沙河抽水蓄能机组动平衡试验

郁谢栋，李德敏

（江苏沙河抽水蓄能发电有限公司，江苏 溧阳 213333）

1 基本概述

沙河抽水蓄能电站（简称沙河电站）由两台50 MW的可逆式水泵水轮机组成，采取机变单元接线方式，通过220 kV正母线、由单回沙茶4 576线路经溧阳茶亭变接入江苏电网。1号机组转轮生产厂家为哈尔滨电机厂有限责任公司，发电机生产厂家为法国ALSTOM，额定转速为300 r/min，发电电动机额定容量为50 MW，设计最高水头121 m，设计最低水头100.5 m，额定水头97.7 m，机组安装高程为-8 m，单台机组发电额定流量为60.8 m3/s，单台机组最小扬程抽水流量53.7 m3/s。

沙河电站机组轴系由转子支架、发电电动机主轴、水泵水轮机轴和转轮组成。轴系在径向方向上受到上导、下导和水导三部导轴承的束缚。上导、下导和水导单边安装间隙为0.23 mm，活动导叶数为20只，转轮叶片数为7个。

振动、摆度特性是评价抽水蓄能机组运行性能的重要指标，也是机组设计、制造和安装质量优劣的最直观体现。动平衡试验是水电机组调试过程中的重要环节，是为了解决机组转动过程中由于转子质量不平衡引起的机械振动问题，以提高试验机组的稳定性。本文主要讲述了在沙河抽水蓄能电站1号机组更换转轮后，转子轴系动平衡发生变化，可能造成转子重量失衡，需重新开展动平衡配重。通过动平衡配重，精准找出平衡点，在经动平衡配重之后，1号机组振动、摆度等主要运行参数得到了大幅改善，综合运行水平优于投产初期及上一轮A修后水平，达历史最优，对机组长期安全稳定运行意义重大。

2 试验概述

2.1 试验目的

为解决1号机组更换转轮后不平衡引起机组振摆超标的问题，科学评价1号机组A修效果。

2.2 试验方法

动平衡配重基于转子径向振动幅值与不平衡离心力成正比的原理，通过测量转子径向摆度和相位计算并确定转子不平衡离心力的大小和相位，依此对转子立筋进行配重。现场动平衡计算方法采用影响系数法，该方法思想基于转子激励与响应在一定范围呈线性，其激励和响应是纯数学关系。

2.3 试验标准

1号机组的振动测试数据采用ISO 7919－5标准进行评价，该标准下，300 r/min的水轮机组在稳态运行时的轴系振动等级分区见表1。

表1 300 r/min水轮发电机组轴系振动考核标准（峰-峰值）

2.4 试验工况

对1号机组的主要测试工况为空转工况、空载工况、发电带负荷工况、SFC拖动工况和抽水工况。

2.5 测点位置

振动测试对象为1号机组。振动试验测点为1号机组的上导、下导及水导处两个互相垂直的X、Y水平方向共6个测点的大轴相对振动，键相信号1个，所有测试点信号均来自于电站已有的机组振动数据采集系统。

3 振动和摆度测试结果分析和处理

（1）1号机组A修回装完成后，于2021年5月31日机组首次转动，转速达到额定转速的5%后，对1号机组各部位进行声音监听以及外观检查，无任何异常后，运行约3 min后停机。

（2）机组停稳后，再次发电方向手动启动，转速逐渐上升，最后到达100%额定转速，稍后进行过速试验，转速最高到达130%额定转速后停机。

（3）以上两次启机期间，对机组振动摆度进行连续监测，监测数据表明，1号机组转动部件虽然存在一定量的不平衡，但其在发电空转工况下振动和摆度幅值并不是非常大，完全可以满足机组稍后的电气试验要求。因此，经调试组研究决定，暂时不做动平衡，先将电气试验完成，待机组在抽水方向旋转的振动和摆度数据均完成采集后，结合转子正转和反转的数据，综合考虑动平衡试验。

（4）6月1日进行了发电机开路试验和短路试验后，进行发电空载试验。空转和空载试验期间，各测点摆度和振动数据见表2。

（5）从表2中的摆度数据可以看出，机组空载比空转工况下稍微稳定一些，但1倍频幅值相差不大；无论是空转还是空载工况，机架和顶盖的振动无明显区别，但机架和顶盖振动通频值比较大，其振动主要成分是高倍频所致，1倍频幅值并不是很大。对机架1倍频幅值进行换算，无论是空转还是空载工况下，其1倍频幅值最大约为23μm。对上导和下导摆度进一步分析，发现上导和下导摆度存在非常大的反向不平衡量，即存在比较大的力偶不平衡。

表2 动平衡前1号机组发电空转和空载工况下各测点数据

（6）1号机组在完成电气试验后，于6月1日由SFC拖动，转速正常上升，转速达到额定值后，保持该状态约5 min后停机。期间，对1号机组摆振进行实时监测。SFC拖动期间，1号机组振摆幅值见表3，各测点趋势见图1所示。

图1 1号机组动平衡前SFC拖动额定转速下各测点摆度趋势

表3 动平衡前1号机组SFC拖动工况下各测点数据

（7）从图1和表3中的数据可以看出，SFC拖动机组时，摆度时大时小，并不是非常稳，而且表3中的数据也显示机组转动部件1倍频分量和发电空转、空载时差不多，存在一定的不平衡量。由于SFC拖动时，摆度幅值时高时低，而且相差比较大，因此，其计算出来的相位也极其不稳定，以至于无法判断其相位的大致范围。

（8）为此，在对1号机组进行动平衡时，主要以发电方向空转和空载的数据作为依据。6月2日，1号机组开展动平衡试验，基于历史数据的分析和统计，并参考机组具体结构，决定在发电机转子11号磁极处上部加20.4 kg配重块。配重块安装完毕且机组隔离恢复后，1号机组发电工况自动启动空载运行，转速达到额定值300 r/min后稳定运行约5 min后停机。期间，对1号机组各摆度振动测点进行连续监测，各摆度和振动幅值见表4。

表4 第一次动平衡后1号机组空载工况下各测点数据

（9）对比动平衡前1号机组空载时的数据，发现上导摆度略微变小的同时下导摆度增大得比较多，究其原因，是因为平衡块质量比较大所致。经再次计算，将原位置的20.4 kg配重块更换为7.8 kg。配重块安装完毕，且隔离措施恢复后，自动开机，1号机组发电至空载操作，达到额定转速300 r/min后进入空载工况，该工况下连续运行约5 min后停机。机组运行期间，对1号机组各摆度振动测点进行连续监测，各摆度和振动幅值见表5。

（10）从表5中的数据得知，上导、下导和水导摆度1倍频幅值（除上导Y方向外）均比较小，而且都差不多大小。对比动平衡前各测点摆度幅值，上导摆度1倍频幅值有大幅度降低，下导摆度1倍频幅值略微降低。对其数据进行深入分析，发现上导与下导摆度的相位基本呈相反，也就是说发电机转子上下呈力偶不平衡状，鉴于目前1号机组的结构以及目前上导和下导1倍频幅值数值，动平衡试验达到预期效果。

表5 第二次动平衡后1号机组空载工况下各测点数据

（11）6月5日，1号机组在甩100%负荷前，满负荷发电工况运行，期间对其摆度和振动进行了连续监测。各摆度和振动幅值见表6、表7。

表6 第二次动平衡后1号机组满负荷发电工况下各测点数据

表7 第二次动平衡后1号机组满负荷抽水工况下各测点数据

续表7

（12）从以上数据来看，1号机组无论是发电工况还是泵工况下运行非常平稳，机组摆度通频幅值整体处于ISO7919－5标准规的A区振动水平，“可不加限制地运行”。至此，1号机组A修后动平衡试验正式结束，动平衡试验达到预期效果。

4 振动、摆度特性评价

1号机组经A修后，机组虽存在比较大的不平衡力，但经动平衡后，各测点摆度均大幅度下降。无论是发电工况运行还是抽水工况运行，机组摆度1倍频幅值整体处于ISO7919-5标准规定的A区范围，“可不加限制地运行”。修后上导摆度分别比投产初期、首轮A修后、本次A修前降低19%、24%、43%；下导摆度分别降低35%、39%、54%；水导摆度变化不大，与修前基本持平；顶盖振动分别降低37%、58%、21%；尾水管振动分别降低75%、30%、60%；A修后在机组100%甩负荷试验时发电机层盖板上竖立一元硬币不倒。由此可见，机组振动、摆度等主要运行参数得到了大幅改善，综合运行水平优于投产初期及上一轮A修后水平，达历史最优，对机组长期安全稳定运行意义重大。

5 结论

通过沙河抽水蓄能电站1号机组动平衡试验以及相关振动、摆度问题的分析和处理，总结如下：

（1）SFC拖动时，摆度幅值时高时低，相差比较大，其计算出来的相位也极其不稳定，以至于无法判断其相位的大致范围。因此，在对1号机组进行动平衡时，主要以发电方向空转和空载的数据作为依据。

（2）通过两次试配，上导摆度1倍频幅值有大幅度降低，综合判断机组结构、转子上下呈力偶不平衡现状和配重后上导、下导1倍频幅值大小，配重达到预期效果。

（3）发电机设计时，需考虑到配重块的固定，避免在转子磁极处上部焊接配重块。

（4）目前抽水蓄能机组没有专门的安装规范，对转动部件的安装、轴线的调整应结合设备制造厂和相关安装标准严格要求。