水電機組擺度周期性波動問題的分析和研究

李志華,汪安海,徐楠楠,曾學杰,萬 路,李 虎,周科衡

(1.西安熱工研究院有限公司,西安 710032;2.華能瀾滄江水電股份有限公司,昆明 650206)

0 前言

“雙碳” 目標背景下,水力發電在電網系統承擔調相、調頻、調峰的優勢日益凸顯,對機組安全穩定運行的要求也越來越高。上機架是水電機組上導軸承徑向受力的傳遞構件,上導擺度大、上機架振動超標等問題在電廠頻繁出現,相關學者對此進行了深入的研究[1-4]。二灘水電廠通過頻譜分析和動平衡試驗對上導擺度超標問題進行了分析[5],發現匝間短路造成的不平衡磁拉力是導致上導擺度超標的主要因素;緊水灘水電站采用軸線調整、受力與中心調整和發電機氣隙調整等方法有效地解決了上導擺度超標問題[6];王建等人通過對上機架剛度不足引起的振擺特征進行分析,發現上機架千斤頂的錯誤安裝方式可引起剛度不足和機組振擺超標[7];李延頻等人采用動平衡試驗方法處理了三門峽水電站3 號機組發電機振擺超標的問題,并取得了較好的效果[8];毛子首等人分析了上機架和定子系統剛度引起的機組振動特征及動態特性[9];張軍等人從工程實踐角度出發,總結了鋼結構連接方式的優劣,客觀分析了焊接熱影響區、殘余應力、低溫冷脆等缺點對機組振動的影響[10]。關于燃煤、核電及抽蓄機組的振動和擺度治理研究也有很多,且取得了較好的動平衡治理效果[11-15];一些學者和技術人員還結合工程案例從信號的處理、故障診斷、振擺算法等角度對振動和擺度進行了分析計算,為電站故障診斷和振動問題的處理提供了參考依據[16-20]。由上述研究現狀可知,關于機組上機架振擺超標的原因分析和處理措施的文獻已有很多,但是影響機組上導軸承擺度呈周期性波動的因素涉及電氣、測量、機械、金屬材料、安裝施工等不同領域,目前相關的分析研究相對較少。

基于此,本文以某水電站機組為例,從上導擺度峰峰值和平均值測量原理出發,通過機組運行參數進行驗證,得出上導擺度峰峰值呈周期性波動是由大部件金屬結構的非對稱蠕變造成的結論,且詳細地記錄了分析過程。

1 問題描述

某水電站安裝有4 臺混流式水輪發電機組。機組軸系由三段組成,自下而上分別為水輪機主軸、發電機主軸和滑轉子,發電機采用密閉自循環空氣冷卻系統,現場5 瓣組圓,自并勵靜止可控硅整流勵磁裝置。上機架支臂為14 個,呈螺旋狀沿中心體外緣均勻分布,支臂徑向中心線和上機架中心體切線的夾角為76°?，F場裝配中心體和支臂,并將其焊接為一體,支臂和基礎板之間采用工字鋼過渡并與基礎板把合,上機架結構如圖1所示。

圖1 機組上機架結構示意圖

該電站自首臺機組投產以來,發電機組上導軸承擺度存在如下異常波動規律:上端軸擺度峰峰值隨時間在24h 內呈正弦變化規律,具體如圖2所示,波動峰值出現在6∶00～9∶00 時段,谷值在17∶00～19∶30 時段。當4 臺機組停機后再次開機,從開機至并網的短時間內表現不盡相同,但是在帶負荷連續運行24h 以上時,上端軸擺度峰峰值均出現周期性波動,且運行時間越久,4 臺機組表現的波動規律和幅值越一致;同時,對比同一臺機組的擺度數據發現,夏季波動幅度低于冬季波動幅度。以上異?，F象困擾著電站技術人員,且會影響設備的安全運行。

圖2 機組上導軸承擺度多日和日間擺度波動曲線

2 問題分析

為了分析4 臺機組上導軸承擺度峰峰值呈周期波動的原因,首先從擺度峰峰值的測量基本原理和測量系統構成出發。主軸擺度峰峰值是指發電機在運行過程中,主軸相對固定部分的間隙極值大小,其測量系統包括信號采集系統和傳感器信號系統。其中傳感器信號系統由非接觸渦流探頭、固定托盤支架以及信號傳輸線纜等組成。根據傳感器系統構成,則可知主軸擺度間隙峰峰值的變化情況,主要有以下3 種表現形式:(1)主軸晃動幅度不變,探頭基座位置變化;(2)探頭基座位置不變,主軸晃動幅度變化;(3)探頭基座位置變化且主軸晃動幅度變化。這三種情況均可能會出現采樣起止時刻和擺度起止時刻不重疊的情況,根據峰峰值的計算原理可知,如果采樣起止時刻和擺度起止時刻重疊,則主軸擺度間隙峰峰值不受基座蠕變的影響;如果采樣起止時刻和擺度起止時刻不重疊,則主軸擺度間隙峰峰值會受探頭基座蠕變的影響,且隨著探頭基座向主軸蠕變,峰峰值會變小,反之則變大。

為了進一步判斷表現形式(1)～(3)哪種更加接近機組軸系擺度峰峰的真實變化規律,以4 號機組為例進行了測試。在4 號機組上機架中心體油盆底部X向加裝臨時渦流探頭,并將上機架Y向渦流探頭更換為帶溫度補償的渦流探頭,而上機架X向探頭不做任何改動,時刻記錄機組帶負荷運行時上導擺度的峰峰值,測量結果如圖3所示。圖中X向擺度為原探頭測量數據,Y向擺度為油盆底部X向新加裝探頭測得數據,下導Y向擺度為上機架Y向帶有溫度補償的渦流探頭測得數據。

圖3 4 號機組不同測點數值變化

從圖3 中可以看出油盆底部探頭測得擺度峰峰值周期性波動消失,并且帶有溫度補償的探頭測得的數據依然存在周期波動。經過反證法和排他性因素分析,上導擺度波動符合主軸晃動幅值不變,探頭基座位置發生變化,即符合表現形式(1)。

3 動靜態數據分析

為了分析驗證探頭蠕變產生的部位和可能原因,根據上機架結構特點和探頭安裝位置,技術人員現場測量了機組在停機狀態下,基坑溫度、油盆蓋板和主軸之間間隙、上機架支臂與基坑之間的間隙三個量的變化。臨時測點布置如下:在基礎板焊接探頭支架安裝非接觸渦流探頭,在支臂外緣處焊接直角金屬貼片,測量二者的間隙(以下稱“間隙1”),用于表征機架徑向間隙和蠕變量,并實時記錄基坑溫度。為了測量上機架支臂在X方向和Y方向的蠕變值并驗證渦流探頭測量結果的可靠性,分別在X方向和Y方向支臂與基礎之間增設機械百分表,其測量結果分別稱為“間隙2” 和“間隙3”,機械百分表只可監測靜態上機架間隙的蠕變過程數據。非接觸渦流探頭及機械百分表的具體布置如圖4 和圖5所示。

圖4 4 號機組非接觸渦流探頭安裝位置示意圖

圖5 4 號機組機械百分表安裝位置

發電機基坑周圍主要材料為基坑鋼板內襯和鋼筋混凝土,且根據混凝土和金屬的物理特性可知,上機架金屬部件的熱傳導率及線性膨脹系數約為混凝土的50 倍,并且鋼板內襯厚約35mm,因此基坑內基礎板的位移和蠕變相對較小、較慢,在數據分析時可看成死點。

3.1 靜態數據分析

根據圖4 和測量原理可知,機組在停機下記錄的間隙數值反映了機組上機架和基礎板之間的相對距離,且通過分析可知,基坑內基礎板的位移和蠕變相對較小較慢,因此該相對間隙可認為是上機架的蠕變量。4 號機組2022年1月19～23日處于停機狀態,監測間隙1 和基坑溫度的變化,結果如圖6所示。

圖6 4 號機組基坑溫度和間隙1 變化曲線

4 號機組在1月19～23日處于停機狀態,停機后基坑溫度持續降低,由原來的27.5℃降至21.5℃,變化接近6℃,間隙1 由起始的580μm 降至410μm,總歷經時間為110h。從圖6 中可以看出,間隙1 和溫度隨時間的增加呈類線性下降趨勢。具體數據為:1月19日02 ∶00,溫度和間隙1 分別為27.6℃和586.5μm,1月20日02 ∶00 溫度和間隙1 分別為25.6℃和556.5μm,間隙1 在24h 內變化了30.0μm,溫度變化了2.0℃;1月22日15∶00,溫度和間隙1分別為22.7℃和446.0μm,1月23日15∶00 溫度和間隙1 分別為21.6℃和411.5μm,間隙1 在24h 內變化了34.5μm,溫度變化了1.1℃。

人工讀取4 號機組上機架X、Y向百分表測量的間隙數值,繪制相應的溫度、間隙變化曲線,如圖7和圖8所示,根據測點布置的位置,圖中“ -” 表示向內側移動,“ +” 表示向外側移動。

圖7 間隙2 及溫度的變化曲線(X 向)

圖8 間隙3 及基坑溫度的變化曲線(Y 向)

從圖7 和圖8 可以看出,上機架X、Y向間隙2、間隙3 及溫度均隨時間的增加呈下降趨勢,該變化趨勢與間隙1 變化趨勢相同,數值相近。X向和Y向支臂與基礎板之間的間隙縮脹量并不一致,Y向較X向大40μm,即X向和Y向支臂在相同溫度變化時出現了非對稱蠕變。

通過靜態數據分析可知,機組上機架隨基坑溫度下降而產生蠕變,表現規律為:間隙1 隨基坑溫度的降低而減小,即溫度越低,間隙越小,基礎板和機架支臂的距離越小。機械百分表測得的數據變化趨勢和渦流探頭測得的數據規律一致,方向相同,但機架X向和Y向的蠕變量不一致。

3.2 瞬態過程數據分析

4 號機組在2022年1月17日和23日分別啟動并網帶負荷運行,其中17日啟停兩次,分別為10∶00和16∶00,23日啟停一次,為15∶00,間隙1 和基坑溫度隨機組啟動的瞬變過程如下。

啟動中和啟動后基坑溫度符合如下規律:機組啟動中因通入冷卻水,基坑溫度迅速由25℃降低至18℃;機組并網后,隨著發電機電磁發熱、鼓風發熱、摩擦發熱等發熱量的增加,抑制了基坑溫度下降的速度,基坑溫度最終維持在15℃±0.5℃范圍。啟動過程中基坑溫度經歷了先快速下降,而后緩慢下降,最終維持在某一發熱和散熱的平衡狀態。停機后基坑溫度符合如下規律:機組惰走期間,基坑溫度先由15.6℃經5min 上升至17.6℃,后經5min 上升至19.87℃,再經5min 上升至20.0℃,又經70min 上升至25.5℃,隨著金屬部件、轉子和定子等蓄熱的持續釋放,最終維持在26.5℃。待發電機上蓋板、下蓋板和風洞處的熱輻射交換量大于蓄熱部件釋放的熱量后,基坑溫度開始緩慢下降,停機后,基坑溫度經歷了先快后慢下降,再穩定的溫度變化規律。因蓄熱部件的熱量釋放和基坑蓋/壁周圍的熱輻射交換均比較緩慢,所以停機溫度變化較啟動時緩慢的多,具體數據如圖9所示。

機組啟動時,間隙1 并未發生明顯改變,經5min后間隙1 值由539μm 升至545μm,后經歷15min 降至416μm,再經歷15min 持續降至382μm,之后緩慢下降,最終維持在360μm±5μm,間隙1 從開始變化至最終穩定共持續了約90min,大概呈現了先升后降,先快后慢并經較長時間穩定的變化規律。機組停機后惰走期間,間隙1 由376μm 升至447μm,機組完全停穩5min 后,間隙1 升至461μm,后經5min 升至468μm,再經5min 升至473μm,又經70min 上升至497μm,隨著基坑內新的熱平衡的建立,間隙1 數值也逐漸升至513μm,并隨著基坑溫度的穩定而穩定。通過瞬態過程數據的分析可知,基坑溫度變化和間隙1 變化一一對應,即溫度高間隙1 變大,溫度低間隙1 變小。

根據靜態數據間隙1、間隙2、間隙3 隨溫度降低而減小,瞬態數據間隙1 隨溫度升降而增減且變化幅值和溫度變化一一對應,可以得出,當機架和基礎板之間的間隙1 變小,則支臂和中心體(大部件金屬構件)沿徑向向外側蠕變;當機架和基礎板之間的間隙1 變大,則支臂和中心體沿徑向向內側蠕變。

3.3 運行數據統計分析

作者統計了該電站4 號機組2021年9月的運行數據,主要有調速器導葉開度、機組有功功率、無功功率、冷卻水溫、上導瓦溫、空冷器冷熱風溫度、油槽油溫、上機架振動等數據,發現只有集電環室溫度與上導擺度一一對應,且相關性較強,具體數據如圖10所示。

圖10 4 號機組擺度和溫度變化關系

集電環室通過格柵窗口與廠房內空氣形成熱交換,因此集電環室溫度一定程度上反映了環境溫度,特別是負荷工況無明顯變化長周期運行后,環境溫度和集電環室溫度一一對應。從圖中可知,機組擺度最大出現在環境溫度最低的早上,擺度最小則出現在環境溫度最高的下午?？紤]到空氣輻射換熱的遲滯性和慣性,集電環室的最低及最高溫度一般較環境溫度晚2～3h,因此上導擺度最大值出現在8∶00 左右,最小值出現在17∶30 左右。

4 結論

本文從水電機組上導擺度周期性波動出發,根據擺度測量原理、機架結構特征、問題排查分析、運行參數分析以及啟停過程機架和基礎板的間隙變化規律等,可得出如下結論:

(1)機組集電環室溫度滯后于環境溫度,因此機組上導擺度極值出現在6 ∶00～9 ∶00 時段,谷值在17∶00～19∶30 時段;

(2)根據測量原理可知,上導擺度間隙峰峰值變化可有三種組合情況,通過在油盆底部增加臨時探頭實時采集上導擺度的變化,可知機組主軸并未發生改變,進而證明了表現形式(1)符合上導周期性波動的描述;

(3)通過增加臨時探頭測量和分析機架和基坑間隙瞬靜態變化可知,基坑溫度和間隙1 的變化一一對應,且當間隙1 變小,則支臂和中心體沿徑向向外側蠕變,當間隙1 變大,則支臂和中心體沿徑向向內側蠕變;

(4)通過運行數據可知,機組上導擺度和集電環室溫度一一對應,上導擺度幅值和周期與機組其他參數均無相關性。