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小型水轮发电机组运行中的振动分析小型水轮发电机组运行中的振动分析 作者：李 云水轮发电机组振动是水电站存在的一个普遍问题，有设计、制造、安装、检修、运行等方面的原因。运行中的机组不同程度都存在着振动，电站规定振动值在某一允许范围内，当振动超过规定的允许值时，便会影响机组的安全运行和机组的寿命，需及时找出原因并采取措施消除。同时水轮发电机组的振动是一个复杂的问题，但从振动的原因来看，一般有机械、水力及电磁等方面的原因。笔者结合实践谈谈水轮发电机组运行中的振动问题。机械掘动由于机组机械部分的惯性力、摩擦力及其他力的干扰造成的振动叫做机械振动。引起机械振动的因素有：转子质量不平衡、机组轴线不正、导轴承缺陷等。特子质量不平衡。由于转子质量不平衡，转子重心与轴心产生一个偏心距。当主轴旋转时，由于失衡质量离心惯性力的作用，主轴将产生弯曲变形。轴变形越大，振动也越严重。在制造时，要进行转于的静平衡、动平衡试验，使不平衡重量尽可能小，从根本上消除这种振动的原因．轴线不正。机组轴线不正会引起两种形式的振动，弓状回旋．由于转子、转轮几何中心偏离旋转中心，运行中会产生横向及纵向振动，直接形成回旋对推力轴承、导轴承均构成威胁，还能增大离心惯性力，两者都使振幅增大。从运行角度分析，一般出现在投运年限较长，各导轴承间隙大，没能及时修复，或者检修质量不良等情况下。另外一种是摆振。在动水压力下，推力轴承处发生摆振。为此，在安装和检修时必须找正轴线，调整各导轴承的间隙在允许范围内。对新投产的机组，一般不会由于轴线不正而引起剧烈振动，但对于运行一段时间后的机组，由于某种原因使轴线改变，如推力头与轴配合不严密、卡环不均匀压缩、推力头与镜板间的垫变形或破坏等，都会引起机组振动。导轴承缺陷。当导轴承松动、刚性不足、运行不稳而润滑不良时，会发生摩擦，引起反向弓状回旋，即横向振动力。导轴承间隙过小，会把转轴的振动传给支座和基础，导轴承间隙过大，转轴振动大。适当的导轴承间隙，才有可能同时保证转轴与支座的振动均在允许范围内。水力撮动由水轮机水力部分的动水压力的干扰造成振动叫水力振动。引起水力振动的因素有，水力不平衡、尾水管中的水力不稳定、涡列等。水力不平衡。当流入转轮的水流失去的轴对称时，出现不平衡的横向力，于是造成转轮振动。水流失去轴对称的主要原因是过流通道不对称，如：蜗壳形状不正确，导叶开度不均，引起转轮压力分布不均，在流道中塞有外物，转轮止漏环偏心等。尾水管中水力不稳定。尾水管中水力不稳定现象，主要指尾水管中的水压周期性的变化，压力脉动作用于机组和基础上，就引起振动、噪音和出力波动，同时它对尾水管有相当大的破坏作用。这种情况一般发生在非设计工况下，水流在尾水管进口有一个圆周分量，形成旋流。当此分量达一定值时，便在尾水管中出现涡带，使尾水管的水流发生周期性的变化，引起水压脉动和管壁振动。当水轮机的自振频率与压力脉动频率相同时，便发生共振，威胁水轮机组的运行。涡列。当水流绕流叶片，由出口边流出时，便会在出口边处产生涡列，从叶片的正面和背面交替出现，形成对叶片交替的冲击。当叶片自振频率与冲击频率相同，便产生共振。由涡列所引起的振动只在一定水头和开度时才会发生，它能使叶片的根部或轮缘产生裂纹，有时还伴随着一定的声响。在偏离设计工况下运行，机组一般都存在着一个振动区。这个振动区主要是由水力方面引起的，如尾水管中水力不稳定、涡列等。在没有解决振动问题之前，为了机组的安全与稳定，值班人员应尽可能地避开这些区域运行。磁振动由发电机电磁部分的电磁力的干扰造成的振动叫做电磁振动。引起电磁振动的因素有：发电机二相不对称运行、发电机突然短路等。发电机三相不对称运行发电机运行时，会发生三相不平衡负载，引起三相电流不平衡。三相不平衡电流会在三相绕组中产生一个正序旋转磁场和一个负序旋转磁场。当负序磁场对着水力发电机转子纵轴附近时，因气隙小，磁阻小，磁力线就多，转子和定子间的作用力就大。当负序磁场对着转子横轴附近时，因气隙大，磁阻大，磁力线就少，转子与定子间的作用力就小。这样，负序磁场和转子之间的作用力时大时小，就使力矩变成两倍于周波数的频率而脉动，造成转子及定子机座的振动。发电机突然短路发电机突然短路会使定子绕组的端部受到很大的电磁力的作用。这些力包括定于绕组端部相互间的作用、定子绕组端部与转子绕组端部相互间的作用力以及定于绕组端部与铁芯之间的作用力。另外，发电机突然短路还使转子轴受到很大的电磁力矩作用，所受力矩分为两种：一种是短路电流中使定子、转子绕组产生电阻损耗的有功电流分量所产生的阻力矩，另一种是突然短路过度过程中才出现的冲击交变力矩。这些电磁力及电磁力矩能使发电机组受到剧烈的振动，并给发电机部件带来危害。发电机转子两点接地当发电机在运行中出现转子两点接地时，部分线匝短路，电阻降低，有较大的短路电流流过短路点，励磁电流不正常的增大，发电机进相多，引起磁场不平衡，造成发电机组强烈的振动。此外，非同期并列、系统故障、霄击也会使发电机组产生电磁振动。
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只看楼主 我来说两句抢地板3.1 为监测监控转轮室压强，在水轮机顶盖过流面直径为(D1＋Dz)／2的分布圆周上（D1为转轮标称直径；Dz为主轴直径）沿＋X、＋Y、―X、―Y方向分别布置1号、2号、3号、4号四只压力传感器。
3.2 为向转轮室补入适量气体，在压缩空气供气总管与水轮机顶盖近中心区域入气口之间的供气支管（支管又开四叉输气，它可与调相压水结合）上串联一只电动调节阀调节进气量。若设支管内最大输气速为24m/s，则供气支管管径d≈33√Qsm（mm；Qsm为水轮机最大过水流量m3/s）。
3.3 在微机-PLC-PLC控制系统中设一台SIMATIC S7-222型PLC（8输入／6输出共14个数字量I／O点）并带一个EM235型（4路模拟量输入／1路模拟量输出）模拟量扩展模块。
3.4 首先给出输入、输出信号内存变量地址分配见表2，然后编写控制程序如后，为优化程序结构，减小扫描周期，采用主程序、子程序、中断程序的程序结构形式。
表2 输入、输出信号内存变量地址分配表
序号
信号名称
内存地址
序号
信号名称
内存地址
01
DL辅助触点引出
I0.0
07
3号压力传感器信号量
AIW4
02
导水叶开度位置引出
I0.1
08
4号压力传感器信号量
AIW6
03
机组事故综合信号
I0.2
09
M0.0
04
机组停机指令信号
I0.3
10
电动调节阀电源投入
Q0.0
05
1号压力传感器信号量
AIW0
11
电动调节阀立即全开
Q0.1
06
2号压力传感器信号量
AIW2
12
电动调节阀PID调节
AQW0
MAIN
LDＮ I0.0 机组出口断路器跳开后DL辅助触点引出通过上位机使I0.0置0
Ａ I0.1 导水叶开度位置在空载以上～全开间时DKW通过上位机使I0.1置1
Ａ I0.2 启动机组事故信号后通过上位机使I0.2置1
Ａ I0.3 上位机发出停机指令后，I0.3置1
＝ M0.0
LD M0.0
＝ Q0.0 给电动进气调节阀加上工作电源
LD M0.0
A SM0.1
S Q0.1 电动进气调节阀立即开至全开
LD M0.0
XORD AC0，AC0 清空累加器AC0
XORD AC1，AC1 清空累加器AC1
XORD AC2，AC2 清空累加器AC2
XORD AC3，AC3 清空累加器AC3
MOVW AIW6，AC3 把4号压力传感器信号（模拟量）存入累加器AC3
／I 4，AC3 取4号压力传感器信号量的1/4
MOVW AIW4，AC2 把3号压力传感器信号（模拟量）存入累加器AC2
／I 4，AC2 取3号压力传感器信号量的1/4
MOVW AIW2，AC1 把2号压力传感器信号（模拟量）存入累加器AC1
／I 4，AC1 取2号压力传感器信号量的1/4
MOVW AIW0，AC0 把1号压力传感器信号（模拟量）存入累加器AC0
／I 4，AC0 取1号压力传感器信号量的1/4
＋I AC1，AC0
＋I AC2，AC0
＋I AC3，AC0
ITD AC0，AC0 把16位整数转换成32位整数
DTR AC0，AC0 把32位整数转换成实数
／R 32000.0，AC0 标准化AC0中的值作为PID运算设定值SPn（0.0~1.0 之间）
LD SM0.1
A M0.0
CALL SBR_0 调用子程序
LDN I0.3
R Q0.1 电动进气调节阀立即全关
SBR_0
LD SM0.0
MOVR AC0，VD104 装入回路表设定值SPn（0.0~1.0之间）
MOVR Kc，VD112 装入回路增益Kc（比例常数）
MOVR 0.004，VD116 装入采样时间0.004s
MOVR Ti，VD120 装入积分时间Ti分钟
MOVR Td，VD124 装入微分时间Td分钟
MOVR 4，SMB34 设定定时中断0的时间间隔为4ms
ATCH INT_0，10 设置定时中断以定时执行PID指令
ENI 允许中断
LDN I0.3
CRET
INT_0
LD SM0.0
XORD AC0，AC0
XORD AC1，AC1
XORD AC2，AC2
XORD AC3，AC3
MOVW AIW6，AC3
／I 4，AC3
MOVW AIW4，AC2
／I 4，AC2
MOVW AIW2，AC1
／I 4，AC1
MOVW AIW0，AC0
／I 4，AC0
＋I AC1，AC0
＋I AC2，AC0
＋I AC3，AC0
ITD AC0，AC0 把16位整数转换成32位整数
DTR AC0，AC0 把32位整数转换成实数
／R 32000.0，AC0 标准化AC0中的值作为PID运算过程变量PVn（0.0~1.0之间）
MOVR AC0，VD100 将AC0中的值存入回路表VD100
LD I0.0
PID VB100，0 执行PID指令
LD SM0.0
MOVR VD108，AC0 把PID运算输出送到AC0（输出Mn，在0.0~1.0之间）
＊Ｒ 32000.0，AC0 将AC0中的值刻度化
ROUND AC0，AC0 四舍五入将实数转换成32位整数
DTI AC0，AC0 将32位整数转换成16位整数
MOVW AC0，AQW0 将16位整数值写到模拟量输出寄存器，去控制调节阀进气开度
LDN I0.3 上位机传送水力发电机组停机进程完毕
CRETI 中断返回
４．后语
在技术粗糙时代，抬机是水力发电机组尤其是低水头轴流转桨机组十分头疼的问题，随着高精度高新技术的出现，棘手问题便迎刃而解，我们要做的应当是追本溯源用高新技术去滲透处理解决水力发电生产中有一定普遍性的传统问题。
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水电厂名
东 江
葛洲坝小机
Kz值kg/cm2
Kz=4.03 kg/cm2 ；不易抬机
Kz=1.55 kg/cm2 ；易抬机
Δt＝0.015s
F=15,711,733 N；α=3.0136
F=37.389.200 N；α=3.0136
Δt＝0.01s
F=23,567,600 N；α=4.5204
F=56,083,800 N；α=4.5204
Δt＝0.005s
F=47,135,200；α=9.0408
F=112,167,600; α=9.0408
水电厂名
葛洲坝大机
三 峡
Kz值kg/cm2
Kz=1.49 kg/cm2 ；易抬机
Kz=3.28 kg/cm2 ；不易抬机
Δt＝0.015s
F=44,122,800 N；α=3.0136
F=73,833,333 N；α= 3.0136
Δt＝0.01s
F=66,184,200 N；α=4.5204
F=110,750,000 N；α= 4.5204
Δt＝0.005s
F=132,368,400 N；α=9.0408
F=221,500,000 N；α= 9.0408
可见Δt俞小，F俞大，冲击应力应变及材料疲劳问题使材料强度再大也难承受，特别是F传递到卡环凹处时就容易造成对主轴的破坏，材料强度大只不过承受碰撞的次数多些罢了，所以根治水力机组抬机十分必要。
2． 水力机组抬机根治的正确思路
文献[1]分析了传统的防抬机措施及其存在的原理性缺陷：即强迫式真空破坏阀由调速环下斜块速压而动作，阀之出气位置处顶盖下转轮室四周压力较高区，转轮室内进气量很小；自吸式真空破坏阀动作时已形成大真空度，加之水击波在t＝（2×25～2×50）／1000＝0.05～0.1秒后返回，入气位置虽佳仍进气极少；两段关闭导水叶法只能略微减轻不能消除转轮室-尾水管段水击，对解决大Kz值的机组抬机几乎无效，例如葛洲坝大江电厂14#机在1987年7月4日甩负荷抬机25mm。我们注意到转轮室-尾水管段水击是抬机的根本原因与症结所在，所以根治水力机组甩负荷抬机的正确思路是：机组甩负荷后为防转速飞逸要求导水叶快速关闭造成转轮室-尾水管段过水流量急剧下降时，为使转轮室-尾水管段不发生水击，应立即不延时自动向转轮室中心区域（压力较低区）补入与过水流量减小值相等的压缩空气流量（换算到转轮室压力状态下），以时刻维持转轮室压强在甩负荷前稳定流状态情况下。实现这一目标，利用高新技术是易行的，我们可以通过具有PID回路指令的可编程控制器（PLC）根据其CPU进行PID（比例-积分-微分）运算，再用PID运算输出控制电动调节阀调节进气量，重申控制目标就是：时刻维持转轮室压强与甩负荷前稳定流状态下压强一致。
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