某抽水蓄能電站尾水事故閘門(mén)啟閉機(jī)油缸振動(dòng)原因分析與處理

馮鋼聲

（湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北省羅田縣 438600）

某抽水蓄能電站尾水事故閘門(mén)啟閉機(jī)油缸振動(dòng)原因分析與處理

馮鋼聲

（湖北白蓮河抽水蓄能有限公司，湖北省羅田縣 438600）

本文對(duì)某抽水蓄能電站尾水事故閘門(mén)啟閉機(jī)油缸振動(dòng)原因分析與處理進(jìn)行介紹，可為類(lèi)似啟閉機(jī)油缸減振提供借鑒。

抽水蓄能；啟閉機(jī)油缸；振動(dòng)

0 引言

在電力系統(tǒng)中抽水蓄能電站具有調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相、緊急事故備用和黑啟動(dòng)等多種功能。由于抽水蓄能電站布置上的特殊性，機(jī)組安裝高程很低，Hs負(fù)值較大，其尾水位遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于廠房，尾水事故閘門(mén)的主要功能就是及時(shí)阻斷下水庫(kù)及尾水隧洞的水流，以便于機(jī)組的檢修，在緊急情況下，可動(dòng)水關(guān)閉，防止下庫(kù)水流淹沒(méi)廠房，因此尾水事故閘門(mén)能否正常工作，直接關(guān)系到電站的安全運(yùn)行。

1 尾水事故閘門(mén)啟閉機(jī)油缸振動(dòng)原因分析

某抽水蓄能電站尾閘室布置了4臺(tái)套事故閘門(mén)及其啟閉系統(tǒng)，電站投入運(yùn)行后發(fā)現(xiàn)閘門(mén)啟閉機(jī)油缸均存在振動(dòng)問(wèn)題，油缸長(zhǎng)期振動(dòng)勢(shì)必引起構(gòu)件疲勞，導(dǎo)致設(shè)備故障，危及生產(chǎn)安全。為了解決此問(wèn)題，當(dāng)年委托武漢大學(xué)對(duì)振動(dòng)較大的4號(hào)事故閘門(mén)啟閉機(jī)油缸進(jìn)行了振動(dòng)檢測(cè)，機(jī)組運(yùn)行工況分別為發(fā)電機(jī)空負(fù)荷、發(fā)電機(jī)帶150MW負(fù)荷、發(fā)電機(jī)帶200MW負(fù)荷、發(fā)電機(jī)帶250MW負(fù)荷、發(fā)電機(jī)帶300MW滿負(fù)荷和抽水，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)如表1～表4所示。

表1 4號(hào)閘門(mén)頂部尾水脈動(dòng)水壓力實(shí)測(cè)結(jié)果表

表2 4號(hào)尾水閘門(mén)油缸及其周邊振動(dòng)位移幅值表 mm

表3 4號(hào)尾水閘門(mén)啟閉機(jī)油缸及其周邊振動(dòng)速度表 mm/s

表4 4號(hào)尾水閘門(mén)啟閉機(jī)油缸實(shí)測(cè)自振頻率表 Hz

從測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出：

（1）閘門(mén)頂部尾水管脈動(dòng)水壓力在發(fā)電機(jī)空負(fù)荷運(yùn)行時(shí)最大（3.98m）、滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)最?。?.47m），脈動(dòng)壓力大致隨著荷載增加而減少；機(jī)組抽水運(yùn)行時(shí)脈動(dòng)壓力較?。?.77m）；尾水脈動(dòng)水壓力主要頻域?yàn)?.19～2.89Hz。

（2）啟閉機(jī)油缸振動(dòng)位移主要是順流向（X向），該方向的振動(dòng)位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)方向的振動(dòng)位移；啟閉機(jī)油缸振動(dòng)位移分布為：頂部振動(dòng)>中部振動(dòng)>底部振動(dòng)；頂部最大振動(dòng)位移達(dá)到40.97mm，振動(dòng)主要頻域?yàn)?.69～2.79Hz。

（3）啟閉機(jī)油缸振動(dòng)速度主要是順流向（X向），該方向的振動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)方向的振動(dòng)速度；閘門(mén)啟閉機(jī)油缸振動(dòng)速度分布為：頂部振動(dòng)>中部振動(dòng)>底部振動(dòng)；頂部最大振動(dòng)速度達(dá)到692.95mm/s，振動(dòng)主要頻域?yàn)?.69～2.79Hz。

（4）機(jī)組在發(fā)電和抽水運(yùn)行時(shí)，啟閉機(jī)油缸周邊環(huán)境基本不振，表明閘門(mén)的運(yùn)行并不會(huì)對(duì)樓板結(jié)構(gòu)造成影響。

（5）啟閉機(jī)油缸前三階自振頻率范圍是2.79～18.89Hz，其中第一階頻率為2.79Hz。啟閉機(jī)油缸的自振頻率與水流脈動(dòng)所檢測(cè)到的頻域比較可知，兩者比較接近，油缸所產(chǎn)生的振動(dòng)是閘門(mén)尾水脈動(dòng)干擾力作用下的有阻尼強(qiáng)迫振動(dòng)，其振動(dòng)幅值比較大，油缸已出現(xiàn)共振現(xiàn)象。

（6）啟閉機(jī)油缸振動(dòng)主要頻域?yàn)?.69～2.79Hz，與實(shí)測(cè)尾水脈動(dòng)壓力主要頻域1.19～2.89Hz和閘門(mén)油缸實(shí)測(cè)自振頻率2.79Hz基本吻合。這說(shuō)明：尾水水流脈動(dòng)是引起閘門(mén)啟閉機(jī)油缸振動(dòng)的主要原因。

閘門(mén)啟閉機(jī)油缸振動(dòng)理論分析：

（1）啟閉機(jī)油缸第一階的頻率為2.79Hz，該頻率與實(shí)測(cè)尾水脈動(dòng)壓力頻率1.19～2.89Hz比較接近，而2～6階頻率為13.32～71.50Hz，該區(qū)段的頻率遠(yuǎn)高于水流脈動(dòng)頻率。

（2）根據(jù)閘門(mén)干擾力幅值與油缸頂部振幅內(nèi)在關(guān)系，反演出：?jiǎn)㈤]機(jī)油缸頂部最大振幅40.97mm所對(duì)應(yīng)的閘門(mén)干擾力幅值為43.70kN，可以近似認(rèn)為這個(gè)力是閘門(mén)傳遞給活塞桿下端吊環(huán)的最大水平動(dòng)荷載。

（3）啟閉機(jī)油缸大幅振動(dòng)時(shí)，動(dòng)應(yīng)力的幅值盡管不會(huì)直接導(dǎo)致油缸活塞桿結(jié)構(gòu)疲勞破壞，但由于振幅過(guò)大，啟閉機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)引起附屬管線、密封圈、關(guān)鍵結(jié)點(diǎn)等零部件的損壞，嚴(yán)重影響到油缸活塞桿的結(jié)構(gòu)安全可靠度。

（4）增加約束后，啟閉機(jī)油缸基礎(chǔ)振型發(fā)生了改變，自由振動(dòng)頻率顯著提高，第一階頻率由原來(lái)的2.79Hz提高到14.2Hz（上端約束），大大增加了油缸的剛度，動(dòng)力系數(shù)有效地降為：

此時(shí)動(dòng)力荷載作用效果相當(dāng)于靜力荷載，可以避免啟閉機(jī)油缸產(chǎn)生共振的現(xiàn)象。

圖1 減振措施布置示意

圖1 減振措施布置示意（續(xù)）

（5）增加約束后，啟閉機(jī)油缸最大水平振幅發(fā)生在中部，其值為0.30mm（活塞桿下端吊環(huán)振幅為0.49mm），油缸底部最大動(dòng)應(yīng)力為17.69MPa，活塞桿底部最大動(dòng)應(yīng)力為23.59MPa，從振幅和動(dòng)應(yīng)力兩個(gè)方面都可以看出：油缸上部增加約束措施后，可以取得了很好的減振效果。

2 減振措施

在啟閉機(jī)油缸頂部增加約束，這有兩個(gè)作用:

（1）提高油缸結(jié)構(gòu)的自振頻率，加大油缸自振頻率與動(dòng)力荷載干擾頻率（主頻1～3Hz）的差值，以避免共振并減小結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)系數(shù)。

（2）通過(guò)增加油缸的約束來(lái)提高結(jié)構(gòu)抗變形的剛度，減少?gòu)?qiáng)迫振動(dòng)幅值，從而改變動(dòng)力荷載作用下的變形。

具體方案如下：在閘門(mén)油缸的上部設(shè)置一個(gè)檢修平臺(tái)，該平臺(tái)中間預(yù)留一圓孔保證油缸頂部自由穿過(guò)，圓孔周邊聯(lián)接一套活動(dòng)約束機(jī)構(gòu)以便對(duì)油缸頂部進(jìn)行水平徑向約束，布置位置示意圖詳見(jiàn)圖。

4號(hào)事故閘門(mén)啟閉機(jī)油缸加裝了減振措施后，也分別對(duì)發(fā)電機(jī)空負(fù)荷、發(fā)電機(jī)帶150MW負(fù)荷、發(fā)電機(jī)帶200MW負(fù)荷、發(fā)電機(jī)帶250MW負(fù)荷、發(fā)電機(jī)帶300MW滿負(fù)荷和抽水，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，數(shù)據(jù)分析如表5～表8所示。

表5 4號(hào)閘門(mén)頂部尾水脈動(dòng)水壓力實(shí)測(cè)結(jié)果表

注： 1.A表示水壓脈動(dòng)的幅值；f1、f2表示分頻；A1、A2表示分頻下的半幅值。

2.油缸上端限位：只限制油缸上端大位移，測(cè)試時(shí)限位裝置對(duì)小位移不起作用。

表6 4號(hào)尾水閘門(mén)油缸及其周邊振動(dòng)位移幅值表 mm

表7 4號(hào)尾水閘門(mén)啟閉機(jī)油缸及其周邊振動(dòng)速度表 mm/s

表8 4號(hào)尾水閘門(mén)啟閉機(jī)油缸實(shí)測(cè)自振頻率表 Hz

實(shí)施后，從測(cè)試的數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出：

閘門(mén)油缸上端采取限位減振措施后，閘門(mén)啟閉機(jī)油缸前三階自振頻率范圍提升到15.09～48.39Hz，大大增加了油缸的剛度，其中第一階自振頻率提高到15.09Hz，避免了啟閉機(jī)油缸產(chǎn)生共振的現(xiàn)象，油缸振動(dòng)位移和振動(dòng)速度明顯減小，機(jī)組空負(fù)荷運(yùn)行時(shí)尾水事故閘門(mén)啟閉機(jī)油缸振動(dòng)由原來(lái)的大幅振動(dòng)該變?yōu)槲⒎駝?dòng)，取得了很好的減振效果。采用弧形彎板及橡膠墊對(duì)液壓油缸作柔性連接，附加作用力小，能夠減小對(duì)缸體的危害，啟閉機(jī)油缸的上部設(shè)置一個(gè)檢修平臺(tái)，便于對(duì)液壓?jiǎn)㈤]機(jī)油缸的檢修維護(hù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

抽水蓄能電站一般采用地下廠房布置，尾水隧洞較長(zhǎng)，一旦發(fā)生尾水肘管和機(jī)組中心體發(fā)生破損事故，就會(huì)產(chǎn)生大量漏水，當(dāng)尾水事故閘門(mén)不能正常關(guān)閉，將危及廠房安全，雖然采取了減振措施，但是由于設(shè)計(jì)原因，造成了建設(shè)成本增加。下一步還需加強(qiáng)尾水事故閘門(mén)及啟閉機(jī)運(yùn)行維護(hù)，盡量減少機(jī)組空負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間，確保尾水事故閘門(mén)系統(tǒng)安全可靠，同時(shí)加強(qiáng)后續(xù)項(xiàng)目尾水事故閘門(mén)及啟閉機(jī)設(shè)計(jì)審查，務(wù)必使閘門(mén)油缸的自振頻率與水流脈動(dòng)頻率不在同一范圍，以免產(chǎn)生共振。

馮鋼聲，男，本科，工程師，從事生產(chǎn)管理工作。E-mail:gangsheng- feng@sgxy.sgcc.com.cn

Vibration Causes Analysis and Treatment of the Tail Water Gate Hydraulic Cylinder for a Pumped Storage Power Station

FENG Gangsheng
（Hubei Bailianhe Pumped Storage Co.，Ltd.，Luotian 438600,China）

In this paper，the vibration causes and treatment of the tail water accident gate of a pumped storage power station are introduced，in order to provide references for similar hoist cylinder shock absorption.

pumped storage; hydraulic cylinder; vibration