质量不平衡分析诊断在高水头高转速水轮机组上的应用

摘 要：高水头，高转速水轮机组已成为水轮机组的发展趋势，导致机组更容易产生稳定性问题，因此更加有必要对其进行在线监测。对于高水头，高转速机组，质量不平衡故障是一种常见故障，本文列举了在线监测系统在分析高水头，高转速机组质量不平衡故障上的一些应用。

关键词：高水头，高转速，水轮机组，在线监测系统，质量不平衡

1.概述

水轮机组是水电厂的关键设备，机组运行状态的好坏直接影响水电厂的安全运行，水电机组在电网调度调峰上发挥了十分重要的作用[1]。近年来，随着水轮发电机组的设计越来越向高水头、高转速发展，对机组稳定性的要求也越来越高，同时由于在设计中对机组高效的追求，也会对机组的稳定性有一定的影响，导致机组更容易产生稳定性问题[2]。因此，对于高水头，高转速的水电机组，更有必要对其进行状态监测，同时要对机组进行更全面的监测，这样才能更准确的把握机组的运行状态。

本文案例中使用的数据全部来自于北京中元瑞讯有限公司所研制的GMH550型水力机组状态监测系统的测量数据。通过对水轮机和发电机的振动、摆度、轴向位移、压力脉动、空气间隙等运行状态进行实时监测，同时具备分析与诊断功能，通过对机组状态进行监测分析，制作相应的状态报告，尽早发现潜伏性故障，提出预警，避免发生严重事故，保证机组的安全、经济运行，同时利用其数据和处理结果，综合计算机监控系统等信息和专家知识，进行故障分析及诊断（包括数据共享和远方诊断），实时掌握水轮发电机组健康状况。

2.在高水头，高转速机组上监测质量不平衡的必要性

旋转机械的不平衡力是指其转动部分的机械不平衡力，是由旋转机械转动部分质量分布不对称造成的不对称离心力，它遵循以下关系式：

（2-1）

其中，Fl为离心力，m为不平衡质量，？棕为旋转角速度，e为不平衡质量的偏心距[3]。

从式（2-1）中可以看出，不平衡力与不平衡的质量m以及不平衡质量的偏心距e成正比，与旋转角速度？棕的平方成正比。由于机组在加工安装过程的误差，机组实际运行时，总会或多或少存在不平衡质量偏心距，即会导致公式（2-1）的e≠0，对于高转速的机组，由于其额定转速较高，故公式（2-1）中的？棕值很大，这会导致即使很小的不平衡力都会被放大很多，故对于高转速机组更容易出现质量不平衡力这种故障。

另外，根据经验，对于水轮发电机组，大于300r/min的转速的机组，需要按“动不平衡”的情况对待，即机组既存在力不平衡，还存在力偶不平衡，力偶不平衡的关系式如下所示：

=0 （2-2）

式中m为转动部分的质量；e为不平衡质量的偏心距；？棕为转动部分旋转的角速度；I2XZ、I2YZ为对应离心力的转动惯量[3]。

从式（2-2）中可以看出，力偶不平衡量也是同旋转角速度？棕的平方成正比，同离心力的转动惯量成正比，因此对于高转速的机组，力偶不平衡影响也是不可忽视的一部分。

通常，对于水轮发电机组，机组转速在300r/min以上的水轮机组可看做是高转速水轮机组，对于抽水蓄能机组，其额定转速通常都在300r/min以上，因此对于抽水蓄能机组的质量不平衡，其质量不平衡的分析也较为复杂，要按照“动不平衡”对待，即要同时满足公式（2-1）和（2-2），才能保证机组的稳定运行。

对于高水头，高转速的水轮机组，特别是抽水蓄能机组，机组在设计上要同时兼顾抽水工况和发电工况两种不同的工况，质量不平衡的表象会出现一些特殊的状况，较低转速机组或常规机组会复杂得多，例如：

（1）检修和运行中的磨损，会导致推力头和轴颈配合发生松动，使得机组的稳定性和安全性发生变化。这种情况下，引起强迫振动的力已不是一个质心稳定的只与转速平方成正比的关系的离心力，而是多种机械不平衡力（包括由推力头松动而形成的机械不平衡力）的相互叠加，表现为在特定工况下，机组运行时的动态轴线姿态会发生突然变化，机组的振动、摆度忽大忽小，1X分量相位经常有突变，呈不稳定状态。此后机组转速上升过程中，当转速稳定时，摆度、振动的测值和相位趋于稳定。但此后当轴系受到的外力（包括离心力、水不平衡力）发生改变时，极易发生摆度的突变和方位的改变。但随着机组并网发电带负荷，向下的轴向水推力越来越大，推力头与轴径之间的相对运动位置越来越趋于稳定，机组摆度振动也表现得越来越稳定。

（2）理想状态下，对于抽水蓄能机组来说，质量不平衡对机组的影响在发电工况与抽水工况应该是一致的，但是对于高转速机组，受设计与安装制造误差的影响，质量不平衡对机组的影响在发电工况与抽水工况通常是有偏差的。

3.案例

河南回龙抽水蓄能电站1#机组，额定功率60MW，最大水头416m，额定转速750r/min。

机组升速过程中各测点的1X数值情况：

在升速过程中，机组上导、下导摆度的1X分量并不呈现单调的增大或减小，而是忽大忽小，变化很大，变化值约268μm；在 80%Nr ～ 90%Nr 时，机组1X相位变化非常明显，上导X摆度1X相位变化了约100°，上导Y摆度1X相位变化了约48°，下导X摆度1X相位变化了约56°，下导Y摆度1X相位变化了约45°；机组上机架振动1X随转速上升呈增大趋势，增大值约94μm，上机架振动相位变化约300°。

图3.1 80%Nr 轴线姿态 图3.2 90% Nr 轴线姿态

表3-2 不同转速下轴直线度变化

结合图3.1与图3.2以及表3.2发现，在升速过程中，轴线姿态始终在变化，从30%Nr到100%Nr，大轴的弯曲角变化了约100°，大轴直线度随转速的上升呈现反复变化的趋势，在60%Nr～70%Nr时，大轴直线度变化了32.5μm，大轴弯曲角变化了34°，机组在不平衡力作用下机组轴线姿态呈现了无规律变化情况。

4.结论

对于目前的高水头，高转速的抽水蓄能机组，由于设计与安装制造方面的误差，导致机组容易产生稳定性问题，因此更需要的对其进行在线监测。同时高水头，高转速机组发生的质量不平衡状况较低转速机组或常规机组相比更为复杂，因此对在线监测系统的监测要求也更高，需要通过在线监测系统对各参数进行更全面的监测，同时结合工况参数综合分析，才能对高水头，高转速机组的质量不平衡有更为全面的评价。

参考文献

1.刘世勋.水轮机状态监测系统开发与故障分析研究[D].哈尔滨工业大学.2013.

2.何志锋.水电机组状态监测及数据分析系统开发研究[D].华中科技大学.2011.

3.李启章.关于水轮发电机组的动平衡[R].水轮发电机组动平衡交流提纲，2009.2.20.

作者简介：蔡建鹏（1976～），男，河南南阳人，国网新源控股有限公司回龙分公司运检部副主任，中级工程师，从事水力发电厂生产管理方面的工作。