组推力摆度大的问题有所改善，但仍然存在磁拉力不平衡问题，满负荷运行情况下，推力摆度幅值仍然有0．76 mm，且随着运行时间增长，推力摆度逐步增长趋势，机组运行状态仍然不稳定。

2014年大修中，为全面分析原因，对机组的固定部分与转动部分进行检查。检查底环、顶盖与定子的同心度，检查发现底环与定子存在一定的偏心；检查转子中心体法兰上下止口的同心度，同心度偏心在合格范围内；对转子圆度进行测量，发现转子圆度超标，对超标的28个磁极背面通过加垫调整转子圆度；对水导瓦结构进行改造等措施。通过上述处理后，机组进行稳定性试验，机组运行状态良好，无明显的电磁拉力不平衡现象，但有轻微水力不平衡现象。

3 水轮发电机组处理过程分析

3．1 启动试验分析

2012年7月对11机组作修后稳定性试验，采集机组在不同转速下、不同额定空载电压下、不同负荷情况下的相关部位的摆度和振动，分别见图1与图2。

图1 11F机组稳定性试验各部位摆度趋势

图2 11F机组稳定性试验各部位振动趋势

由试验数据及各部位振摆度趋势图分析，在机组无励磁的情况下，上机架水平振动与推力摆度幅值随着转速的升高有所增大，机组存在轻微的动不平衡现象，在空转工况下各部件的振动、摆度幅值均满足规程要求，故而转子机械不平衡并不是引起摆度增大的主要原因。

在升压试验过程中，随着机组励磁电压的升高，上机架水平振动、定子中平振动、上导瓦与推力瓦摆度幅值明显上升，推力瓦摆度幅值增长至0．60 mm，且随着机端电压增长，机组振动的相位角也发生变换，机组存在明显的电磁力不平衡现象。

机组并网后，在机组带20 MW－60 MW区间内，推力瓦摆度幅值达到1．01 mm，随着负荷的增加，上机架水平振动、上导瓦摆度和推力瓦摆度有所减小；但水导瓦摆度摆度幅值有所增加，水导瓦摆度在满负荷下以达到0．57 mm。对该过程波形进行频谱分析，机组在空载到40 MW负荷区域内，运行较稳定，水力低频振动不明显，机组在60 MW附近时，顶盖水平振动异常，其波形表现为0．86倍转频频率，在80 MW－120 MW负荷区域内，受尾水压力脉动的影响，上导摆度、水导摆度、顶盖水平振动和顶盖垂直振动存在较为明显的0．11－0．32倍转频的低频波。鉴于水力因素引起的振动的复杂性，且该区域运行为水轮机的不稳定区域，加之顶盖振动均在合格范围，故而水力因素不是引起推力摆度超标的主要因素。

上述分析可见，推力瓦摆度超标的主要原因为电磁力不平衡，需重点对定、转子空气间隙或转子绕组匝间短路情况进行排查。

3．2 机械部分检查

2012年8月，停机对各转动部分连接螺栓、上导轴承、水导轴承进行检查。对上端轴、转子中心体、水发连轴螺栓的预紧力进行检查，发现转子中心体有4颗螺栓在设计压力下有轻微移动，最大旋转角度为10°，其他部位螺栓均未发现松动状况；对定转子空气间隙进行检查分析，发电机定子、转子空气间隙基本合格，其中平均气隙为22．8 mm，最大值为24．1 mm，最小值为20．9 mm，符合规范要求。对水导瓦进行检查，发现部分水导瓦间隙变大，其最大双面间隙为0．65 mm，分析其根本原因是水导瓦在制造时，在支柱螺栓配合处留有φ60 mm×1 mm的“凹槽”——作为对水导瓦的定位及间隙配合，由于水导瓦运行时间较长，水导瓦背后凹槽磨损严重，凹槽与支柱螺栓的贴合面积小于80%，对水导瓦不能进行限位，调整后支柱螺栓与水导瓦顶头在圆周方向有2 mm的余量，致使调整后的水导瓦间隙在运行过程中发生变化。鉴于水导瓦温度不高，协商讨论将水导瓦双面间隙调整至0．56 mm。

通过上述处理后机组推力摆度大的问题有所改善，但仍然存在电磁拉力不平衡问题，满负荷运行情况下，推力摆度仍然有0．76 mm，且随着运行时间增长，推力摆度逐步增长趋势，机组运行状态仍然不稳定。

4 发电机磁拉力不平衡检查处理

2014年大修中，对定子、转子、导轴承进行检查分析，全面分析引起发电机磁拉力不平衡的因素，其中对定子圆度、转子圆度进行调整，对水导瓦进行改造，详细过程如下。

4．1 定子圆度及同心度检查

吊出转子后，对定子各部焊缝开裂、螺栓松动、零部件变形损伤情况进行全面检查，均未发现异常状况；定子三组绕组的直流电阻、定子绝缘及交流耐压试验均合格；对定子圆度进行测量，在定子上中下三处测量定子圆度，利用正交分解法，对定子圆度测量数据进行分析，结果如图3所示。

图3 定子圆度数据分析图

由图示可见，定子上部平均直径 φ4775．57 mm，设计空气间隙为22 mm，相对误差4．9%＜5%，定子中部平均直径φ4 776．02 mm，相对误差4%＜5%，定子下部平均直径φ4 776．10 mm，相对误

2．3%＜5%。定子的垂直度方面，定子上环中心与下环中心同心度偏差达到0．79 mm，偏差角度与+Y夹角=88．7°，定子呈现“圆台型”—下大上小，且上下偏心。综合分析上中下环数据，计算出上中下环理论中心，对定子进行整体平移调整。

由于定子基础板已经浇筑在基坑混凝土内，通过平移定子进行调整工作量大且需大吨位螺旋千斤顶，考虑到在推动定子过程中，有可能造成定子绝缘损坏等对定子造成重大损伤的可能，且需重新调整上机架中心，故不采用直接推动定子来调整机组安装中心；通过现场检查发现底环与顶盖均有调整余量，故通过调整底环、顶盖与定子的同心度，将水轮机固定部分中心调整至定子的理论中心处。

以定子理论中心为基准，经过计算对底环为向+Y方向调整0．38 mm，向－X方向调整0．15 mm，调整完毕对中心进行校核，底环偏差0．03 mm，中心调整优良；以调整好的底环中心为基准，对顶盖向+Y方向调整0．10 mm。顶盖中心偏差为0．03 mm。调整完毕后对中心进行校核，中心调整合格。对顶盖与底环分别钻取φ30的锥销进行定位，具体流程如图4。

图4 水轮发电机组中心调整流程图

4．2 转子检查处理

(1)转子中心体止口检查。以下止口为基准测量上止口的同心度，经测量，上、下止口的同心度合格，偏差小于0．05 mm，

(2)转子吊出后，对转子机械部分检查，磁极键点焊无开裂，阻尼环连接良好，对转子单个磁极作交流阻抗测量，其最小值1．14Ω，最大值1．17Ω，平均值1．15Ω，偏差未超过2%，对转子作直流电阻测量，测试值为0．206Ω，均在合格范围内。

转子圆度及磁极检查处理。(3)转子吊出后，对转子圆度进行检查，在磁极上中下侧架设百分表采取数据，利用正交分解法，对测量数据进行分析，圆度趋势如图5所示。

由数据分析可见，转子上部圆度相对误差3．5% ＜5%；转子中部圆度相对误差6．3% ＞5%；转子下部圆度相对误差5．4% ＞5%。由图5所示，转子的垂直度方面，上部与下部的偏心可达0．4 mm。发现问题后电厂组织有关技术人员讨论并咨询东电厂家，决定在测量数据偏大的磁极背面通过加垫来调整转子圆度。具体加垫磁极数据如下。

图5 转子圆度数据分析图(调整前)

表2 磁极圆度调整加垫参数表

对28个磁极需进行加垫并更换磁轭键。加垫处理后对转子圆度进行检查，转子上部圆度相对误差

3．2% ＜5%；转子下部圆度相对误差1．6% ＜5% 。转子圆度合格。将磁轭键按照要求打紧后，对转子作绝缘及交流耐压试验，均符合要求。

图6 转子圆度数据分析图(调整后)

4．3 水导瓦改造

对水导瓦结构进行改造，更换水导瓦顶头，更换为强度更高的烙刚垫，并使烙刚垫高瓦背2 mm，更换部分磨损严重的支柱螺栓，检查支柱螺栓与烙刚垫的配合尺寸，使支柱螺栓与烙刚垫贴合面积大于85%。

通过上述处理后，对机组进行回装，按设计紧固力紧固转动部分连轴螺栓；轴线调整至0．02 mm/m；检查调整镜板水平与推力轴承受力，均在合格范围内，将机组调整至中心，止漏环偏心不超过平均间隙5%；对上导轴承按0．60 mm的双面间隙调整，水导轴承按照0．60 mm双面间隙进行调整，机组回装完毕后对机组进行启动试验。

4．4 机组检修后运行状况

机组检修后，进行了稳定性试验，测量各工况下机组摆度值及振动值，通过前后机组运行过程中摆度与振动趋势对比，各部位摆度与振动均没有超标，机组加励磁后，推力摆度没有阶跃性变大，机组运行状态良好，无明显的电磁拉力不平衡现象，有轻微水力不平衡现象，机组运行1小时后，发现水导摆度由0．24 mm增大至0．38 mm，且仍有增大的趋势。停机检查水导间隙，发现水导双面间隙由原来的0．56 mm增至0．80 mm，经分析确认是由于新更换的水导瓦顶头未压紧所致，将水导瓦双面间隙调整为0．56 mm，机组重新运行，水导摆度正常，机组运行状态稳定。