秘魯查格亞水電站機組穩定性分析評價

吳 凡

（湖北清江水電開發有限責任公司，湖北 宜昌443000）

秘魯查格亞水電站距離首都利馬415km，位于安第斯山脈中部以東Huallaga河流域，裝機容量45.6萬kW，為徑流式日調節電站，年利用小時數5509h，年設計發電量25.19億kW·h，壩址以上流域面積7150km2，壩址多年平均流量164.35m3/s，機組滿發流量153.16m3/s，大壩采用混凝土面板堆石壩，壩頂高程1204m，最大壩高211m，壩頂長度274m，正常蓄水位1196m，庫容3.55億m3，調節庫容225萬m3，于2011年5月開工建設，2016年9月投入商業運營。電站包括2臺22.5萬kW的立式混流水輪機組和1臺0.6萬kW的臥式混流水輪機組，針對新投運的電站機電設備，本研究對機組振動與穩定性進行了系統全面的現場測試和分析評價。

1 技術參數

電站的相關技術參數見表1，本文的分析研究基于瑞典SKF公司2017年底對電站2臺立式混流水輪機組進行的振動測試數據，現場振動測試設備及軟件如表2。

表1 振動測試相關機組技術參數

表2 振動測試設備及軟件

2 傳感器布置

本次振動及穩定性測試在上、下、水導軸承，推力軸承，定子鐵心，定子基座，上機架，下機架，頂蓋，以及發電機蓋板處共布置了19支傳感器，相應傳感器布置位置如圖1，不同類型傳感器分布如表3、表4。

圖1 傳感器布置示意圖

表3 Bentley傳感器清單

表4 SKF傳感器清單

3 分析依據

本文的振動測試及穩定性分析評價依據國家標準和國際標準進行，鑒于GB/T 6075.5-2002在非旋轉部件上測量和評價機器的機械振動 第5部分：水力發電廠和泵站機組，在技術內容上與ISO 10816.5-2000 Mechanical vibration - Evaluation of machine vibration by measurements on non-rotating parts Part 5:Machine sets in hydraulic power generating and pumping plants 相同，GB/T 11348.5-2008旋轉機械轉軸徑向振動的測量和評定 第5部分：水力發電廠和泵站機組，在技術內容上與ISO 7919.5-2005 Mechanical vibration - Evaluation of machine vibration by measurements on rotating shafts Part 5:Machine sets in hydraulic power generating and pumping plants相同，本文統一采用國家標準GB/T 6075.5-2002、GB/T11348.5-2008，結合GB/T 7894-2009水輪發電機基本技術條件以及GB/T 8564-2003水輪發電機組安裝技術規范，完成機組的振動分析及穩定性評價。

對照GB/T 6075.5-2002，查格亞的立式混流機組為第3類機組，其軸承座全部安裝在基礎上，對于其軸承座絕對振動的測量，通常用慣性傳感器測量振動速度均方根值Vrms，單位為mm/s，或者通過積分后得到振動位移峰峰值Sp-p，單位為μm，若忽略支架的振動響應，也可將位移傳感器固定在剛性支架上直接測量振動位移峰峰值Sp-p，通常測量上游方向以及與之成90°夾角的方向，如果分別用振動速度和位移劃定區域邊界值，評價時應采用更嚴格的測量量[1]，標準如表 5、表 6。

表5 GB/T 6075.5-2002對機組軸承座最大振動幅值的區域劃分

表6 GB/T 6075.5-2002推薦的第3類機器的評價區域邊界值

根據GB/T 11348.5-2008，鑒于立式水輪機轉軸振動軌跡的特殊性，推薦測量值為相對振動位移最大值Smax，由于大多數測量系統以測量方向上的振動位移峰峰值Sp-p顯示，所以位移幅值評定準則由兩種測量值確定，分析評價時盡量避開低負荷和超負荷的非正常運行工況以及開機和停機過程中的瞬態運行工況，盡量選擇穩態運行工況下主要承載軸承處沿徑向方向測得的轉軸振動值[2]，標準如表7。

表7 GB/T 11348.5-2008對機組轉軸最大振動幅值的區域劃分

根據查格亞機組技術參數和本次振動測試的試驗設備，對于機組轉軸的振動，即擺度測量評價采用振動位移峰峰值Sp-p，對應于圖2大區A-B與大區C-D的邊界值為245μm，區域A與區域B的邊界值為145μm，區域C與區域D的邊界值為480μm。

綜合上述軸承座振動和轉軸振動國家標準GB/T 6075.5-2002、GB/T 11348.5-2008，本文的振動測試及穩定性分析評價限值如表8。

圖2 GB/T 11348.5-2008對機組轉軸振動位移的推薦評價區域界限

表8 本文采用的振動測試及穩定性分析評價標準

另外，GB/T 8564-2003水輪發電機組安裝技術規范以及GB/T 7894-2009水輪發電機基本技術條件對立式水輪發電機組運行過程中的各部位振動雙振幅值有相應限值[3-4]如表9，查格亞機組轉速為300r/min，電網頻率為60Hz，對應于表中的限值分別為頂蓋水平振動50μm，頂蓋垂直振動60μm，軸承支架垂直振動50μm，軸承支架水平振動70μm，定子鐵心基座水平振動20μm，定子鐵心振動（120Hz）參照表中100Hz雙振幅值取30μm。

表9 GB/T 8564-2003立式水輪發電機組各部位振動允許值，Sp-p，mm

4 測試過程

1號機組振動測試于2017年12月6日進行，具體為14:42開始，16:34結束，持續時間112min，涵蓋了機組開機、空轉、空載、同期并網、帶不同負荷的全過程，負荷工況下選擇了50%、60%、70%、80%、90%、100%的不同測點。2號機組振動測試于2017年12月5日～6日進行，具體為22:32開始，00:26結束，持續時間114min，涵蓋了機組帶不同負荷、解列、空載、空轉、停機的全過程，負荷工況下選擇了100%、90%、80%、70%、60%、50% 的 不 同 測 點。具體測試時點如表10、表11，測試工況曲線如圖3。

表10 1號機組振動測試工況列表

表11 2號機組振動測試工況列表

5 分析評價

1號機組現場測試部分數據記錄如表12。

數據分析如下：

（1）1號機組軸承擺度較好，70%負荷以下擺度主頻為轉頻5Hz和渦帶頻率1.25Hz，70%負荷以上擺度主頻為轉頻5Hz，根據本次測試初步判斷1號機組渦帶區位于40%～55%負荷區，當機組處于50%負荷區域運行時，水導擺度頻譜中產生1.25Hz（0.25倍轉頻）的頻率分量，峰峰值超過245μm，擺度數據如圖4、圖5。除渦帶區外，機組擺度位于GB/T11348.5-2008標準A區，可以長期運行。

表12 1號機組現場測試部分數據記錄，擺度峰峰值μm，速度均方根值mm/s

圖3 機組振動測試工況曲線

圖4 水導擺度峰峰值數據（測點VECMA001、VECMA002）

（2）定子鐵心振動最大值為1.15mm/s，勵磁后主頻為120Hz的極頻振動，換算成位移量為4.32μm，滿足國家標準GB/T 7894-2009對于鐵心振動限值30μm的要求，振動位于GB/T 6075.5-2002標準振動限值A區，可以長期運行。頂蓋振動最大值為1.58mm/s，位于60%負荷工況，主頻為0.625Hz，振動位于GB/T 6075.5-2002標準振動限值A區，可以長期運行。下機架振動最大值為3.77mm/s，位于60%額定負荷工況，其余負荷區域振動位于GB/T 6075.5-2002標準振動限值B區以內，可以長期運行。推力軸承振動最大值為2.58mm/s，位于100%負荷工況，其余負荷區域振動位于GB/T 6075.5-2002標準振動限值A區，可以長期運行。

（3）發電機蓋板振動最大值為9.58mm/s，位于空載工況，其余工況振動位于6.87～9.58mm/s之間，主頻為120Hz，振動數據如圖6。由于發電機蓋板沒有相應振動標準，對比國內機組發電機上蓋板振動，該發電機蓋板振動較大，可能原因為發電機上蓋板剛度較差，固有頻率與發電機120Hz極頻相近而發生共振，建議通過增加上蓋板剛度，改變上蓋板固有頻率等常規技術手段加以處理。

2號機組現場測試部分數據記錄如表13。

表13 2號機組現場測試部分數據記錄，擺度峰峰值μm，速度均方根值mm/s

數據分析如下：

圖5 水導擺度頻譜數據（測點VECMA001、VECMA002）

圖6 發電機蓋板及定子基座2振動數據（測點Acc_cover、Acc_s_fr2）

（1）2號機組軸承擺度較1號機偏大，同1號機組，2號機組70%負荷以下擺度主頻為轉頻5Hz和渦帶頻率1.25Hz，70%負荷以上擺度主頻為轉頻5Hz，根據本次測試初步判斷2號機組渦帶區位于45%～60%負荷區，當機組處于50%、60%負荷區域運行時，水導擺度頻譜中產生1.25Hz（0.25倍轉頻）的頻率分量，峰峰值超過245μm，擺度數據如圖7、圖8。除渦帶區外，機組擺度位于GB/T 11348.5-2008標準B區，可以長期運行。

圖7 水導擺度峰峰值數據（測點VECMA001、VECMA002）

圖8 水導擺度頻譜數據（測點VECMA001、VECMA002）

（2）定子鐵心振動最大值為2.08mm/s，勵磁后主頻為120Hz的極頻振動，換算成位移量為7.8μm，滿足國家標準GB/T 7894-2009對于鐵心振動限值30μm的要求，振動位于GB/T 6075.5-2002標準振動限值B區以內，可以長期運行。頂蓋振動最大值為1.91mm/s，位于空轉工況，主頻為0.625Hz，振動位于GB/T 6075.5-2002標準振動限值A區，可以長期運行。下機架振動最大值為2.73mm/s，位于空載工況，振動位于GB/T 6075.5-2002標準振動限值B區以內，可以長期運行。推力軸承振動最大值為2.20mm/s，位于空載工況，振動位于GB/T 6075.5-2002標準振動限值A區，可以長期運行。

（3）發電機蓋板振動最大值為13.88mm/s，位于50%負荷工況，其余工況振動位于4.65～13.41mm/s之間，主頻為120Hz，振動數據如圖9。由于發電機蓋板沒有相應振動標準，對比國內機組發電機上蓋板振動，該發電機蓋板振動較大，可能原因為發電機上蓋板剛度較差，固有頻率與發電機120Hz極頻相近而發生共振，建議通過增加上蓋板剛度，改變上蓋板固有頻率等常規技術手段加以處理。

（4）發電機定子基座振動最大值為10.03mm/s，位于60%負荷工況，主頻為120Hz的極頻振動，換算成位移量為37.7μm，超過國家標準GB/T 7894-2009對于定子基座振動限值20μm的要求，振動數據如圖9，此時機組處于非常規工況，需要限制機組在此負荷區域運行。

圖9 發電機蓋板及定子基座2振動數據（測點 Acc_cover、Acc_s_fr2）

6 結論

綜合上述的振動測試和穩定性分析，1號機組處于良好運行狀態，但在50%負荷區域由于1.25Hz頻率的產生而導致水導擺度增大，此區域通常與水流擾動有關，稱為渦帶振動區[5]（RLZ），此區域與1號機組帶部分負荷時呈現的渦流現象相吻合，故應限制1號機組在50%負荷區域以下運行。2號機組處于穩定運行狀態，但在50%、60%負荷區域由于1.25Hz頻率的產生而導致水導擺度增大，此渦帶振動區（RLZ）同樣與2號機組帶部分負荷時呈現的渦流現象相吻合。同時2號機組在60%負荷區域由于120Hz的極頻振動導致定子基座振動超標，屬于機組的非正常運行工況，故應限制2號機組在60%負荷區域以下運行。