紅石水電站機組及廠房振動特性測試研究

姜明利，許亮華，喬 木 ，李繼功

（1.中國水利水電科學研究院，北京100048；2.松花江水力發電有限公司吉林白山發電廠，吉林 樺甸132013）

1 前言

白山電廠紅石水電站為河床式電站，4 臺軸流定槳式機組，單機容量50 MW。電站自投產以來一直存在較為明顯的廠房振動和運行噪聲，對電站運行管理人員健康和機組安全運行構成一定影響。

在2019 年，對電站機組、廠房和大壩進行了噪聲和振動測試。本文根據振動測試數據進行分析研究，評估機組的運行穩定性、分析電廠廠房振動特性以及大壩的振動特性。

2 電站主要參數

紅石水電站位于第二松花江干流上，在吉林省樺甸市紅石鎮，距下游豐滿水電站172 km，距上游白山水電站38 km，電站水庫末端與白山電站尾水相接，區間集水面積1 300 km。紅石水電站裝設4 臺立式軸流定槳式水輪機發電機組，單臺機組容量50 MW；水輪機型號為ZDA190-LH-600，發電機型號為SF57-5/9000，額定功率50 MW，額定轉速107.1 r/min，飛逸轉速255 r/min，半傘式結構，沒有下導軸承。

具體參數如表1。

表1 機組水輪機主要技術參數

3 測點布置

本次測試以3 號機組及廠房結構為主要研究對象，兼顧4 號機組廠房結構和副廠房結構，測試試驗目的是結構振動振源和振動特征，測點主要布置在結構關鍵部位，測點布置如下：

3.1 機組測點（3 號機組）

（1）頂蓋振動：在水輪機頂蓋的X（水平）、Y（水平）、XZ（垂直）方向各安裝一個位移式振動傳感器，共計3 個測點；

（2）壓力脈動：在蝸殼進口布置一個測點。

3.2 廠房結構測點（3 號機組、4 號機組）

測點說明見表2。

表2 紅石廠房測點位置表

（1）水輪機層測點：機組水輪機層進水管上方（上游測點）、水輪機層尾水管上方（下游測點）。

（2）發電機層測點：3 號機組發電機層立柱旁。

3.3 壩頂結構測點

壩頂測點：3、4 號機組的進水口閘門上游和下游壩頂位置和副廠房過道立柱旁，測點說明見表3。

表3 紅石壩頂測點位置表

4 振動特性分析

根據電站運行實際，進行了機組正常運行工況的振動測試。工況包括：3 號機組50 MW 滿負荷運行（1～4 號機組停機）和3～4 號機組50 MW 滿負荷運行（1～2 號機組停機），運行水頭25 m。

通過測試數據，對機組和廠房結構振動特性分析如下：

4.1 機組振動幅值統計分析

蝸殼進口壓力脈動相對值為4.08%～4.176%，數值較小，在規定的標準和規程要求范圍內，水輪機頂蓋X 方向水平振動值3.24～3.76 μm，Y 方向水平振動值7.19～7.98 μm，垂直振動值13.06～13.51 μm，滿足GB/T32584-2016《水力發電廠和蓄能泵站機組機械振動的評定》標準要求，振動幅值均在標準和規程要求范圍內，機組可以長期穩定運行。

表4 蝸殼進口壓力脈動和水輪機頂蓋振動（RMS）

4.1.1 機組頻率特征分析

紅石電站機組為立式軸流定槳機組，機組轉速107.1 r/min，轉輪葉片數5 片，活動導葉數24 片，機組轉頻為1.785 Hz。以此分析，機組引起振動的可能頻率特征如下：

a.機組葉片過流頻率：1.785×5=8.925 Hz；其2倍頻為17.85 Hz，3 倍頻為26.775 Hz，…以此類推。

b.導葉過流頻率：1.785×24=42.84 Hz；其2 倍頻為85.68 Hz，…以此類推。

c.尾水管內的低頻渦帶：0.18～0.89 Hz，中高頻渦帶轉頻1.785 Hz 左右。

（1）蝸殼進口壓力脈動頻譜分析

從蝸殼進口壓力脈動頻譜圖（圖1）上看，壓力脈動主頻為機組轉頻及其倍頻，壓力脈動的頻譜圖上有3 個主要頻率區域。

圖1 蝸殼進口壓力脈動頻譜圖

1）機組轉頻及其倍頻：轉頻（1.78 Hz）、2 倍轉頻（3.56 Hz），以及低頻（渦帶頻率）。

2）導葉（24 個導葉）過流頻率：42.84 Hz（24 倍轉 頻）、39.2 Hz（22 倍 轉 頻）、41.01 Hz（23 倍 轉 頻）、44.58 Hz（25 倍轉頻）。

3）葉片（5 個葉片）過流頻率及其倍頻：8.925 Hz（5 倍轉頻）、17.85 Hz（10 倍轉頻）。

（2）水輪機頂蓋X 方向水平振動頻譜分析

從頻譜圖上（圖2）看，主頻為機組轉頻及其倍頻，頻譜圖上有3 個主要頻率區域：

圖2 頂蓋振動+X 水平振動頻譜圖

1）機組轉頻及其倍頻：轉頻（1.78 Hz）、2 倍轉頻（3.56 Hz），以及低頻（渦帶頻率）。

2）導葉（24 個導葉）過流頻率：42.84 Hz（24 倍轉 頻）、39.2 Hz（22 倍 轉 頻）、41.01 Hz（23 倍 轉 頻）、44.58 Hz（25 倍轉頻）。

3）葉片（5 個葉片）過流頻率及其倍頻：8.925 Hz（5 倍轉頻）、17.85 Hz（10 倍轉頻）。

（3）水輪機頂蓋Y 方向水平振動頻譜分析

從頻譜圖（圖3）上看，主頻為機組轉頻及其倍頻，頻譜圖上有3 個主要頻率區域：

圖3 頂蓋振動+Y 水平振動頻譜圖

1）機組轉頻及其倍頻：轉頻（1.78 Hz）、低頻（渦帶頻率）。

2）導葉（24 個導葉）過流頻率：42.84 Hz（24 倍轉 頻）、39.2 Hz（22 倍 轉 頻）、41.01 Hz（23 倍 轉 頻）、44.58 Hz（25 倍轉頻）。

3）葉片（5 個葉片）過流頻率及其倍頻：8.925 Hz（5 倍轉頻）、17.85 Hz（10 倍轉頻）。

（4）水輪機頂蓋XZ 方向垂直振動頻譜分析

從頻譜圖上（圖4）看，主頻為機組轉頻及其倍頻，頻譜圖上有3 個主要頻率區域。

圖4 頂蓋振動+Z1 垂直振動頻譜圖

1）導葉（24 個導葉）過流頻率：42.84 Hz（24 倍轉 頻）、39.2 Hz（22 倍 轉 頻）、41.01 Hz（23 倍 轉 頻）、44.58 Hz（25 倍轉頻）。

2）機組轉頻及其倍頻：轉頻（1.78 Hz）、低頻（渦帶頻率）。

3）葉片（5 個葉片）過流頻率及其倍頻：8.925 Hz（5 倍轉頻）、17.85 Hz（10 倍轉頻）。

4.1.2 機組振動特征分析

通過以上機組振動統計和頻譜分析表明：機組振動主頻為機組轉頻及其倍頻，幅值處在正常范圍之內，可以長期穩定運行。

4.2 廠房振動響應特征分析

4.2.1 廠房振動時程分析

通過對紅石3 號機組和3 號、4 號雙機組發電工況下，廠房振動響應進行統計分析。

（1）從統計曲線圖（見圖5、圖6）看，雙機組發電工況比單機組發電工況，各點振動響應雖有所增大，但增大幅值并不顯著。

圖5 機組發電廠房振動最大加速度統計

圖6 機組發電廠房振動加速度均方根值統計

（2）發電機層振動比水輪機層振動大，表明通過樓層傳遞振動有放大效應。

通過對比3 號-F 和3 號-2 測點，可看出發電機層相比水輪機層，兩層相似位置，水平向振動最大值放大在2 倍左右，豎直向振動最大值放大在4 倍左右。

本次試驗測點中振動響應最大發生在3 號機組發電機層豎向。豎向加速度均方根為14.87 gal，最大值為74.358 gal。本次測點發電機層測點布置在立柱旁，該測點位置剛度比發電機層樓板中間區域以及廠房墻體上部結構剛度高，據此推測發電機層樓板中間區域以及廠房墻體上部結構振動加速度最大響應會大于74.36 gal。

4.2.2 廠房振動頻譜分析

廠房測點振動響應頻譜的優勢頻譜（見圖7）主要有：振動響應中卓越頻段是41.1～50 Hz，在該頻段存在多個主要峰值主頻，都是轉頻的倍頻，分別為：40.1 Hz（23 倍頻）、42.8 Hz（24 倍頻）…49.96 Hz（28倍頻）；在較高頻段的頻率主頻還有99.92 Hz；另外低頻優勢主頻主要是0.3～0.4 Hz 左右的峰值主頻，如圖8。

4.2.3 廠房振動特征分析

從頻譜可以看出，廠房振動響應主要頻率為轉頻倍頻，表明廠房振源高頻部分主要來自機組壓力脈動，而低頻部分主要由尾水管低頻渦帶產生的脈動壓力引起。廠房振動最大振動發生在豎直向，振動通過樓層傳播產生2～4 倍放大。雙機振動相比單機振動，增大幅度不大。

圖7 3 號水輪機進水管上方測點振動速度頻譜圖

圖8 3 號水輪機進水管上方測點振動速度頻譜圖（0～2 Hz 頻段）

4.3 壩頂振動響應特征分析

4.3.1 壩頂振動時程分析

通過對紅石3 號機組發電和3 號、4 號機組雙機組發電工況下壩頂廠房振動響應進行統計分析，從統計曲線圖（見圖9、圖10）看，雙機組發電工況比單機組發電工況的各點振動響應略有增大。壩頂測點最大振動加速度響應Z 向18.3 gal，X 向16.3 gal、Y 向13.6 gal。

4.3.2 壩頂振動頻譜分析

對壩頂測點振動響應進行頻譜分析，頻譜圖見圖11。

從頻譜上看，壩頂3 號閘門上下游兩個測點：3號-D 和3 號-U 的頻譜比較相似，壩頂順流向卓越頻率為41.1 Hz（ 23 倍機組轉頻），壩頂豎直向峰值主頻為44.7 Hz（25 倍機組轉頻）；壩頂縱向的振動頻譜的諧頻特征不明顯，卓越頻段為5～28 Hz 之間。4 號閘門測點頻譜特征與3 號閘門測點頻譜相似。

圖9 機組發電壩頂振動加速度均方根值統計

圖10 機組發電壩頂振動最大加速度統計

圖11 壩頂進水閘門上游3 號-U 測點振動速度頻譜圖

4.3.3 壩頂振動特征分析

壩頂振動響應主頻基本上都是機組轉頻倍頻，表明壩頂振動主要振源仍然來自于廠房機組運行產生的水力脈動。

4.4 副廠房振動頻譜分析

4.4.1 副廠房振動時程分析

副廠房測點位置處的水平向最大加速度5.0 gal、豎直向3.7 gal，屬于有感振動，本次副廠房振動測試位置在結構拐角的立柱旁，結構強度較大，該位置測點得到的振動響應相比樓板其它部位會小，不排除樓板其它部位有可能存在較大振動響應。

4.4.2 壩頂振動頻譜分析

副廠房過道測點的振動頻譜X 向和Z 向峰值頻率為8.99 Hz（ 5 倍轉頻），Y 向振動峰值頻率為5.68 Hz，見圖12。

圖12 副廠房拐角立柱旁過道測點振動速度頻譜圖

4.4.3 副廠房振動特征分析

從振動響應值上看，或從頻譜上可以看出副廠房測點水平向振動響應的峰值主頻在人體敏感共振頻率區域范圍，人體會比較敏感。根據GB/T50868-2013《建筑工程容許振動標準》，建筑物內人體舒適度的容許振動加速度標準判斷，實測副廠房過道處測點振動未超過人體舒適度的容許值。不排除機組運行時，副廠房人員其它工作位置的樓板區域振動可能比立柱旁過道測點的振動更大。

5 結論

通過對本次振動測試試驗數據分析，對機組、廠房結構、壩頂、副廠房振動時程、頻譜進行分析，得到以下主要結論：

5.1 機組與結構幅值特征

（1）紅石電站3 號機組振動，滿足GB/T32584-2016《水力發電廠和蓄能泵站機組機械振動的評定》標準要求，振動幅值均在標準和規程要求范圍內。

（2）廠房、大壩、副廠房結構振動，根據聯邦德國（DIN4150）推薦建筑物振動控制標準、以及日本學者畑中元弘歸納的不同研究者提出的建筑物振動允許界限，判斷均屬于安全范圍內。

（3）紅石雙機組發電工況比單機組發電工況振動響應增幅并不太明顯。

（4）振動通過廠房結構傳遞由下至上有2～4 倍放大，廠房結構振動最大發生在發電機層。

5.2 脈動壓力主頻特征

（1）蝸殼進口壓力脈動主頻為機組轉頻及其倍頻。

（2）機組振動振源來自水力脈動，包括進水口脈動和尾水管脈動，振動主頻為轉頻、導葉過流頻率、葉片過流頻率以及尾水管渦帶頻率。

（3）壩頂振動振源來自進水口脈動，振動主頻為轉頻、導葉過流頻率、葉片過流頻率。

（4）副廠房結構振動速度和加速度在10 Hz 以下人體敏感頻率區存在頻譜卓越主頻，會引起人體產生有較強振感。

總之，紅石電站機組振動和廠房結構振動屬于安全范圍內，不影響安全生產；廠房結構、壩頂區域振動振源為機組運行產生的水力脈動。

另外受本次測試試驗測點限制，不能排除機組運行時樓板結構存在振動較大部位，若要評價樓板振動特征以及人體感受，需要另外對人員工作區域樓板布置測點，做更為準確的樓板振動測試。