质量不平衡分析诊断在高水头高转速水轮机组上的应用

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1、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

2、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。5　　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

3、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

4、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

5、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]。5　　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

6、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

7、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

8、越来越稳定。5　　（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