抽水蓄能電站水泵水輪機組及廠房振動規律研究

肖 微，韓承灶，陳 柳，任紹成，許亮華，曹衛華

（1．國網新源控股有限公司抽水蓄能技術經濟研究院，北京市 100052；2．中國水利水電科學研究院，北京市 100048）

0 引言

隨著我國抽水蓄能電站的不斷建設、投產運行，機組和廠房的各種振動問題逐漸暴露出來。以張河灣抽水蓄能電站為例[1～4]，自投產以來，滿負荷發電時，機組和廠房均存在強烈的振動，并伴有噪聲，對電站的安全運行和人員健康造成一定影響。以往機組的振動允許范圍由相應的振動規范加以限制，廠房主要依據水電站廠房設計規范對結構布置、靜力穩定、構件靜強度等開展設計，兩者之間相對獨立。隨著研究的深入，逐漸發現，廠房除開展整體結構共振復核外，更需關注局部結構，且局部結構的振源為機組的水力激振因素。通過對張河灣電站廠房振動的研究，認為無葉區壓力脈動幅值較大，且脈動中的2 倍葉片過流頻率與局部廠房結構的某階固有頻率接近，引發了共振，是該電站廠房振動過大的主要原因。雖然大家對機組和廠房的聯合振動問題已經有了一定的理解和認識，但目前國內學者研究的內容更多的還是集中于地下廠房結構的振動特性、針對特定電站開展廠房結構振動響應等[5～9]，本文擬在不同水頭段選取典型抽水蓄能電站，對不同容量、轉速、葉片組合形式的機組和廠房振動測試結果進行分析，旨在總結得到抽水蓄能電站機組和廠房振動的基本規律，為后續抽水蓄能電站的設計、建設、運行提供參考。

1 抽水蓄能電站A

抽水蓄能電站A 的水泵水輪機額定水頭為105.8m，額定轉速200r/min，單機容量150MW，轉輪葉片數為7，活動導葉數為20。

機組振動測點分別為上機架、下機架和頂蓋的+X、+Y、+XZ方向各布置1 個，壓力脈動測點分別為蝸殼進口1 個、尾水錐管1 個、無葉區2 個。

廠房振動測點分別為被測機組的發電機層樓板4 個，FP_1 ～FP_4。母線層樓板3 個，FG_1 ～FG_3；立柱2 個測點，PG_1 ～PG_2 ；風罩1 個測點，FZ_1。水輪機層樓板2 個測點，FT_1 ～FT_2；立柱1 個測點，PT_1。

1.1 機組振動測試結果

機組變負荷試驗的上下機架、頂蓋振動和壓力脈動變化曲線見圖1。上機架振動基本隨負荷增大而減小，X和Y向振動在80%負荷以后有上揚的趨勢。下機架X和Y向振動在40%～50%區間出現峰值，80%負荷以后上揚，XZ向振動則在80%負荷出現峰值后減小。頂蓋X和Y向振動與下機架基本一致，XZ向在50%和80%負荷出現兩個峰值。各測點壓力脈動整體隨負荷增大而減小，蝸殼進口和無葉區X向脈動在40%負荷以后變化幅度不大，Y向脈動在50%和80%負荷有兩個小的峰值，尾水錐管脈動在40%負荷出現明顯峰值后，逐漸減小。

圖1 A 電站機組振動變化趨勢Figure 1 The trend of vibration changes in the A pumped storage station unit

總體來看，機組大部分測點的振動和脈動在小于40%負荷區間相對較大，這是由于內部流動不穩定導致。在正常運行范圍內，存在兩個變化相對較大的區域，40%～50%負荷區和80%負荷，且大部分測點在80%負荷以上存在上揚趨勢。機組的頻率特性為，50%左右的部分負荷工況下，振動和壓力脈動主頻基本為0.75Hz，即轉頻3.33Hz 的0.225 倍，表明對機組產生主要影響的是尾水管渦帶。

1.2 廠房振動測試結果

廠房各測點振動響應隨負荷變化曲線見圖2。和機組振動情況相似，0 ～40%負荷區間，各測點振動響應均較大，個別測點在50%負荷左右出現峰值，且隨著負荷增大各點響應逐漸減小。80%負荷以上運行時，響應增大。

在50% 負荷以上區域，X和Y向振動響應立柱明顯高于樓板，Z向振動響應中有發電機層樓板的兩個測點相對較大，其次為立柱測點。結合頻率特性分析，機組轉頻為3.33Hz，葉片過流頻率為23.3Hz。低于40% 負荷區間，廠房結構振動主頻包含有3 倍過流頻率、2 倍過流頻率及其他倍頻。50% ～75% 負荷區間，各測點主頻基本為3倍過流頻率，其他成分明顯減少。隨著負荷增加，80% 負荷以上區域，振動頻率中增加了6 倍過流頻率，即更高倍頻的振動分量增大，導致廠房結構振動幅值出現一定程度的增加。

2 抽水蓄能電站B

抽水蓄能電站B 的水泵水輪機額定水頭為295m，額定轉速300r/min，額定功率306MW，轉輪葉片數為9，活動導葉數為20。

機組振動測點分別在上下機架、頂蓋的+X、+Y、+XZ方向各布置1 個，壓力脈動測點為球閥前1 個、蝸殼進口1 個、無葉區2 個、尾水錐管2 個。

廠房振動測點分別為發電機層樓板4 個，FP_1 ～FP_4。母線層樓板4 個，FG_1 ～FG_4；立柱2 個測點，PG_1 ～PG_2。水輪機層樓板2 個測點，FT_1 ～FT_4；立柱2 個測點，PT_1 ～PT_2。

2.1 機組振動測試結果

機組變負荷試驗的上下機架、頂蓋振動和壓力脈動變化曲線見圖3。各點振動和壓力脈動整體規律為隨負荷增加逐漸減小，在低于50%負荷區間，除頂蓋Y向振動以外，其余測點幅值均隨負荷增大明顯降低。50%負荷以上區域，幅值變化平緩。在90%～100%負荷區間，幅值略有增大。壓力脈動整體趨勢和振動相似，在小負荷區無葉區壓力脈動相對較大，50%負荷以上區域，無葉區和尾水管脈動相差不大，球閥前、后脈動相對較小，在滿負荷工況有所上升。50%負荷工況的脈動測點主頻為1.89Hz，轉頻5Hz 的0.378 倍，即尾水管渦帶頻率，振動信號中也有明顯反映。滿負荷工況下，球閥前、后壓力脈動主頻為90Hz，2 倍葉片過流頻率；無葉區脈動主頻為45Hz，葉片過流頻率；尾水管脈動主頻為180Hz，4 倍葉片過流頻率。各振動測點主頻中也含有明顯的90Hz 成分。

圖3 B 電站機組振動變化趨勢Figure 3 The trend of vibration changes in the B pumped storage station unit

2.2 廠房振動測試結果

廠房各測點振動響應隨負荷的變化曲線見圖4。低于50% 負荷區間，各測點振動響應隨負荷增加明顯減小；50%～80% 負荷區間，變化較小；80% ～100% 負荷區間，響應再次增大。整體來看，水輪機層的立柱振動響應最大。不同負荷下廠房振動主頻為90Hz，即2 倍葉片過流頻率。

圖4 B 電站廠房振動變化趨勢（二）Figure 4 The trend of vibration changes in the B pumped storage station power house（No．2）

3 抽水蓄能電站C

抽水蓄能電站C 的水泵水輪機額定水頭為308m，額定轉速333.3r/min，額定功率306.1MW，轉輪葉片數為9，活動導葉數為20。

機組振動測點分別在上下機架、頂蓋的+X、+Y、+XZ方向各布置1 個，壓力脈動測點為蝸殼進口1 個、蝸殼內1 個、無葉區1 個、頂蓋下2 個、尾水錐管1 個、尾水肘管1 個。

廠房振動測試在發電機層樓板布置5 個測點，FP_1 ～FP_5。母線層樓板布置5 個測點，FG_1 ～FG_5；樓梯布置1 個測點，ST；立柱布置3 個測點，PG_1 ～PG_3；上下游墻體和風罩墻體布置4 個測點，WG_1 ～WG_4。水輪機層樓板布置4 個測點，FT_1 ～FT_4；立柱布置1 個測點PT_1。蝸殼層立柱布置1 個測點PV_1，在PT_1 正下方。

3.1 機組振動測試結果

機組變負荷試驗的上下機架、頂蓋振動和壓力脈動變化曲線見圖5。各點振動和壓力脈動整體規律為隨負荷增加明顯減小，在0 ～50%負荷區間相對較大，80%負荷以上區域，再次增大。頂蓋下壓力脈動明顯高于蝸殼和尾水錐管。選取80%負荷工況的數據分析，機組內部共7 個測點的壓力脈動信號中均含有明顯的50Hz、100Hz 成分，其中100Hz 成分相對更加占優，即2 倍的葉片過流頻率。頂蓋垂直振動主頻為100Hz，上下機架的垂直振動信號中也含有明顯的50Hz 和100Hz 成分。

圖5 C 電站機組振動變化趨勢（二）Figure 5 The trend of vibration changes in the C pumped storage station unit（No．2）

圖5 C 電站機組振動變化趨勢（一）Figure 5 The trend of vibration changes in the C pumped storage station unit（No．1）

3.2 廠房振動測試結果

廠房各測點振動響應隨負荷變化曲線見圖6。重點分析了不同層樓板和樓梯的振動響應。整體來看，母線層的樓板、樓梯以及發電機層的樓板振動相對較大。50%負荷以后，廠房結構各測點的振動隨負荷變化平緩。在80%或90%以上負荷工況，振動有上揚趨勢。不同負荷下廠房振動主頻為100Hz，即2 倍葉片過流頻率。從現場實際感受出發，對滿負荷穩態運行工況的發電機層樓板振動進行詳細測試，共布置了156 個測點，測試結果顯示，各測點振動響應相差較大，最大的豎向振動響應達1.36g。分析其原因，是由于測試部位為發電機層樓板裝修層瓷磚，瓷磚與樓板的貼合緊密度不一致，部分出現脫空現象，瓷磚對發電機層樓板的振動響應起到了放大的作用。最大豎向振動響應位置的瓷磚已明顯出現脫空現象。各測點的振動主頻均為100Hz。

圖6 C 電站廠房振動變化趨勢（二）Figure 6 The trend of vibration changes in the C pumped storage station power house（No．2）

圖6 C 電站廠房振動變化趨勢（一）Figure 6 The trend of vibration changes in the C pumped storage station power house（No．1）

4 號機組發電機層樓板豎向振動響應測點布置及振動幅值情況如圖7、圖8 所示。

圖8 4 號機組發電機層樓板豎向振動幅值Figure 8 Vertical vibration amplitude of generator floor slab of Unit 4

4 抽水蓄能電站D

抽水蓄能電站D 的水泵水輪機額定水頭為430m，額定轉速428.6r/min，額定功率333MW，轉輪葉片數為9，活動導葉數為20。

機組振動測點分別為上下機架、頂蓋的+X、+Y、+Z方向各1 個；壓力脈動測點為蝸殼進口1 個、無葉區2 個、頂蓋下1 個、尾水錐管1 個。

廠房振動測點分別為發電機層樓板4 個測點，FP_1 ～FP_4。母線層樓板4 個測點，FG_1 ～FG_4；立柱2 個測點，PG_1 ～PG_2；風罩1 個測點，FZ_1；樓梯1 個測點，ST_1。水輪機層樓板2 個測點，FT_1 ～FT_2；立柱1 個測點，PT_1。

4.1 機組振動測試結果

機組變負荷試驗的上下機架、頂蓋振動變化和壓力脈動變化曲線見圖9。低于50%負荷區，除上機架的X和Y向振動隨負荷增加略有減小外，其余振動幅值在50%負荷工況達到一個峰值。高于50%負荷區，除上機架Z向振動隨負荷增加而增大，至70%負荷工況達到峰值后下降；其余測點振動均隨負荷增加而減小；90%負荷及以上區域，振動幅值再次增大。振動主頻基本為128.5Hz，2 倍葉片過流頻率。各壓力脈動測點幅值基本隨負荷增加而降低，90%～100%高負荷區內略有上升。蝸殼進口脈動主頻為128.6Hz，2 倍葉片過流頻率；無葉區脈動主頻包括葉片過流頻率及其2 倍頻和轉頻；尾水錐管進口和頂蓋下脈動在小負荷工況主頻為2.5 ～2.6Hz的渦帶頻率，其他工況基本為轉頻。

圖9 D 電站機組振動變化趨勢Figure 9 The trend of vibration changes in the D pumped storage station unit

4.2 廠房振動測試結果

廠房各測點振動響應隨負荷變化的曲線見圖10。整體來看，水輪機層和母線層的立柱振動響應相對較大，水輪機層樓板的Z向響應也較大。50%負荷以后，廠房結構各測點的振動隨負荷變化平緩。在90%以上負荷工況，振動幅值再次增大。水輪機層的Z向振動幅值變化規律略有不同，隨負荷增加始終增大，從80%負荷開始，明顯上升。不同負荷下廠房振動主頻基本保持為128Hz，即2 倍葉片過流頻率。

圖10 D 電站廠房振動變化趨勢（二）Figure 10 The trend of vibration changes in the D pumped storage station power house（No．2）

圖10 D 電站廠房振動變化趨勢（一）Figure 10 The trend of vibration changes in the D pumped storage station power house（No．1）

5 分析與討論

不同水頭段的抽水蓄能電站機組和廠房振動測試數據反映出，機組和廠房結構振動隨負荷的變化趨勢基本一致，即在50%以下的小負荷區，振動幅值隨負荷增大而減小；在50%～80%負荷區，振動幅值變化趨緩；在80%以上負荷區，振動幅值再次增大。

對于水泵水輪機而言，無葉區動靜干涉引起的壓力脈動和尾水管渦帶引起的壓力脈動是機組在50%～100%負荷運行區內的主要水力振源。不僅引發機組結構部件的振動，且通過蝸殼進一步傳播至廠房結構。本文選擇的中高水頭段抽水蓄能電站B ～D 雖然水頭、轉速、容量有差異，但葉片數和導葉數的組合均為9 和20，而低水頭段的抽水蓄能電站A為7 和20 的組合。從測試結果來看，B ～D 電站廠房結構振動主要是由2 倍葉片過流頻率脈動壓力引起，A 電站則有所不同，部分負荷區間廠房結構振動主頻為3 倍葉片過流頻率，隨負荷增加，振動頻率中增加了6 倍過流頻率。由此可見，廠房結構的振動主要是由葉片過流頻率的倍頻成分脈動壓力引起，但和葉片數與導葉數的組合密切相關。鑒于所掌握的數據有限，后續可繼續對不同葉片數和導葉數組合的抽水蓄能電站開展深入研究。

廠房局部結構中各層的立柱需要重點關注，在所測得的數據中，立柱振動響應相對較大，可進一步通過結構自振頻率測試及仿真計算等，開展共振復核。除此之外，對于電站實際感受明顯，如樓板、樓梯等振動強烈的情況，需具體分析傳遞和響應路徑上特殊的影響因素。類似于本文中的C 電站，由于瓷磚和樓板間的緊密度不均甚至達到脫空狀態，對發電機層樓板的振動響應直接起到了放大的作用。

6 結論

本文通過對不同水頭段的抽水蓄能電站機組、廠房振動測試結果分析研究，總結了水泵水輪機組和廠房局部結構振動的基本規律，明確了引發廠房局部結構振動的因素為葉片過流頻率壓力脈動的倍頻分量。得到的結論及后續展望如下：

（1）機組和廠房局部結構的振動變化趨勢大體一致，整體隨負荷增加逐漸減小，小負荷區振動幅值較大，部分負荷區振動趨緩，在接近滿負荷區時振動略有增大。

（2）所測數據中，廠房局部結構的立柱振動相對較大，應予以關注。對于具體電站的分析，可綜合考慮傳遞和響應路徑上的具體影響因素，如裝修層問題等，可能對振動響應會有放大的作用。

（3）廠房局部結構振動的振源為機組的水力激振，主要因素是葉片過流頻率壓力脈動的倍頻分量。對于葉片數和導葉數為9 和20 的機組，激振頻率基本為2 倍葉片過流頻率。

（4）鑒于測試數據有限，對于不同葉片數和導葉數組合的機組及廠房振動的研究有待于進一步開展，總結規律。