某抽水蓄能机组主轴摆度异常问题分析.pdf

运行与维护 Running and Maintenance 126 今日制造与升级 2023.60引言随着电力行业的发展，用户对用电需求是随时变化的。当电力系统出现用电高峰时，一般情况下发电设备基本处于满负荷运行状态；电力系统出现负荷低谷时，由于用电负荷减少，为保证电力系统功率平衡，各类电源须降低出力运行。不同需求下电网负荷会有所波动，电网需具备对所带负荷可随时自我调整的能力。抽水蓄能电站机组有水轮机和水泵的双向功能，在用电负荷低谷时可作为负荷侧消耗掉电力系统多余的电能，将电能转化成势能，即将水从下水库抽至上水库储存起来；在用电负荷高峰时可发电，即将水从上水库放至下水库，利用水的势能转换成电能供给电网。同时抽水蓄能电站是智能电网的重要组成部分，也是充分吸纳风电、保障核电运行、促进清洁能源发展的必要手段。某大型抽蓄电站由上水库、输水系统、下水库、地下厂房、地面开关站等建筑设施组成。地下厂房中安装有4台单机容量350MW 可逆式水泵水轮机组，总装机容量1400MW，额定转速为500r/min，设计年发电量23.42亿kWh，年抽水用电量31.23亿 kWh，电站综合效率系数0.75。该电站将主要配合其他调峰电站共同解决电网调峰、调节风电负荷等问题，维护电网安全及运行稳定性。我国对机组振摆幅值有严格要求，高转速运行时主轴摆度变大，机组振动加剧，将严重威胁机组安全稳定运行1-2，因此需要对形成该问题原因进行排查分析，并做出优化调整建议，使振摆幅值降低且趋于平稳。1 问题概述该抽水蓄能电站1号机组的主轴摆度自2021年5月15日以来有缓慢增大的趋势，发电与抽水方向主轴摆度幅值变化趋势如图1与图2所示。发电方向的上导与下导摆度幅值有缓慢上升的趋势，水导摆度幅值变化不大。其中上导摆度幅值上升的幅度较大，中位值由80m 左右上升至180m 左右，部分上导摆度幅值超过了250m（图1）；抽水方向的上导、下导与水导摆度幅值有缓慢上升的趋势，其中下导摆度幅值上升的幅度较大，中位值由115m 左右上升至230m 左右，最大值接近250m（图2），水导摆度幅值在7月份后波动幅度增大。正常运行工况下，发电机或作为电动机转轴相对振动（摆度）在 gB/T11348.52008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中规定了上限线，且不超过轴承总间隙的75%或符合机组合同的有关规定。该电站机组额定转速为500r/min，查得上限值约为235m。上导、下导、水导轴承轴瓦间隙单边值均约为0.35mm，轴承总间隙的75%均约为525m。可见，目前1号机组主轴摆度存在幅值偏大的问题。2 问题原因分析主轴摆度主频为转频，尤其下导摆度转频分量幅值达到通频幅值的95%以上，表明主轴摆度幅值趋势性增大主要与转子不平衡质量、轴线状态、导轴承（含导瓦、油膜）刚度及阻尼、机架刚度等相关3-5。（1）机组安装调试时主轴轴线调整质量评定为优秀或合格，可见当时主轴轴线状态较好，但随着运行环境变化，轴线有可能会发生偏移，需要进一步排查轴线是否是造成主轴摆度趋势性增大的主因。（2）发电与抽水工况下，水轮机转轮承受着水流巨大摘要抽水蓄能机组多具有水头高、转速快、双向旋转、过渡过程复杂和运行工况多变等显著特点，机组运行稳定性成为关注重点，主轴摆度作为关键参数对机组的安全稳定运行尤为关键。某抽水蓄能机组主轴摆度在运行过程中出现了趋势性增大问题，威胁机组的安全稳定运行，文章从轴线状态、瓦温、动不平衡等方面进行了分析，结果对导轴承轴线进行调整解决主轴摆度趋势性增大的问题，并针对该问题提出进一步优化建议方案，为今后解决该类问题提供借鉴意义。关键词抽水蓄能机组；主轴摆度；瓦温；动不平衡中图分类号TV743 文献标志码A某抽水蓄能机组主轴摆度异常问题分析于姗1，郝田阳2，杜雅楠1（1.国网新源控股有限公司抽水蓄能技术经济研究院，北京100053；2.吉林敦化抽水蓄能有限公司，吉林敦化133702）运行与维护 Running and Maintenance 2023.6 今日制造与升级 127的动能，当水力出现不平衡状态时，流入转轮的水流失去轴对称，导致水力不平衡的横向力出现，最终导致转轮振动及摆度6。但此次工作水头变幅不大，可见，主轴摆度趋势性增大与运行水头关系不大。（3）发电和抽水工况下，上导瓦温变化不大，下导与水导瓦温有缓慢趋势性增大的现象，分别上升了3和6左右（图3）。下导瓦与水导瓦的热变形和刚度发生了一定的变化，这可能会造成主轴摆度发生增大现象。（a）上导瓦温变化趋势（b）下导瓦温变化趋势（c）水导瓦温变化趋势图3 导轴承瓦温变化趋势（4）发电工况下，上导处测得的不平衡相位没有发生明显变化，下导处测得的不平衡相位发生了缓慢趋势性变化，变化30左右；抽水工况下，上导与下导处测得的不平衡相均发生了缓慢趋势性变化，其中上导处较大，为?X?Y（a）发电方向上导摆度幅值变化趋势?X?Y（b）发电方向下导摆度幅值变化趋势?X?Y?（c）发电方向水导摆度幅值变化趋势图1 发电方向主轴摆度幅值变化趋势?X?Y?（a）抽水方向上导摆度幅值变化趋势?X?下导摆度Y（b）抽水方向下导摆度幅值变化趋势?X?Y?（c）抽水方向水导摆度幅值变化趋势图2 抽水方向主轴摆度幅值变化趋势运行与维护 Running and Maintenance 128 今日制造与升级 2023.6100左右，下导处较小，约为10（发电与抽水工况下不平衡相位变化趋势如图4所示），这可能与转子运行后的应力释放、转子不均匀热变形、主轴状态变化及导轴承特性改变有关，这会降低配重块的作用效果，从而使得主轴摆度增大。（a）发电方向（b）抽水方向图4 不平衡相位变化趋势3 问题排查处理优先排查轴线是否发生偏移，对机组轴线进行如下检查。（1）通过测量上止漏环间隙将机组转动部分推至机组中心位置。（2）沿机组轴系从上至下分别在上导滑转子上部、上导滑转子下部、下导滑转子、发电机轴下法兰、水轮机轴上法兰和水导滑转子处，将其圆周分成8等份，并分别按逆时针方向从1 8进行编号（图5），要求各部位所对应的同一编号，应位于同一轴截面的同一方位。（3）在各测量部位 X、Y 方向各设置一块百分表，表头与所测量部位的表面垂直。（4）在机组轴系处于自由状态下，分别按单侧间隙0.01 0.02mm 抱紧相邻瓦间互成90夹角的4块上导瓦，完全松开所有下导瓦和水导瓦，退出检修密封，投入工作密封水源后盘车检查机组轴线。抱瓦时应用百分表监视相应位置处轴位移情况，以防止抱瓦过程中机组转动部分中心发生改变。（5）将所有百分表对零，开启高顶系统，按机组水轮机工况旋转方向，通过人力转动机组转动部分，每转到一个等分点，退出高顶系统，同时读取各部位测点百分表的读数。盘车时机组旋转水平百分表测量结果见表1。盘车数据分析见表2。表1 盘车时机组旋转水平百分表测量结果0.01mm测点上导上部 上导下部下导发电机轴下法兰 发电机轴上法兰水导+X+Y+X+Y+X+Y+X+Y+X+Y+X+Y100-0.50506060402-0.5-1-1-0.57310613.5810103-1-1-10841271914.516 14.54-15-1.5-1062117191617.5 155-1.5-1.5-1.503-1741411.511106-1-1-101-32-1534270-0.5000-50-50-30-480.50.500.53-33-40-4.50-5图5 盘车时机组编号示意表2 盘车数据分析测点水平仪读数（mm/m）相对点机组旋转水平（mm/m）1+0.021502+0.023+0.0126040.005+0.02370.0056+0.027+0.02480.018+0.02盘车数据分析如下。（1）机组摆度从下导、水发联轴法兰、水导等比例放大，各部位摆度值最大位置的相位基本一致，水导处摆度最大约0.24mm，判断水发联轴法兰处无折线，机组轴线与镜板的垂直度有细微变化。运行与维护 Running and Maintenance 2023.6 今日制造与升级 129（2）上导滑转子上部和下部百分表轴向距离约450mm，通过盘车数据计算滑转子上部和下部中心偏差约0.005mm，判断上导滑转子无倾斜。（3）盘车时机组旋转水平0.01mm/m，判断推力轴承水平无变化。综上分析，可以判断目前轴线整体呈倾斜状态，法兰处无超标折线，摆度增大现象源出自推力头与卡环之间的打磨面倾角发生变化。本次机组轴线调整可通过刮修卡环，或在镜板与推力头之间加垫方式进行处理，两种方式均为机组安装常规手段。综合考量，加垫处理方式较为便捷且节约工期，并且在之前的类似抽蓄项目成功使用效果良好，因此现场研究决定采取在推力头和镜板间加不锈钢垫片的方式进行轴线调整。通过对镜板与推力头之间加垫后的盘车数据进行分析，上导摆度0.01mm，下导摆度0.03mm，水导摆度0.065mm，远优于 gB/T85642003水轮发电机组安装技术规范中机组盘车标准。因此，此次问题主要原因：原轴线调整方式是通过手工打磨推力头上端卡环实现，存在接触面高低点不均匀和接触不好的可能性，机组投产后经过一段时间的运行磨合，在冷热循环、振动等情况作用下，接触面发生变化，并通过比例放大导致轴线摆度发生超标缺陷。4 结论由前面分析可得知，由于机组特殊运行工况产生影响使轴线发生偏移，最终导致是摆度增大。为进一步优化机组运行，可考虑对另外两种因素进行排查，即导轴承瓦温的升高（受季节影响冷却水进口水温升高导致）及转子存在的不平衡质量是导致主轴摆度趋势性增大的主因。因此提出建议如下。（1）机组上机架、下机架振动较小，上导瓦与水导瓦的瓦温50左右，下导瓦瓦温55左右，目前导轴承单边瓦间隙为0.35mm 左右，可以考虑适当收缩瓦间隙。（2）考虑到机械因素，因水力作用导致动不平衡力加剧进而使机组大轴摆度增大，此类问题主要原因是由于旋转部分受力不平衡或轴承间隙过大，建议择机对机组开展动平衡试验，降低机组主轴摆度。参考文献1 李华.某抽水蓄能电站2号机组下导摆度异常增大浅析J.水电站机电技术，2018，41（3）：46-47，51.2 张晋境，胡钦波，杜金昌，等.柬埔寨达岱水电站导轴承摆度大问题分析及处理J.水电与新能源，2018（4）：47-49.3 周清武，付烈坤，杜轩，等.某电厂水轮发电机组下导摆度异常故障诊断J.四川轻化工大学学报（自然科学版），2020（5）：83-88.4 李贵吉，叶喻萍，杜春生.某水电机组水导摆度突增原因分析及处理J.水电与抽水蓄能，2021（3）：92-98.5 李林峰，黄学然，田小波.水轮发电机组动平衡分析与案例处理J水电与抽水蓄能，2021（3）：33-36.6 瞿吉国.水轮发电机轴线摆度增大的原因分析J.数码设计，2017，6（5）：38-39.作者简介于姗（1990），女，河北沧州人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为电气工程。（上接第79页）5 陈繁荣，梁云峰.新型密封材料CMs2000在离心泵中的 应用J.化工生产与技术，2007（3）：58-59，68.6 廖明真，郭信.离心泵轴的密封J.北方造纸，1994（1）：41-43.7 陈志文.离心泵轴向密封的改进J.润滑与密封，1992（3）：46-47.8 邵峰.离心泵填料密封分析J.中国机械，2019（17）：61，63.9 吴仁荣.船用离心泵的转轴密封J.舰船科学技术，1987（4）：21-31.10 程传庆.高压离心泵用机械密封的基础研究和开发J.液压气动与密封，1993（3）：38-42.作者简介吴明（1989），男，宁夏中卫人，本科，高级工程师，主要从事机械设备维修及管理工作。