張河灣抽蓄電站3號機組異常振動分析與處理

唐擁軍，樊玉林

（國網(wǎng)新源控股有限公司技術中心，北京 100161）

1 研究背景

張河灣抽水蓄能電站位于河北省石家莊市井陘縣測魚鎮(zhèn)附近的甘陶河干流上，距石家莊市區(qū)距離為53 km，安裝4臺單機容量為250 MW的抽水蓄能機組，電站接入河北南網(wǎng)，在系統(tǒng)中擔負調(diào)峰填谷、調(diào)頻調(diào)相和緊急事故備用等任務。自機組投入運行后，電站廠房樓板一直存在著強烈的振動并伴有高頻噪聲，這不僅對廠房結(jié)構(gòu)有一定的破壞作用，還可能會影響儀器設備的正常運行、導致設備損壞和錯誤動作，對設備安全存在很大的隱患。后來在經(jīng)過詳盡的測試分析和有限元仿真計算后，確認是水泵水輪機的轉(zhuǎn)輪與導葉之間動靜干涉產(chǎn)生的壓力脈動造成了局部廠房結(jié)構(gòu)的共振，考慮到改變廠房結(jié)構(gòu)的固有頻率很困難以及現(xiàn)轉(zhuǎn)輪的壓力脈動較大，于是決定采用更換轉(zhuǎn)輪的方式來消除過大的廠房振動。轉(zhuǎn)輪優(yōu)化設計的思路是轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)不變，通過減小無葉區(qū)壓力脈動的幅值即激振能量的方式來消除過大的廠房振動。2017年首臺3號機組進行了水泵水輪機轉(zhuǎn)輪的更換。在轉(zhuǎn)輪更換改造后進行了相關調(diào)試試驗，試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)廠房振動過大的問題得到成功解決，不過在準備甩75%負荷試驗的升負荷過程出現(xiàn)了異常振動和嗡嗡蜂鳴聲。常規(guī)混流式水輪機曾多次出現(xiàn)過類似現(xiàn)象，例如云南大朝山和三峽右岸電站等，機組在一定負荷區(qū)間也出現(xiàn)異常振動和高頻蜂鳴聲，后經(jīng)診斷為轉(zhuǎn)輪葉片出水邊卡門渦頻率與轉(zhuǎn)輪葉片固有頻率相近而誘發(fā)的共振現(xiàn)象[1-3]，這威脅機組的安全。為快速故障定位及制定下一步調(diào)試試驗工作計劃，需及時對出現(xiàn)異常振動的信號進行分析。本文對出現(xiàn)的異常振動現(xiàn)象在時域、頻域及時頻聯(lián)合進行了詳細的分析，并對后續(xù)處理的效果進行了介紹。

2 機組調(diào)試

2.1 機組基本參數(shù)機組基本參數(shù)如表1所示。

表1 機組基本參數(shù)

2.2 甩負荷試驗簡介甩負荷試驗目的之一是用來檢查過渡過程的水力特性是否滿足合同要求，此外檢查甩負荷過程是否存在異常振動現(xiàn)象。主要關注參數(shù)有機組轉(zhuǎn)速上升率、蝸殼水壓上升率和尾水管真空等[4-5]。

3號機組甩負荷試驗測點布置有有功功率、轉(zhuǎn)速、導葉開度、球閥開度、蝸殼進口壓力、無葉區(qū)壓力、頂蓋壓力、轉(zhuǎn)輪出口壓力、尾水管壓力、三部導軸承處主軸擺度、機組振動等。

甩負荷試驗按照甩25%、50%、75%和100%額定負荷的順序進行。甩25%與50%額定負荷過程未出現(xiàn)異常振動現(xiàn)象，而在上庫水位804.1 m，下庫水位472.3 m，毛水頭331.8 m條件下，準備進行甩75%負荷試驗的升負荷過程中出現(xiàn)了異常振動現(xiàn)象，詳細情況如下所述。

2.3 異常振動現(xiàn)象3號機組先在100 MW負荷工況穩(wěn)定運行了一段時間，然后升負荷準備進行甩75%負荷試驗，當負荷升至180 MW穩(wěn)定一段時間后出現(xiàn)了異常振動和嗡嗡蜂鳴聲，在180MW負荷觀察近兩分鐘時間，隨后降負荷至100 MW左右，為了確認當前水頭下異常振動出現(xiàn)的負荷點及大致負荷范圍，再次緩慢升負荷（考慮到180 MW負荷振動劇烈，升負荷未超過180 MW），當負荷升至170 MW穩(wěn)定一段時間后再次出現(xiàn)了異常振動和噪聲。升降負荷過程有功功率與壓力量時域變化波形如圖1所示，可見從120 MW緩慢升負荷的過程中，壓力脈動先隨著負荷的增大而減小，在負荷大于160 MW后壓力脈動出現(xiàn)明顯增大的現(xiàn)象，轉(zhuǎn)輪出口壓力脈動增大幅度最為明顯。頂蓋水平與垂直振動幅值變化趨勢如圖2所示，在160 MW、170 MW和180 MW的3個穩(wěn)態(tài)負荷工況點均出現(xiàn)了振動突然增大的現(xiàn)象，且180 MW負荷工況振動最為強烈，其中頂蓋水平振動有效值為2.3 mm/s，頂蓋垂直振動有效值為4.8 mm/s，于是停機對上述升降負荷過程信號進行分析。

圖1 升降負荷過程有功功率與壓力量時域變化波形

3 異常振動問題分析與處理

3.1 分析方法簡介對異常振動信號（包括壓力脈動與機組振動）進行時域、頻域及時域聯(lián)合分析，得到振動信號的時域幅值、頻域幅值譜和時頻聯(lián)合分布信息。結(jié)合機械、水力和電氣因素對抽蓄機組振動的影響方式及特性，從而確定產(chǎn)生異常振動的原因。

3.2 異常振動原因分析抽水蓄能機組的振動主要由水力、機械和電氣三種因素共同作用而產(chǎn)生的[6]。上述異常振動現(xiàn)象只在負荷大于160 MW后出現(xiàn)，由此可知不是機械和電氣因素引起的，而是水力因素造成的，且與過機流量存在關系。水力因素主要有尾水管渦帶、導葉和轉(zhuǎn)輪之間動靜干涉產(chǎn)生的壓力脈動、轉(zhuǎn)輪迷宮間隙壓力脈動、導葉出口脫流、葉片過流不均以及卡門渦列等[7]，頻率成分表現(xiàn)為1/5～1/3倍轉(zhuǎn)頻（轉(zhuǎn)頻為333.3/60=5.55 Hz）、轉(zhuǎn)頻及其倍頻、葉片過流頻率（葉片數(shù)×轉(zhuǎn)頻=9×5.55=49.95 Hz）及其倍頻和導葉過流頻率（導葉數(shù)×轉(zhuǎn)頻=20×5.55=111.1 Hz）及其倍頻，卡門渦頻率不是定值，可用如下公式計算得到[8]：

圖2 升降負荷過程有功功率與頂蓋振動幅值變化趨勢

式中： f為卡門渦頻率；Sr為斯特勞哈數(shù)，對于混流式水輪機常取值0.22～0.25；v為卡門渦脫離處的相對流速；d為卡門渦脫離處的特征尺寸，通常為轉(zhuǎn)輪葉片出水邊的厚度加邊界層的厚度。

下面先對升降負荷過程中無葉區(qū)壓力脈動與轉(zhuǎn)輪出口壓力脈動進行時頻聯(lián)合分析，如圖3和圖4所示，由圖3可知，無葉區(qū)壓力脈動主要頻率成分為50 Hz的葉片過流頻率及其2倍和3倍頻，在100 MW～120MW負荷范圍還有比較雜亂的小于50 Hz的頻率成分。在發(fā)生異常振動時，突然出現(xiàn)了202 Hz、196.5 Hz、152.2 Hz和168.8 Hz這4個異常頻率成分，且202 Hz幅值最大、196.5 Hz幅值次之。由圖4可知，轉(zhuǎn)輪出口壓力脈動主要頻率成分為25 Hz左右及其3倍、5倍和7倍頻以及100 Hz的2倍葉片過流頻率。在100 MW～120 MW負荷范圍還有比較雜亂的小于25 Hz的頻率成分。在發(fā)生異常振動時，突然出現(xiàn)了202 Hz、196.5 Hz、163.2 Hz、152.2 Hz和168.8 Hz這5個異常頻率成分，且202Hz幅值最大、196.5 Hz幅值次之，這與無葉區(qū)壓力脈動相一致。不過，轉(zhuǎn)輪出口壓力脈動中的202 Hz幅值比無葉區(qū)壓力脈動中的要大，轉(zhuǎn)輪出口202 Hz分量幅值為0.12 MPa，無葉區(qū)的為0.046 MPa，這表明振源位于轉(zhuǎn)輪出口附近，很可能位于轉(zhuǎn)輪葉片出水邊。

180 MW負荷工況，頂蓋水平與垂直振動的頻域幅值譜如圖5所示，頂蓋水平與垂直振動主要頻率成分也為202 Hz、196.5 Hz、152.2 Hz、168.8 Hz和163.2 Hz。這與轉(zhuǎn)輪出口壓力脈動非常一致。

根據(jù)上述分析，可以判定異常振動是由轉(zhuǎn)輪葉片出水邊的卡門渦頻率與轉(zhuǎn)輪的固有頻率相接近而引發(fā)的水力共振現(xiàn)象[9]。這對于160MW至180 MW之間非穩(wěn)態(tài)工況（運行時間短，小于10秒）未出現(xiàn)異常振動可以給出合理解釋：卡門渦頻率與轉(zhuǎn)輪固有頻率相近，卡門渦對轉(zhuǎn)輪葉片做正功，由于時間短，做功能量未能激發(fā)共振，而此時負荷增大或減小，卡門渦頻率變化，相位也發(fā)生變化，使得做功方向發(fā)生變化，葉片上的振動能量不增反減，從而未出現(xiàn)異常振動現(xiàn)象。

圖3 無葉區(qū)壓力脈動時頻分布

圖4 轉(zhuǎn)輪出口壓力脈動時頻分布

圖5 頂蓋振動頻域幅值譜

為了進一步證實上述分析判斷，后來在發(fā)生異常振動的工況下進行了高壓補氣測試，通過無葉區(qū)壓力測壓管路補氣后異常振動消失，這是因為高壓氣體對卡門渦形成了破壞作用。此外，轉(zhuǎn)輪制造廠家利用有限元計算了轉(zhuǎn)輪在水中的固有頻率，其中有兩階固有頻率與196.5 Hz和202 Hz相接近，如下圖6所示，最大振動區(qū)域位于葉片出水邊中部。綜上可見上述分析判斷是正確的。

圖6 轉(zhuǎn)輪固有頻率計算結(jié)果

圖7 處理后頂蓋振動頻域幅值譜

3.3 處理及效果后來對轉(zhuǎn)輪葉片出水邊進行了修型處理，修型后頂蓋振動頻域幅值譜如下圖7所示，202 Hz與196.5 Hz異常振動頻率成分幅值大幅減小，異常振動現(xiàn)象消失?？ㄩT渦誘發(fā)的共振問題得到成功解決。

4 結(jié)論

（1）張河灣抽蓄電站3號機組在更換水泵水輪機轉(zhuǎn)輪后進行了一系列的調(diào)試試驗，在準備甩75%負荷試驗升負荷的過程中，出現(xiàn)了異常振動和嗡嗡蜂鳴聲。異常振動主要頻率成分為202 Hz和196.5 Hz，180 MW負荷工況振動最為強烈，其中頂蓋水平振動有效值達到了2.3 mm/s，頂蓋垂直振動有效值達到了4.8 mm/s，嚴重威脅機組的安全穩(wěn)定運行。經(jīng)分析異常振動是轉(zhuǎn)輪葉片出水邊的卡門渦頻率與轉(zhuǎn)輪的固有頻率相接近而引發(fā)的水力共振現(xiàn)象，在對葉片出水邊進行修型處理后，卡門渦共振問題得到成功解決。

（2）張河灣抽蓄電站對轉(zhuǎn)輪進行優(yōu)化改造后，過大廠房振動和高頻噪聲問題得到了成功解決，不過發(fā)生了卡門渦引發(fā)的水力共振現(xiàn)象，這在國內(nèi)乃至國外的抽水蓄能電站均為首次。這對大型水泵水輪機的水力設計有著重要的借鑒作用。水泵水輪機具有運行水頭高、轉(zhuǎn)速快和雙向旋轉(zhuǎn)的特點，通過水力優(yōu)化設計可以降低水壓脈動從而提高機組的運行穩(wěn)定性，然而，應注意避免發(fā)生卡門渦共振等次生問題。

（3）對于過渡過程，采用時頻聯(lián)合分析非常具有優(yōu)越性，它可以直觀地顯示信號的時頻分布情況。抽水蓄能機組啟停頻繁，工況轉(zhuǎn)換多，因此，對抽水蓄能機組而言，采用時域、頻域和時頻聯(lián)合分析是評價機組運行狀態(tài)和診斷分析故障原因行之有效的方法。