大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組異音分析及處理

劉任改

（國(guó)能大渡河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司,四川 成都 610014）

0 引言

瀑布溝水電站位于四川省雅安市漢源縣和涼山州甘洛縣接壤處,是大渡河干流梯級(jí)規(guī)劃推薦的22 級(jí)方案中的第17級(jí)電站,裝設(shè)6 臺(tái)單機(jī)容量600 MW的大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組,其中發(fā)電機(jī)有東方電機(jī)股份有限公司生產(chǎn),型號(hào)為SF600-48/14200,轉(zhuǎn)子直徑13.11 m,轉(zhuǎn)子總重1210 t,額定轉(zhuǎn)速125 r/min,3臺(tái)水輪機(jī)由東方電機(jī)股份有限公司提供。另外3 臺(tái)水輪機(jī)由通用電氣亞洲水電設(shè)備有限公司（GE）公司提供。東方電機(jī)公司水輪機(jī)型號(hào)HLD416A-LJ-696,單機(jī)容量611 MW, 轉(zhuǎn)輪進(jìn)口直徑6.96 m,轉(zhuǎn)輪重量230 t,額定轉(zhuǎn)速125 r/ min,額定流量435 m3/s,額定水頭156.7 m,最大水頭181.7 m,最小水頭114.3 m,設(shè)計(jì)點(diǎn)吸出高度為-7.75 m,水輪機(jī)安裝高程661 m。瀑布溝水電站于2011 年1 月20 日全部投入運(yùn)行,機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定,從2018 年12 月檢修后,東方電機(jī)公司機(jī)組中有一臺(tái)在停機(jī)過(guò)程中出現(xiàn)異音現(xiàn)象,從機(jī)組導(dǎo)葉全關(guān),圓筒閥開(kāi)始關(guān)閉,水車室出現(xiàn)刺耳的異音。鑒此,本文對(duì)該異音產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。

1 異常現(xiàn)象

在2018年檢修期后,運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)瀑布溝6號(hào)機(jī)組在停機(jī)過(guò)程中每次均出現(xiàn)刺耳的異音。運(yùn)行人員通過(guò)分析不同時(shí)刻的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),在導(dǎo)葉全關(guān),圓筒閥關(guān)閉過(guò)程中,異音出現(xiàn),并且水車室異音最明顯。具體數(shù)據(jù)記錄見(jiàn)表1,表中記錄為某次停機(jī)過(guò)程中各部位振動(dòng)、擺度值隨轉(zhuǎn)速的變化情況,其中振擺單位為μm,壓力單位為kPa,其余次數(shù)停機(jī)情況均與表中情況相似。

表1 水車室各部振擺原始數(shù)據(jù)

從表1數(shù)據(jù)可以看出,雖然運(yùn)行人員聽(tīng)到刺耳異音很明顯,但是水車室各部的擺度、振動(dòng)值并沒(méi)有異常,表2 數(shù)據(jù)顯示機(jī)組各部壓力中蝸殼進(jìn)口壓力在70 r/min～30 r/min區(qū)間內(nèi)確實(shí)出現(xiàn)異常主頻,但其他部位壓力幅值、主頻正常,未能很好的判斷異音的來(lái)源。

表2 機(jī)組各部壓力原始數(shù)據(jù)

2 原因分析

大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中產(chǎn)生異音通?？梢苑譃殡姎猱愐?、機(jī)械異音、水力異音三大類,水力異音主要由水力振動(dòng)引起,機(jī)械異音主要由機(jī)械振動(dòng)、摩擦、碰撞等引起,電氣異音主要由電磁因素引起。通過(guò)大量水輪發(fā)電機(jī)組異音分析案例學(xué)習(xí)總結(jié),對(duì)于大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組的異常聲響原因分析基本上可以歸結(jié)為振動(dòng)分析。一般引起水輪發(fā)電機(jī)組振動(dòng)異音的原因有電氣、機(jī)械和水力因素[1-3]。

2.1 電氣因素

振動(dòng)異音的電氣因素是指振動(dòng)中的干擾力來(lái)自電磁力不平衡,其特征是振動(dòng)隨勵(lì)磁電流或者定子電流的增大而增大,且上機(jī)架處會(huì)比較明顯。瀑布溝電站6號(hào)機(jī)組在出現(xiàn)異音后,首先是上導(dǎo)擺度、上機(jī)架振動(dòng)值均未有明顯變化,其次異音并沒(méi)有隨著電流變化而相應(yīng)變化,可以排除電氣因素。

2.2 機(jī)械因素

振動(dòng)異音的機(jī)械因素是指振動(dòng)中的干擾力來(lái)自機(jī)械部分的慣性力、摩擦力及其他力,其特征是振動(dòng)頻率等于機(jī)組的轉(zhuǎn)動(dòng)頻率或整倍數(shù)的機(jī)組轉(zhuǎn)動(dòng)頻率,導(dǎo)軸承振動(dòng)大[4]。瀑布溝電站6號(hào)機(jī)組在出現(xiàn)異音后,首先是水導(dǎo)軸承擺度、頂蓋振動(dòng)值均未有明顯變化,其次電廠先后組織專業(yè)人員進(jìn)行轉(zhuǎn)輪室、頂蓋密封以及大軸補(bǔ)氣裝置檢查,均未發(fā)現(xiàn)異常。

2.3 水力因素

振動(dòng)的水力因素是指振動(dòng)中的干擾力來(lái)自水輪機(jī)水力部分的動(dòng)水壓力,其特征是帶有隨機(jī)性。常見(jiàn)的產(chǎn)生振動(dòng)的水力因素主要有：水力不平衡、空化空蝕、卡門渦流和尾水渦帶。

（1） 水力不平衡。具有位能和動(dòng)能的水流通過(guò)蝸殼的作用形成環(huán)流, 再通過(guò)分布均勻的固定和活動(dòng)導(dǎo)葉均勻地作用于轉(zhuǎn)輪,激發(fā)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。當(dāng)某個(gè)導(dǎo)葉被異物夾斷失去控制,使導(dǎo)葉開(kāi)度不同步時(shí),作用于轉(zhuǎn)輪的水流就會(huì)失去軸對(duì)稱性,產(chǎn)生一個(gè)不平衡的橫向力,引起轉(zhuǎn)輪振動(dòng)。瀑布溝水電站6號(hào)機(jī)的異常噪音是在導(dǎo)葉全關(guān)以后出現(xiàn),應(yīng)與水力不平衡無(wú)關(guān)。

（2）空化空蝕。在流動(dòng)的液體中,當(dāng)局部區(qū)域的壓力因某種原因而突然下降至與該區(qū)域液體溫度相應(yīng)的汽化壓力以下時(shí),部分液體汽化形成氣泡,氣泡隨液流進(jìn)入壓力較高的區(qū)域時(shí),就會(huì)潰滅,材料就會(huì)遭受巨大壓力的反復(fù)沖擊,從而引起疲勞破損甚至表面剝蝕。嚴(yán)重的會(huì)破壞水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪和尾水管等過(guò)流部件,并在尾水管內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的周期性噪聲和振動(dòng)。但從瀑布溝水電站6號(hào)機(jī)組異常聲響的特征判別,并不是由于空化空蝕所產(chǎn)生,因?yàn)榭栈瘴g所造成的破壞是微觀量的破壞,氣泡破裂撞擊金屬表面是隨機(jī)性的,因此所產(chǎn)生的噪音也是無(wú)規(guī)則的。

（3）卡門渦流?？ㄩT渦流是發(fā)生在擾流物體尾部的漩渦,是水流擾流物體表面時(shí)邊界層脫流而引起的。由于卡門渦流是交替從出流物體尾部排出,因此對(duì)出流物體會(huì)產(chǎn)生一個(gè)周期作用力,在水輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪葉片、活動(dòng)導(dǎo)葉、固定導(dǎo)葉尾部經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)。當(dāng)卡門渦流頻率與葉片某一階頻率一致時(shí),就會(huì)產(chǎn)生共振從而導(dǎo)致葉片裂紋及異常聲音[5-6]?？ㄩT渦流的頻率與流速和分離點(diǎn)厚度有關(guān),具體計(jì)算公式如下：

式中：f為卡門渦流頻率,Hz；C為常數(shù),對(duì)于混流式轉(zhuǎn)輪,一般取值為 S=0.2～0.25；為葉片出口邊緣的相對(duì)流速,m/s；為出口邊緣的厚度,m。

從計(jì)算公式中可以發(fā)現(xiàn),卡門渦流頻率與轉(zhuǎn)輪葉片邊沿流體流速有關(guān),流速越大,卡門渦流頻率越大,也就是是異音越強(qiáng)烈,并且卡門渦流一般為低頻。這與瀑布溝6號(hào)機(jī)組現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況不一致,初步判定葉片卡門渦不是誘發(fā)異常聲音的原因。

（4）尾水渦帶。尾水管內(nèi)渦帶是混流式和軸流式水輪機(jī)普遍存在的振源之一。尾水管內(nèi)的渦帶在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中不斷掃動(dòng)尾水管邊壁,會(huì)產(chǎn)生異常聲音。但尾水管內(nèi)渦帶的掃動(dòng)頻率相對(duì)較低,其周期與尾水管內(nèi)的壓力脈動(dòng)基本相同[7-8]。水輪機(jī)尾水管的壓力脈動(dòng)頻率一般計(jì)算公式為：

瀑布溝水電站6 號(hào)機(jī)組的額定轉(zhuǎn)速為125 r/min?？梢杂?jì)算出尾管渦帶的脈動(dòng)頻率的范圍約是21 次/min至41 次/min,而6號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪室異常聲音的頻率為900 Hz～100 Hz,明顯不符合,所以可以排除異音來(lái)源于尾水管壓力脈動(dòng)。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在產(chǎn)生水輪機(jī)異音的基本原因都被排除之后,為進(jìn)一步確認(rèn)異音來(lái)源,瀑布溝電站組織國(guó)能電科院專家及東方電機(jī)公司廠家進(jìn)行會(huì)診。經(jīng)過(guò)分析,認(rèn)為可以從正常停機(jī)、手動(dòng)停機(jī)兩個(gè)方面來(lái)試驗(yàn),同時(shí)在監(jiān)測(cè)水車室各部件振擺、壓力脈動(dòng)的情況下,在水車室X、Y向、尾水人孔門、蝸殼人孔門處增設(shè)噪音監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.1 正常停機(jī)

正常停機(jī)過(guò)程中,通過(guò)試驗(yàn)儀器監(jiān)測(cè)到各部振擺值沒(méi)有明顯變化,與先前電廠分析基本一致,噪音三維頻譜圖見(jiàn)圖1～ 圖4。

圖1 水車室噪音+X停機(jī)過(guò)程頻譜圖

圖2 水車室噪音+Y停機(jī)過(guò)程頻譜圖

圖3 蝸殼門噪音停機(jī)過(guò)程頻譜圖

圖4 尾水門噪音停機(jī)過(guò)程頻譜圖

從數(shù)據(jù)分析可以得出,水車室噪音測(cè)點(diǎn)最為明顯,發(fā)生異常噪音的范圍約為90 r～40 r（約為72%～32%nr（nr表示額定轉(zhuǎn)速））,頻率約為723 Hz,在發(fā)生異響的轉(zhuǎn)速區(qū)間,頻率變化量較小。在水車室出現(xiàn)異常噪音后,水車室兩個(gè)方向的噪音測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)到的噪音升壓未見(jiàn)增大的趨勢(shì),并且基本保持高頻,這進(jìn)一步驗(yàn)證了瀑布溝6號(hào)機(jī)組異音不是卡門渦引起。

3.2 手動(dòng)停機(jī)

為了了解流量對(duì)噪音的影響,停機(jī)過(guò)程采用手動(dòng)關(guān)閉導(dǎo)葉,第一次采用勻速手動(dòng)停機(jī),轉(zhuǎn)速?gòu)念~定降至20%nr,歷時(shí)約1000 s,停機(jī)過(guò)程中,未監(jiān)測(cè)到異常噪音。第二次采用非勻速手動(dòng)停機(jī),本次關(guān)閉導(dǎo)葉的順序?yàn)椋嚎蛰d開(kāi)度-5%-4%-3%-2%-1%-0。停機(jī)過(guò)程歷時(shí)1100 s,停機(jī)過(guò)程也未監(jiān)測(cè)到異常噪音。具體三維頻譜圖見(jiàn)圖5～圖8。

圖5 水車室噪音+X手動(dòng)停機(jī)過(guò)程頻譜圖

圖6 水車室噪音+X手動(dòng)停機(jī)過(guò)程頻譜圖

圖8 尾水門噪音手動(dòng)停機(jī)過(guò)程頻譜圖

從上面數(shù)據(jù)分析,當(dāng)機(jī)組手動(dòng)停機(jī),停機(jī)時(shí)間變長(zhǎng)的情況下,振擺數(shù)據(jù)沒(méi)有明顯變化,但對(duì)于阻止異常噪音產(chǎn)生有明顯的效果。通過(guò)多次試驗(yàn)與分析,目前瀑布溝電站6號(hào)機(jī)組已經(jīng)采取調(diào)節(jié)機(jī)組關(guān)閉時(shí)間來(lái)暫時(shí)控制異音。同時(shí)專家組一致認(rèn)為引起瀑布溝6號(hào)機(jī)組異常噪音的部件為固定部件的可能性較大,但是由于當(dāng)時(shí)處在汛期保供大發(fā)電期間,固定部件產(chǎn)生異常噪音的機(jī)理還有待于進(jìn)行下一步的研究。

4 結(jié)語(yǔ)

大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行中產(chǎn)生異音比較常見(jiàn),但是在停機(jī)過(guò)程中導(dǎo)葉關(guān)閉后產(chǎn)生異音還比較特殊。本文通過(guò)對(duì)瀑布溝水電站水輪發(fā)電機(jī)組異音產(chǎn)生原因的分析、試驗(yàn)及初步處理,對(duì)大型混流式水輪機(jī)異音產(chǎn)生的機(jī)理有了更加清晰的認(rèn)識(shí),對(duì)于如何消除機(jī)組異音提供了可以參考的解決方案。要特別指出的是,對(duì)大型混流式水輪發(fā)電機(jī)組異音產(chǎn)生的防治,不可能是千篇一律,而應(yīng)從機(jī)組的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)行環(huán)境、調(diào)保計(jì)算、工作狀態(tài)以及參數(shù)特性等多方面進(jìn)行綜合考慮。遇到異音問(wèn)題要結(jié)合自身情況具體分析,選擇采用不同的防治措施或解決方法,從而保證機(jī)組運(yùn)行的安全穩(wěn)定。