抽水蓄能機(jī)組無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)改善與廠房減振研究

桂中華 ，郭旭東， 歐陽(yáng)金惠，肖業(yè)祥

（1. 國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心，北京市 100161;2. 河北張河灣蓄能發(fā)電有限責(zé)任公司，石家莊市 050300;3. 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院 流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京市，100048 4. 清華大學(xué) 水沙科學(xué)與水利水電工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 & 能源與動(dòng)力工程系，北京市100084）

0 引言

張河灣電站安裝4臺(tái)25萬(wàn)kW單級(jí)混流可逆式水泵水輪機(jī)組，電站主體工程于2003年12月6日正式開工建設(shè)，第一臺(tái)機(jī)組于2007年12月30日并網(wǎng)發(fā)電，2009年2月20日四臺(tái)機(jī)組全部投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)[1]。機(jī)組自投產(chǎn)以來(lái)，在發(fā)電工況，特別是滿負(fù)荷時(shí)存在強(qiáng)烈的振動(dòng)和噪聲，劇烈的振動(dòng)不僅對(duì)結(jié)構(gòu)有一定的破壞作用，而且導(dǎo)致設(shè)備損壞和錯(cuò)誤動(dòng)作，對(duì)設(shè)備安全存在很大的隱患[2]。本文通過對(duì)機(jī)組和廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析，發(fā)現(xiàn)無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)大是引起廠房振動(dòng)的根本原因，最終通過降低無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)，尤其是2倍葉片過流頻率分量的激振能量達(dá)到了減振的目的。

1 廠房振動(dòng)原因分析

為了查找分析張河灣電站廠房振動(dòng)原因，本文選擇3號(hào)機(jī)組，進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試分析。張河灣電站3號(hào)機(jī)組轉(zhuǎn)輪名義直徑為4.641m、轉(zhuǎn)輪葉片數(shù) 9片、固定導(dǎo)葉數(shù) 20個(gè)、活動(dòng)導(dǎo)葉數(shù)20個(gè)、額定轉(zhuǎn)速333.3r/min，葉片過流頻率50Hz；電站額定水頭305m、最大毛水頭346m、最小毛水頭291m。由于張河灣電站發(fā)電工況的振動(dòng)較為嚴(yán)重，下面將主要針對(duì)發(fā)電工況開展分析。

1.1 變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)分析

3號(hào)機(jī)組變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)時(shí)毛水頭317.89m，圖1為機(jī)架振動(dòng)峰峰值隨轉(zhuǎn)速的變化、圖2為壓力脈動(dòng)幅值隨轉(zhuǎn)速的變化。表1為不同轉(zhuǎn)速下廠房振動(dòng)的主頻。根據(jù)以上測(cè)試結(jié)果分析可知：

圖1 機(jī)架振動(dòng)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系Figure 1 The relation between bracket vibration and rotation speed

（1）隨著轉(zhuǎn)速的上升，機(jī)組的振動(dòng)及壓力脈動(dòng)峰峰值均隨轉(zhuǎn)速增加而增大，轉(zhuǎn)速由297.3r/min增大至額定轉(zhuǎn)速333.3r/min時(shí)，機(jī)組的穩(wěn)定性參數(shù)增幅顯著。

（2）廠房振動(dòng)主頻基本是葉片數(shù)的2倍。

通過已有的水力振源分析，無(wú)葉區(qū)的脈動(dòng)壓力主頻一般為機(jī)組轉(zhuǎn)頻乘以葉片的倍頻，因此，通過變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)可以初步判斷，張河灣電站的廠房振動(dòng)與無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)密切相關(guān)[3][4]。

圖2 壓力脈動(dòng)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系Figure 2 The relation between pressure pulsation and rotation speed

表1 機(jī)組變轉(zhuǎn)速?gòu)S房振動(dòng)主頻Table 1 Main frequency of plant vibration with variable rotation speed of unit

1.2 變勵(lì)磁試驗(yàn)分析

由于張河灣轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)為9，機(jī)組轉(zhuǎn)速333.3(r/min)，葉片過流頻率為50Hz，與電網(wǎng)頻率一致。不排除廠房與電磁力發(fā)生共振的可能性，為此下面分析了機(jī)組空載變勵(lì)磁試驗(yàn)振動(dòng)測(cè)試結(jié)果。圖3和圖4分別為機(jī)組振動(dòng)、廠房振動(dòng)與勵(lì)磁電流的關(guān)系曲線。根據(jù)測(cè)試結(jié)果分析可知：隨著勵(lì)磁電流的增大，機(jī)組振動(dòng)和廠房振動(dòng)沒有明顯的變大趨勢(shì)，可以排除廠房與電磁力發(fā)生共振的可能性。

圖3 機(jī)架振動(dòng)與勵(lì)磁電流關(guān)系Figure 3 The relation between bracket vibration and excitation current

圖4 廠房振動(dòng)與勵(lì)磁電流關(guān)系Figure 4 The relation between plant vibration and excitation current

1.3 變負(fù)荷試驗(yàn)分析

毛水頭323m左右條件下，不同負(fù)荷下廠房振動(dòng)幅值主頻變化情況見圖5和圖6。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析可知：

（1）該試驗(yàn)水頭下，升負(fù)荷過程，廠房振動(dòng)隨負(fù)荷增加而增大，尤其是負(fù)荷大于190MW后，廠房振動(dòng)幅值明顯增大。其中水輪機(jī)層和中間層樓板振動(dòng)相對(duì)最大，250MW負(fù)荷時(shí)，中間層樓板振動(dòng)有效值為4.1mm/s，水輪機(jī)層樓板振動(dòng)有效值為2.7mm/s，這是因?yàn)橹虚g層與水輪機(jī)層更接近水力激振源。

（2）廠房振動(dòng)主要頻率成分為100Hz的兩倍葉片過流頻率、50Hz的葉片過流頻率及其他倍頻。

圖5 廠房振動(dòng)幅值與負(fù)荷的關(guān)系Figure 5 The relation between vibration amplitude and load

圖6 廠房振動(dòng)頻率與負(fù)荷的關(guān)系Figure 6 The relation between vibration frequency and load

1.4 廠房結(jié)構(gòu)固有頻率分析

圖7張河灣廠房風(fēng)洞層固有頻率測(cè)試結(jié)果分析表明，風(fēng)洞層結(jié)構(gòu)主頻約51Hz，同時(shí)存在100Hz附近的固有頻率成分；圖8水機(jī)層固有頻率測(cè)試的結(jié)果分析表明，水輪機(jī)層樓板主頻約52Hz，同時(shí)存在100Hz附近的固有頻率成分。

圖7 風(fēng)洞層頻譜分析（f=50.78Hz）Figure 7 Spectral analysis of wind tunnel floor (f= 50.78Hz)

圖8 水機(jī)層頻譜分析（f=51.63Hz）Figure 8 Spectral analysis of turbine floor (f= 51.63Hz)

綜合以上的分析可知，廠房振動(dòng)隨負(fù)荷的增加而增大，且其主頻成分為兩倍葉片過流頻率100Hz。同時(shí)風(fēng)洞層樓板和水輪機(jī)樓板中存在接近100Hz的高階固有頻率，與兩倍葉片過流頻率100Hz相接近，表明局部廠房結(jié)構(gòu)易發(fā)生共振，并引起廠房結(jié)構(gòu)發(fā)生強(qiáng)迫振動(dòng)。因此，張河灣電站廠房振動(dòng)過大的主要原因是水力因素（無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)）引發(fā)的廠房結(jié)構(gòu)局部共振[5-7]。

2 機(jī)組改造及廠房減振效果

共振現(xiàn)象是激振頻率與結(jié)構(gòu)部件的固有頻率一致或相近，且激振能量足夠的條件下才發(fā)生的。因此，解決廠房振動(dòng)過大可有三種思路，其一是改變廠房結(jié)構(gòu)的固有頻率，其二是改變水力振源的頻率，其三是不改變水力振源的頻率，而減小水力振源的激振能量[8][9]。考慮到改變廠房結(jié)構(gòu)的固有頻率較為困難，于是從改變水力振源入手。改變水力振源的頻率也即改變轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)，這有可能會(huì)引發(fā)未知的問題，經(jīng)過多方論證后采用了第三種處理思路，即降低水力振源的激振能量。新轉(zhuǎn)輪由GE水電設(shè)計(jì)制造，并對(duì)舊轉(zhuǎn)輪進(jìn)行更換改造處理。

3號(hào)機(jī)組改造后，進(jìn)行了機(jī)組發(fā)電方向變負(fù)荷試驗(yàn)，試驗(yàn)毛水頭約為320.7m。改造前后無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)對(duì)比見圖9。改造前后廠房振動(dòng)對(duì)比曲線見圖10。

圖9 新舊轉(zhuǎn)輪無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)對(duì)比Figure 9 The comparison of pressure pulsation of vaneless zone for the old and new runner

圖10 改造前后廠房樓板振動(dòng)幅值對(duì)比Figure 10 The comparison of vibration of plant floor before and after the re-modification of runner

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知：改造后機(jī)組滿負(fù)荷工況無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)由原來(lái)的近8%下降到2.2%，改造后機(jī)組壓力脈動(dòng)比改造前明顯變小；中間層樓板振動(dòng)有效值從4mm/s下降到0.6mm/s，廠房振動(dòng)有效值較改造前大幅降低，100Hz引起的廠房共振問題得到成功解決。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)幅值較大，且脈動(dòng)中兩倍葉片過流頻率（100Hz）與局部廠房結(jié)構(gòu)（風(fēng)洞層與水輪機(jī)層立柱）某階固有頻率接近，易引發(fā)局部廠房結(jié)構(gòu)共振，是張河灣電站廠房振動(dòng)過大的主要原因。

（2）從減小水力振源的激振能量入手，對(duì)張河灣電站3號(hào)機(jī)轉(zhuǎn)輪進(jìn)行了改造，改造前后廠房振動(dòng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表明，改造后機(jī)組無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)明顯下降，廠房振動(dòng)有效值較改造前大幅降低，成功解決了無(wú)葉區(qū)壓力脈動(dòng)引起的廠房共振問題。