抽水蓄能电站机组动平衡技术

机组的振动和摆度会影响机组的长期稳定运行，动平衡试验能够较好的解决机组运转产生的不平衡力,从而减小机组的振动和摆度，一般情况下，机组安装完成后需要进行动平衡试验，找出转动部件运行时产生不平衡力的位置和大小，然后通过在转子上增加配重的方式予以消除，保证机组安全稳定运行。而近年有些电站研发设计、制造加工、安装偏差控制水平提高，机组投产后振摆数据都不错均实现摆度小于100微米，部分机组还实现了“零配重”，如沂蒙、长龙山、文登等电站部分机组，“零配重”也达到摆度小于100微米，达到精品机组要求。

在平衡过程中，首先是记录不平衡状态下的振幅和相位。接着是施加一个试验配重，然后使转子回复到它的原来转速并测量带有试验配重转子的振幅和相位。用一个简单的矢量减法给出试验配重的效应。在精确地测得试验配重的效应后，便可同时调整配重的位置和重量，使其能精确的抵消原来的不平衡量。下面根据某抽蓄机组调试试验数据分析其振动和摆度情况：

一、概述

2015年9月4日某抽水蓄能电站#1机组首次发电方向冲转、9月5日进行升速试验，9月6日～18日进行进行了2次的动平衡配重调整；#2机组于2015年12月19日首次机组冲转调试，12月21日进行升速试验和额定转速下的1次动平衡配重试验；#3机于2016年4月2日首次冲转调试，4月3日进行升速试验，4月4日～14日进行了4次动平衡配重调整；#4机于2016年7月5日首次冲转调试，7月6日进行升速试验和1次的动平衡配重调整试验。

二、机组动平衡试验准备工作

 1．试验伊始，机组按要求布设了上导、下导和水导轴承6个摆度测点，上机架、下机架和顶盖6个振动测点以及一个键相测点，所有测点信号均采用加装传感器的方式取得，所布设传感器及测试仪器参见表1。

表1 布设传感器及测试仪器

Tab.1  Layoutsensor and test instrument

 2. 机组振摆标准的确定

  1）国际标准化组织的ISO 10816-5（2000）《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》是目前水轮发电机组衡量机架或轴承座最具权威性的振动评定标准之一，GB/T6075.5-2002《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》实际上相当于ISO 10816-5（2000）的中译本，一般可以等同ISO 10816-5（2000）使用。其相关的主要内容是：

对于类似于上下导轴承座均支撑于基础上的立式机组（转速在60～1800r/min）可参照表2执行。

表2 机组振摆标准

Tab.2 standard of vibration

  2）ISO 7919-5（2005）《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》是国际标准化组织衡量大轴振摆的主要标准，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》实际上相当于是ISO 7919-5（2005）的中译本。其相关的主要内容是：

转轴测量方向上的相对振动位移峰-峰值（S_P-S_P）参照图1执行，对于428.6r/min的清蓄机组其“A”区极限位为146μm，“B”区极限为238μm。其中：

   （1）区域“A”：振动数值在此范围的设备可认为是良好的并可不加限制地运行，新机一般在区域“A”内进行考核；

   （2）区域“B”：振动数值在此范围的设备可以接受长期运行；

   （3）区域“C”：振动数值落入此范围内，提请注意安排维修。一般，该机器还可以运行一段有限时间，直到合适机会进行检修；

   （4）区域“D”：振动数值落入该范围的设备被认为极有可能导致损毁事故。

  3）设计制造商提供的质量标准（见表3）。

表3 厂家提供的质量标准

Tab.3 Manufacturer's quality standard

3.四台机组为平衡转子引线布设的原配重均为：转子上部磁极5和6号、6和7号、7和8号、8和9号、9和10号之间各布设配重13.8kg。

三、动平衡试验计算方法

目前多使用影响系数法进行抽水蓄能机组这样的刚性转子的动平衡配重工作，我们习惯上先以转子上园盘平面作为加重的平衡面进行转子动平衡。即：

 1.未加试重时，测得上机架振动矢量                              。

 2.在转子上平面加试重 ，测得加试重后的上机架振动矢量为。

 3.计算平衡面应加配重的大小和方位的矢量方程：

 4.对于抽蓄这样高转速抽水蓄能机组，其实际应配重相位与计算所得不平衡质量的相位会有一个量值不大的滞后角----机械滞后角。即：

  1）第一次开机可测得上机架振动的幅值和相位。

2）在的对面加试重，再次开机测得上机架振动的幅值和相位。

3）上机架振动是由不平衡质量和试重共同作用引起的，作矢量运算-，即计算仅由试重引起的振动，那么-与之间的夹角就是机械滞后角θ。

4）将顺时针转θ角，这个位置就是实际不平衡质量的相位，在其180°方向加配重即可起到平衡作用。

 4.当然，确定不平衡配重值还要先计算其灵敏度系数S：

 ，这是一个标量运算，单位为：μm／kg。

 5.如若要求加配重后振动值下降Xμm，则应加的配重为：单位为kg。

一般情况下，第三次开机即可完成平衡工作。如果还不理想，可在转子下平面再进行配重。上述方法，具有仪器设备轻便、开机次数少、平衡精度高且能显著降低机组振动水平的优点。

四、动平衡试验进程

 1. #1机组升速过程中分别在264r/min连续运行约1小时、320r/min连续运行约1小时，然后在额定转速428.6r/min下运行约9min；#2机组升速过程中分别在239r/min连续运行约30min、320r/min连续运行约1小时，然后在428.6r/min下运行约1min；#3机组升速过程中分别在210r/min连续运行约40min、320r/min连续运行约40min，然后在428.6r/min下运行约10min；#4机组升速过程中分别在217r/min连续运行约1小时、323r/min连续运行约1小时，然后在428.6r/min下运行约10min；测录数据汇总于表4。

表4 检测记录

Tab.4 Inspection record

2. #1～#4机组冲动后均按三个级差进行升速试验，从上表可以看出，在320r/min及以下转速时机组振摆基本都能控制在“A”区内，机组运转是稳定、正常的。而机组在额定转速428rpm运行时的情况是：

  1）#1机组上、下、水导通频轴摆都已跨入“C”区运行，转频基本在“B”区（水导除外）；上下机架及顶盖水平振动均在“A”区，顶盖垂直振动则已跨入“C”区；说明轴系还是明显存在质量不平衡，必须进行现场动平衡处理。

  2）#2机组下、水导通频轴摆基本已跨入“C”区运行，上导通频轴摆及下导转频在“B”区，其余轴摆则都在“A区运行；机组振动除顶盖垂直方向通频超出“B”区外，其余上下机架及顶盖的振动均在“A”区运行；说明轴系还是存在较大的质量不平衡量，必须进行现场动平衡处理。

  3）#3机组下导通、转频轴摆均在“B”区，水导通频则已进入“C”区，其余都还在“A”区运行；机组振动除顶盖垂直方向通频超出“B”区外，其余上下机架及顶盖的振动都还在“A”区运行；尽管机组振动、摆度并不严重，但轴系也还是存在质量不平衡的，应对其进行现场动平衡处理以提高运行质量。

  4）#4机组除下导、水导通频轴摆纳入“B”区，其余轴摆均在“A”区运行；机组振动除顶盖垂直方向通频处于“B”上限附近外，其余上下机架及顶盖的振动都在“A”区运行；尽管机组振动、摆度并不严重，但轴系也还是存在质量不平衡的，应对其进行现场动平衡处理以提高运行质量。

 3. 机组按照程序进行试加配重及计算、调整配重，具体情况见下表5。

表5 机组配重情况

Tab.5 The unit of weight

 注：以上增减配重均为配重块和紧固螺栓的合计重量。

 4.机组动平衡效果评述

  1）#1机组试加配重后，上、下导处轴运行摆度下降了30～40%（含通频和转频）、水导轴摆则变化不大，且各测点相位基本没有变化；上机架振动下降了约1/3（含通频和转频）、下机架和顶盖振动基本没有变化。根据计算进行第一次配重后机组振摆明显改善，上导轴摆又下降了约1/4、下导轴摆下降了将近50%，而水导轴摆、上下机架及顶盖振动均无太大变化。继之分别进行了轴承热运行和电气过速（120%额定转速）试验，虽然各测点转频轴摆均很小，但由于受空载工况流场不太稳定的影响，顶盖振动和水导摆度波动还是较大，东芝水电决定进行第二次动平衡调整。其后，机组振动摆度大为改善，尤其是转频幅值均＜100μm。经确认，1号机组动平衡调整顺利完成，效果是比较理想的。

  2）#2机组试加配重后，上下导通频轴摆下降了约1/3、转频下降了约50%、水导转频轴摆下降了1/3（通频则变化不大）；上下机架和顶盖转频振动均下降50%甚至更多，通频也略有下降；只是由于空载工况流场不太稳定，顶盖振动和水导摆度通频幅值波动较大，下导轴摆通频值也还略高，但估计机组并网带负荷后机组会趋于稳定。经各方认可，#2机组动平衡调整顺利完成。

  3）#3机组试加重后，上导转频轴摆下降了约60%、下导和水导转频轴摆仅下降约15～20%，上下机架振动略有改善，而通频轴摆和振动（含顶盖转频振动）均无明显好转；根据东芝的数据计算进行第一次配重调整后，上导轴摆（通、转频）和上机架转频振动均有所上扬、下导轴摆略有下降，其余都与调整前维持同一水平没有明显改善；随后采用明华公司调整方案进行了第二次配重调整，其时机组上导轴摆略有增加，下导轴摆通频下降30%、转频则下降70%、下机架转频振动下降约50%，而其余部位振摆均无明显改善；考虑到机组在空转运行过程中摆度变化较大，上导通频幅值可能达到200μm报警值，遂又经计算进行了第三次配重调整，使得所有转频轴摆仅只40～70μm左右，除顶盖垂直方向振动达到2.8mm/s外其他部位振动幅值均较小。经确认，该机组发电方向空载工况的动平衡调整告终。

  4）#4机组首次试加配重后的运行情况表明，上下导转频轴摆下降了35～50%、通频轴摆也都略有下降，上下机架转频振动下降幅值较大、通频也略有下降，除顶盖通频振动和水导通频轴摆略大外，其他无明显变化但幅值均较小。经确认，该机组发电方向空载工况下的动平衡顺利结束。

 5.#1～#4机组最终配重状况按要求配好。

6. #1～#4机组配重调整后在428r/min转速下连续运行的振摆数据见表6。

表6 配重调整最终检测记录

Tab.6 The final weight adjusting testrecord

五、机组动平衡调整后主要工况的运行

 1.机组并网后带负荷160MW、240MW运行都还是平稳的，带满负荷320MW热运行期间各测点振摆数值见表7。

表7 满负荷320MW热运行各测点振摆数值

Tab.7 Full load 320MW thermal operationmeasurement points oscillation value

从上表可以看到，机组发电满负荷运行工况大轴摆度各测点幅值均较小，且通频和转频幅值相差不大，均处在GB/T 11348.5-2008标准的“A”区；上、下机架振动和顶盖振动也都处于GB/T 6075.5-2002标准的“A”区。

 2. 机组PC工况热稳定性运行试验各测点振摆数据参见表8。

表8 机组PC工况热稳定性运行试验各测点振摆数据

Tab.8 Vibration data of each measuring point in thermal stability testof unit PC

从上表可以看出，各台机上导和水导摆度幅值均较小，一般都处在“A”区；上、下机架振动和顶盖振动也都处在“A”区；但下导摆度幅值都偏大，其中#1、#2、#3机下导摆度处于仍可长期运行的“B”区，而#4机下导摆度则已处于不可长期运行的“C”区。

 3.机组P工况进行热运行试验各测点振摆数据参见表9。

表9 机组P工况热稳定性运行试验各测点振摆数据

Tab.9 Unit P operating conditionsthermal operation test points swing data

从上表可以看到，P工况运行时各台机上下导轴摆幅值均较小，且通频和转频幅值相差不大，而水导摆度则更小；上、下机架和顶盖振动也都处于“A”区，可不受限制运行。

 4.机组GC工况热稳定性运行试验各测点振摆数据参见表10

表9 机组GC工况热稳定性运行试验各测点振摆数据

Tab.9 Unit GC operating conditions thermal operationtest points swing data

从上表可以看出，机组轴系摆度幅值均较小，其中水导摆度幅值最小，下导摆度幅值稍大，但也都在可不受限制运行的“A”区；上、下机架振动和顶盖振动也都处在可不受限制运行的“A”区；表明机组在该工况下可以长时间稳定运行。

六、结语

 1.机组转动轴系在未加配重运行在空载额定转速工况时，尽管如#1机组各导轴承处通频轴摆及水导转频、#2机组下、水导通频轴摆、#3机组水导通频等已跨入“C”区运行，但其余轴摆均在“B”、“A”区运行，尤其是#3、#4机组大都在“A”区运行；机组振动除#1、#2、#3机顶盖垂直振动跨入“C”区外，其余上下机架及顶盖的振动均还在“A”区运行。也就是说，机组轴系还是存在质量不平衡、有必要对其进行现场动平衡处理以提高运行质量的。但其振动、摆度并不严重的事实证明了机组轴系加工、装配达到了相当高的精度和标准，也体现了转轮静平衡按照G2.5验收的优势。

 2.机组经过动平衡配重调整之后转动轴系在空载额定转速工况运行工况下，除#1、#2、#3机水导通频轴摆还略超越“B”区上限外，其余部位轴摆都已纳入“B”、“A”区运行范围，尤其是机组转频轴摆均＜100μm；机组振动除顶盖垂直方向略超“B”区上限外，其余均在可以长期稳定运行的“A”区。这就证明#1～#4机组的动平衡配重调整收到了很好的效果，可保证机组顺利进入后续调试运行进程。

 3. 机组发电满负荷以及P、GC工况运行时机组轴系摆度幅值均较小，都在可不受限制运行的“A”区；上、下机架振动和工况顶盖振动也都处在可不受限制运行的“A”区；表明了机组在这些工况下可以长时间稳定运行。而在PC工况，各台机上导、水导轴摆幅值以及上、下机架振动和顶盖振动也都处在可不受限制运行的“A”区；而#1、#2、#3机下导摆度处于仍可长期运行的“B”区，唯#4机下导摆度则处于“C”区；亦即在该工况下应注意#4机组是不宜运行过长时间的。

 4. 机组负荷运行期间，根据其轴系振摆的变化趋势以及轴瓦间隙增大的具体状况，在调整轴瓦间隙的同时也还可以采取再配重调整，以期抑制机组轴承振动和大轴摆度。如#1机组就是在重新调整轴瓦间隙未取得理想效果的情况下又重新进行了配重：

  1）第一次在1、2号磁极之间上部试加9.28kg、8、9之间上部减去13.85kg。

  2）由于轴系振摆仍不理想，复原第一次试加重后，最终在14、1之间上部增重7.93kg。

最终，机组振摆得以改善。

总之，某抽蓄电站的实践再一次证明动平衡配重调整是机组调试工作中的重要环节之一，正是由于其顺利、卓有成效的实施，有力保证了机组各工况的稳定运行，对电站达到并超过国内外抽水蓄能机组平均先进水平起到了较好成效。